304不锈钢热变形行为研究及其在复杂锻件中的应用

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304奥氏体不锈钢耐蚀性好,力学性能优异,在汽车行业应用广泛。结合锻造工艺能保持金属内部的流线和表面组织的致密性的优势,304不锈钢锻件既能保持优美的外观,又能保持良好的力学性能。本文从304不锈钢高温成形工艺中出现的表面粗晶和δ-铁素体等问题出发,研究304不锈钢的高温变形行为和不同变形条件下的微观组织演变规律,并在此基础上开发高压油轨的成形工艺,结合FORGE有限元软件对高压油轨的锻造过程进行模拟,分析各工艺参数对其成形过程的影响,为实际生产提供技术上的支持。本文的主要成果如下:(1)通过在变形温度800℃~1200℃,应变速率0.1 s-1~10 s-1区间的热模拟实验,计算得到304不锈钢高温变形的Arrhenius和Hensel-Spittel本构方程的各个参数,对两个本构方程的预测值和实验值对比分析得出Hensel-Spittel模型对整个变形过程的应力-应变关系预测更准确,整体偏差小。通过建立热加工图,结合微观组织的分析发现高温低应变速率区间材料功率耗散系数高,且变形不失稳;随着变形温度的下降和应变速率的升高材料容易失稳。最佳的加工范围为变形温度1070℃~1170℃,应变速率0.1 s-1~1 s-1。(2)加热速率和奥氏体化温度是影响304不锈钢表面粗晶的主要因素。304不锈钢在1150℃保温或变形时易发生再结晶,且晶粒随保温时间的加长和变形温度的升高而快速增大。在加热节拍为20s,加热温度为1100℃时无表面粗晶。变形会细化晶粒,且晶粒尺寸随着变形速率的增大而减小。变形速率的加大和变形温度的升高都会提高组织的储存能,缩短再结晶的孕育期。(3)材料变形后的组织主要为奥氏体和δ-铁素体。δ-铁素体含量随奥氏体化温度的升高先增大后减小,随保温时间匀速增加至8%时不再增加。在应变速率0.16 s-1~2.5 s-1间δ-铁素体含量高,变形温度为975℃和1115℃时达到峰值;变形温度800℃~900℃,应变速率4 s-1~10 s-1的区间δ-铁素体低于5%。变形量和冷却速率对材料δ-铁素体的含量影响不大。(4)在对材料性能和微观组织的研究基础上,结合有限元模拟设计并改进汽车发动机高压油轨的成形工艺,降低了成形力,提高了材料利用率。
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