钢中相变塑性的数值模型及实验研究

Accurate description of transformation plasticity (TP) is the key for improving the precision of finite element calculation of quenching stress; and the calculation of TP for multiphase transformations is of great theoretical significance in design of plasticity enhancement process for high strength steel. Recent studies of TP by the applicant found that the description of TP is not comprehensive enough, resulting in the deviation between theoretical and experimental results; and an unexpected phenomenon was found: the TP are different between single phase transformation and multiphase transformations. Thus, the present project intends to perform experimental and theoretical investigation for TP: 1) By performing orthogonal experiment and finite element simulation of TP for seven different chemical composition steels (15Cr, 30Cr, 40Cr, 50Cr, 45, 42CrMo, and 40CrNiMo), the coefficient K and normalized function f(φ) for TP will be determined, and the dependence of K and f(φ) on the yield strength of both mother phase and product phase as well as stress etc. will be revealed; 2) By comparing the simulated and measured residual stress distributions for different hardenability steels, the correctness and universality of the educed TP calculation expression will be validated; 3)The differences of TP between multiphase transformations and single phase transformation will be revealed, and the calculation method for TP of multiphase transformations (ferrite+pearlite+martensite, bainite+martensite, ferrite+bainite+martensite) will be obtained.

相变塑性（TP）的精确计算对提高淬火应力的有限元计算精度具有重要意义，而多种相变的TP的计算对高强度钢增塑的工艺设计具有理论指导意义。申请人近期的研究发现，国内外对相变塑性的描述不够全面，由此导致理论描述显著地偏差实验结果，同时发现多种组织相变的TP不同于单一组织相变的TP。为此，本申请项目将开展以下实验和理论研究：1）给出完整描述TP的计算公式，通过对不同成分的钢种（15Cr、30Cr、40Cr、50Cr、45、42CrMo和40CrNiMo）的TP正交实验与有限元计算，确定相变塑性计算表达式中的TP系数K和TP归一化函数f(φ)，揭示母相与子相屈服强度、应力等对K和f(φ)的影响；2）比较不同淬透性钢种的模拟与实测的残余应力分布，验证TP计算公式的正确性和普适性；3）揭示多组织相变（铁素体+珠光体+马氏体、贝氏体+马氏体、铁素体+贝氏体+马氏体）与单组织相变时TP的差异和计算方法。

本项目基于有限元数值计算与实验测量对钢中的相变塑性进行了较为系统的研究。基于Greenwood-Johnson机制建立了相变塑性有限元计算模型，基于数值模型分别对影响相变塑性系数及相变塑性归一化函数的因素进行了分析，根据影响因素分析结果给出了相变塑性系数计算表达式和相变塑性归一化函数表达式。为了对相变塑性计算结果进行验证，使用Gleeble3500测量了42CrMo钢的珠光体、贝氏体、马氏体相变的相变塑性以及不同应力下42CrMo贝氏体相变时的相变塑性，基于实验比较了珠光体、贝氏体和马氏体相变塑性系数的大小，比较发现，相变塑性计算公式计算结果与实验结果基本一致，能够解释不同相变类型的相变塑性之间的差异。根据所得到的相变塑性统一表达式，建立了热处理过程的温度-组织-应力/应变三场耦合数值模型，该模型可以预测钢件淬火过程中的过程应力与淬火后的残余应力，通过与相关实验测量的残余应力结果比较表明，根据该研究所得到的相变塑性表达式计算的残余应力与实测结果能够更好地符合，从而进一步验证了相变塑性统一表达式的可靠性。根据所建立的有限元模型，对全淬透圆柱件与空心圆柱件的淬火应力与开裂现象进行了研究，基于数值模拟，成功解决了空心风电轴淬火时内孔开裂的工程问题。