绪 论
1.1 选题背景及意义
环件热辗扩成形工艺作为生产无缝环形零件（如轴承套圈、法兰等）的先进制造技术，在物理热学论文航空航天、风电设备、船舶、石油、化工、国防科技等高科技领域都有着广泛的应用[1]。传统的环件热辗扩工艺是借助辗环机等成形设备使经过锻造得到的环形坯料产生连续的局部塑性变形，进而实现壁厚不断减薄，直径逐渐增大，截面轮廓成形[2]该工艺适用于生产各类不同形状和尺寸的环形零件，具有设备吨位小，加工范围广，产品质量好的优点，是目前环形零件（特别是大型环件）生产普遍使用的工艺方法。这种传统的环件热辗扩成形工艺流程包括冶炼、浇注钢锭、钢锭开坯和初锻、下料、镦粗、冲孔、热辗扩成形，然后进行后续的热处理和机加工。整个生产过程冗长，镦粗冲孔工序中材料浪费十分严重；并且在整个工艺流程中要经过多次反复加热，能源消耗严重，同时在加热过程中产生的氧化皮也会造成材料的浪费并极大影响成形件的质量，这不利于当前国家对于工业减排和低碳制造目标的实施。近年来，受洛阳 LYC 轴承有限公司委托，太原科技大学致力于轴承套圈等大型环件生产新工艺的研究，物理热学毕业论文提出了一种金属环件短流程铸辗复合精确成形新工艺。该工艺利用铸造所得环件直接辗扩成形，其工艺流程为冶炼浇铸、制得环件坯体、加热、热辗扩成形，热处理和机加工，与传统热辗环工艺相比，环件短流程铸辗复合精确成形新工艺利用环形铸坯直接在辗环机上辗扩成形，省去了原有工艺的冲孔工序，可节约材料 20 %- 30 %，省去了传统工序中的锻坯工物理热学硕士论文序，既减少了坯料加热次数，又提高了生产效率，同时也节约了能源和人力，有利于节能减排和清洁生产，尤其对于大型环件的生产，是一种高效、节能、节材的新型环件生产工艺，具有巨大的发展潜力和广阔的推广应用前景[3-5]。
然而该铸辗复合成形工艺中所用到的铸态钢（本论文中为铸态 42CrMo 钢）存在较为严重的成分偏析和夹杂物分布不均，在热辗扩过程中其微观组织不断发生演变，这对产品的最终机械性能有很大的影响。因而，深入研究热辗扩过程中铸态材料微观组织的热物理性能，对于指导实际生产具有十分重要的意义，同时也为后续利用 DEFORM-3D 有限元分析软件进行辗环工艺数值模拟提供了直接可靠的材料模型热学职称论文格式。国内目前有关铸态42CrMo 钢的热物理性能研究基本处于空白阶段，相关文献也仅有锻态 42CrMo 钢的热物性参数数据，本课题很好地填补了这一缺陷。本文所研究的 42CrMo 钢是一种常见的中碳合金钢，属于超高强度钢，具有很高的强度和韧性，淬透性较好，无明显的回火脆性，高温下有较高的蠕变强度和持久强度，调质处理后有较大的疲劳极限和抗多次冲击能力，低温冲击韧性良好。故 42CrMo 钢常被广泛用于制造要求较 35CrMo 钢强度更高、调质截面更大的锻件，如增压器传动齿轮、后轴、机车牵引用的大齿轮、石油深井钻杆接头、承受较大载荷的连杆与打捞工具等，现在也逐渐应用于大型轴承环件中[6]。
1.2 国内外研究现状
1.2.1 42CrMo 钢热变形行为及组织性能相关研究
对于 42CrMo 钢热变形行为以及热物理模拟方面国内科研工作者进行了以下相关研究：蔺永诚等人系统地研究了锻态 42CrMo 钢的热力学变形行为，得到了该材料的应力应变曲线，并深入分析了锻态 42CrMo 钢的变形温度，变形速度及变形程度等对其动态再结晶、亚动态再结晶及静态再结晶的影响，建立了该材料的数学模型[7-8]。骆刚等人通过在 Gleeble-1500热模拟实验机上对42CrMo钢试样进行等温恒应变速率的热压缩实验，详细地分析了 42CrMo 钢在热变形过程中几个重要的变形参数对 42CrMo 钢流变应力的影响，建立了 42CrMo 钢的峰值流变应力方程，并对实验峰值应力和模型预测峰值应力做了比较[9]。肖文近等以热物理模拟试验为基础，较为深入地研究了 42CrMo 钢在热压缩变形过程中不同变形速率和形变温度条件下流变应力的变化规律，通过线性回归的数学方法确定了 42CrMo 钢的应变硬化指数以及形变激活能，结合试验数据拟合得到42CrMo 钢在高温条件下流变应力的本构方程[10]。魏军等采用 MSC.Marc 有限元模拟软件，对连铸方坯连轧 42CrMo 圆钢工艺过程进行了三维热力耦合模拟仿真，通过对其成形过程中应力场、应变场、温度分布以及轧制力和轧制力矩变化特点的分析，得到了 42CrMo合金钢轧制过程中圆角易出现裂纹的主要原因是该区域总等效应变、等效应力和温降较大[11]。
关于 42CrMo 钢热处理及组织性能方面国内研究现状如下：赵玲玲等采用有限元模拟与热压缩实验相互结合的方法，对 42CrMo 钢热加工过程中临界变形、多道次压下、道次间隔时间和完全再结晶的保温时间对奥氏体晶粒长大的影响规律进行了研究，阐明了在热变形过程中增大道次压下量、缩短道次间隔时间有利于该合金钢的晶粒细化[12]。余德河分析了冷却条件对 42CrMo 钢的组织和性能的影响规律，该研究揭示随着冷却速度的加快 42CrMo 组织变化依次是多边形铁素体组织、针状铁素体组织、上贝氏体组织和板条马氏体的混合组织；在高温区冷却速度过快会形成网状铁素体组织，而当冷却速度过慢则会形成块状铁素体组织，这两种组织都会降低42CrMo 钢的机械性能和力学性能[13]。周杰等人综合采用热力耦合以及刚粘塑性有限元方法，对 42CrMo 钢支撑座进行了锻造过程变形和动态再结晶的热力耦合模拟，结果显示：晶粒尺寸介于18.6到22.1μm的金属所占体积百分比最大，为28.962％，约有67.244％的金属发生了完全动态再结晶；另外该锻件的一个重要受力截面内部晶粒尺寸较锻件底部与顶部的晶粒尺寸略大，这是由于在成形过程中内部长时间处于高温状态时其中的晶粒发生了二次长大[14]。
第二章 铸态 42CrMo 钢热物理性能参数模拟.................7
2.1 数值模拟方法概况 ..............7
2.2JMatPro 软件介绍...............7
2.3JMatPro 初始参数设置.................9
第三章 铸态 42CrMo 钢热物理性能参数实验研究..................25
3.1 激光热导仪简介 .............25
3.2 激光热导仪实验原理 .................26
3.3 实验所得结果及分析 .................28
第四章 模拟结果与实验结果对比分析...................33
4.1 铸态 42CrMo 钢热导率随温度变化曲线.................33
4.2 铸态 42CrMo 钢比热容随温度变化曲线.................34
4.3 铸态 42CrMo 钢热扩散系数随温度变化曲线.....................35
结 论
本文针对环件热辗扩成形中所用的铸态 42CrMo 钢，通过模拟与实验两种不同方法研究了该材料的热物理性能随温度的变化规律以及影响因素，并利用这些测得的热物理性能参数在 DEFORM 有限元模拟软件中建立了铸态 42CrMo 钢的材料模型，最后对辗环工艺数值模拟所得后处理结果进行了分析。本文所得结论主要有：1.利用 JMatPro 软件模拟得到了铸态 42CrMo 钢热导率、比热容及热扩散系数随温度变化曲线及其变化规律，并深入探究了温度、晶粒大小、组织相变以及微量元素含量对这些热物理性能参数的影响机理：
（a）热导率随着温度升高整体呈现递减的趋势。比热容在 700℃左右出现突变的峰值，去除该点整体呈现增大的趋势，在高于 1000℃后趋近于一个定值 0.78J/（K·g）。热扩散系数经历了突变阶段和稳定阶段：突变阶段发生在 500℃～800℃，该阶段热扩散系数经历了一个急剧降低后迅速回弹的过程，在 700℃左右达到最低值；稳定阶段处于 800℃～1200℃，该阶段中热扩散系数呈现单调递增的趋势，增幅较为平缓。
（b）晶粒愈大，热导率愈小。
（c）Cr、Mn 元素含量与铸态 42CrMo 钢高温下的热导率及热扩散系数呈反比。Mn 元素对热导率、热扩散系数的影响大于 Cr 元素。Mo 元素对热导率及热扩散系数影响不大。微量元素含量对比热容影响有限。
（d） 当铸态 42CrMo 钢内部发生组织相变时，其比热容和热扩散系数均发生突变：比热容在相变温度范围内达到峰值；热扩散系数在该温度范围急剧降低后迅速回弹。
参考文献
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[7] 蔺永诚, 陈明松, 钟掘. 42CrMo 钢亚动态再结晶行为研究[J]. 材料热处理学报,2009, 30(2): 71-75.
[8] 蔺永诚, 陈明松, 钟掘. 42CrMo 钢形变奥氏体静态再结晶[J]. 中南大学学报(自然科学版), 2009, 40(2): 411-416.
[9] 骆刚. 42CrMo 热塑性流变及动态再结晶行为研究[D]. 重庆: 重庆大学, 2010.
[10] 肖文近, 付甲, 陈晓燕. 铸态 42CrMo 钢热压缩本构模型的建立[J]. 热加工工艺,2011, 40(9): 105-107.