本文是一篇工程硕士论文，本文通过将理论与实验相结合，研究了材料热变形行为，总结了晶粒细化规律，分析了不同合金元素对材料力学性能及微观组织演变的影响；同时建立了材料的流变应力方程和不同变形参数下的热加工图。
第 1 章 绪论
1.1 选题背景及研究意义
钢铁材料是工业生产中必不可少的基础材料，经过一系列的生产工艺，钢铁材料变身为人们日常生活中的诸多产品，用途非常广泛。由于钢铁制造工艺成熟、规模大、效益高，在产品竞争性、可靠性和适用性等方面，钢铁材料均具有不可比拟的综合优势。此外，钢铁材料还具有优异的加工成型性和循环利用性，是全球经济发展和社会文明进步不可或缺的绿色材料、必选材料或首选材料[1]。近 200年来，世界钢铁产量随着全球经济发展不断增长，经过 20 世纪的发展演进，钢铁冶金已由技艺跨入工程科学的层次[2]。进入 21 世纪以来，在中国经济高速发展的带动下，中国钢铁产量迅猛增长。即便在 2020 年新冠疫情的席卷下，全球很多地区的钢铁产量都受到了很大的影响，而中国的年粗钢产量依然位列全球第一。随着时代的发展与科学的进步，各行各业所需的钢铁材料种类也越来越多，无论是数量还是质量，都提出了更高层次的要求，如汽车车身所用的冷轧、热轧薄钢板要求防锈蚀、轻量化、高强度，汽车内覆盖件和功能件要求高塑性应变比和延伸率即要求好的成型性；建筑工程中所用到的各类钢筋要求抗拉、抗压、防腐蚀以及能够抵抗热胀冷缩引起的温度变形等；生物医学中用到的血管支架提出了物理性能稳定、具有良好的生物活性且无致癌与致畸性等要求；一些其他领域需要大量的专用钢。从巨型的大厦、舰艇、桥梁到微型的血管支架，钢铁材料的多方向发展不仅要求钢铁材料的形状，还要保证其寿命和性能的可靠性。为了应对时代的变化，提高的综合性能迫在眉睫。传统的金属塑性成形旨在达到工件形状和尺寸要求，而很少将工件的使用性能纳入考量，通过热处理工艺改变工件的微观组织，以满足产品的使用性能，即塑性成形与热处理相互独立。但随着科技的进步，如今的塑性成形技术越来越成熟，已经开始逐步的将相互独立的两种工艺交织在一起，首先基于先进的理论基础，选择最优的塑性成形及热处理工艺，通过先进数控技术控制塑性成形的全过程，产品加工完成后，其形状尺寸与使用性能同时达到要求[3]。
1.2 国内外研究现状
1856 年，德国人贝赛麦发明了转炉炼钢工艺，标志着钢铁制造跨出了意义重大的第一步。在市场竞争日益激烈、资源和能源供给受限以及生态环境保护等多重制约下，钢铁产业面临着从粗放型规模扩张到集约型高质量发展的转型升级，同时还面临着大幅度削减过剩产能、推进供给侧结构性改革和生态环境治理等多方面的严峻挑战和考验[5]。新一代钢铁材料的主要研发方向是获得超细晶组织（1μm）。自 1997 年起，日本、韩国先后开始着手研究超级钢铁；同一时期，我国也开展了高性能钢铁研究计划；1998 年，德国、美国和法国也相继开展超细晶材料的研发。与上世纪相比，中国的工业发展发生了巨大的变化，尤其是钢铁产业方面的发展。近年来，中国工业化、智能化进程加快，钢材市场屡次震荡，市场上对钢铁产品的需求结构越来越复杂。在市场需求的施压作用下，钢铁产业的投资规模日益扩大，钢铁产能则是连年增长。直至目前，我国在引进消化国外先进技术的基础上，实行产业集中，结合中国钢铁产业自身的特点，通过自主创新，形成了一系列具有国际先进水平的技术和装备，以及一些核心技术的研发与应用。在此期间，殷瑞钰院士[6]等冶金学家基于对现代钢铁制造流程的深刻认识和长期研究，创建了冶金流程工程集成理论与方法[7]，提出并创新了新一代可循环钢铁制造流程。
刘建军[8]等通过对 Ti-Nb 合金的变形机理研究，建立了 Arrhenius 本构模型，经验证精度非常高；吴瑞恒[9]等从晶粒尺寸角度出发，提出晶粒形变度的概念，建立了一个计算曲线连续的数学模型，且该模型精度高、简单直观、受分界点影响小；肖年根[10]等研究了 420Mpa 结构钢的热变形行为，并建立了精度较高的流变应力数学模型；孙蓟泉[11]等研究了 SPHC 钢的高温塑性变形行为，并分析了钢的动态再结晶机理；Boakye-Yiadom S[12]研究了冲击实验后的 4340 钢的晶粒细化，指出晶粒细化受到晶粒旋转与热辅助作用影响。
第 2 章 实验材料、方案及设备
2.1 实验材料
本次实验所选用的材料为 20 钢、20Cr 钢、60 钢和 60Si2Mn 钢四种材料。这四种钢材在工业生产环境中应用广泛，20 钢强度较低但是其韧性好，伸长率≥24%，常用于制造锻制或压制的勾环、杠杆、夹具等；20Cr 钢为低淬透性渗碳钢，多用于蜗杆、齿轮等零件的制作；60 钢是亚共析钢，其强度、硬度和弹性都比较高，淬透性较差，常用于制造轴、凸轮等，这些零件常服役于摩擦环境中，一般都要求高强度；60Si2Mn 是一种弹簧钢，在日常生活照应用广泛，属于中碳结构钢，其强度、塑韧性都较高，适宜制作各种承受较大负荷的弹簧。下表 2-1 为四种实验钢的化学成分：
2.2 试验方案
2.2.1 热压缩试验
单道次热压缩实验工艺如图 2-1 所示。实验过程为：
（1）对原材料进行加工，制成高 12 mm、半径 4 mm 的圆柱，于热模拟机中加热，进行奥氏体化，保温 3 min，使奥氏体组织均匀化；
（2）将试样冷却，在相应温度下进行保温 30 s，消除内部的温度不均匀现象，以设定的速率将试样压缩至预设变形量；
（3）淬火以保存变形后的组织。 实验环境是无氧，避免了金属氧化的影响。为了降低摩擦力带来的影响，在压头与试样间放涂有二硫化钼的钽片。试验中各参数如表 2-2 所示。实验过程的载荷、位移、应力、应变、温度等数据可通过热模拟实验机计算机系统直接获取。
第 3 章 结构钢高温变形行为研究 ....................... 19
3.1 数据处理 ............................... 19
3.2 实验钢的热膨胀冷却收缩曲线 ...................... 20
3.3 实验钢的真应力-应变曲线 .............................. 21
第 4 章 结构钢流变应力本构模型 ............................ 31
4.1 数学本构模型 ....................................... 31
4.1.1 宏观数学模型 ................................. 31
4.1.2 微观数学模型 ............................ 34
第 5 章 结构钢热加工图及临界温度下晶粒细化 .................. 47
5.1 热加工图的理论基础 .............................. 47
5.1.1 能量耗散图理论 ............................... 47
5.1.2 流变失稳图理论 ............................... 48
第 5 章 结构钢热加工图及临界温度下晶粒细化
5.1 热加工图的理论基础
由于热加工工艺以及金属材料种类不同，在实际加工生产过程中容易产生组织不均匀、气孔和裂纹等缺陷，为了避免缺陷，应尽量选择合理的加工工艺参数，基于上述考虑，结合了大塑性变形连续力学等原理的热加工图被建立。本章通过建立 60 钢在不同应变下的热加工图，结合前面章节的流变曲线、数学模型所得结论，提供合理的工艺参数，改善材料的加工性能，并通过对比分析不同变形条件下的 20、20Cr、60 和 60Si2Mn 钢的微观组织，探究了晶粒细化机理及规律。
在热变形过程中能量耗散情况可由热加工图进行描述。通过对热加工图的分析，可以得到热压缩后组织的形态和演变规律，从而应用于优化材料加工工艺参数。热加工图的分类及其原理，如图 5-1 所示。本文选用对基于动态材料模型加工图进行介绍。
结论
本文以 20、20Cr、60、60Si2Mn 钢为研究对象，用 Gleeble-1500 热模拟机对其进行单道次热压缩实验，系统地研究了 20、20Cr、60、60Si2Mn 钢的高温流变行为、动态软化机制和材料微观组织演变规律。通过将理论与实验相结合，研究了材料热变形行为，总结了晶粒细化规律，分析了不同合金元素对材料力学性能及微观组织演变的影响；同时建立了材料的流变应力方程和不同变形参数下的热加工图。主要结论如下：
（1）由 20、20Cr、60、60Si2Mn 钢的真应力-应变曲线可得，变形温度越高或应变速率越小，对应的流变应力及其峰值越小，曲线越平缓，稳态区越长，高应变速率下流变曲线出现明显波动。
（2）对比四种实验钢的真应力-应变曲线，20 钢与 20Cr 钢相比，随着合金元素 Cr 的增加，峰值应变的数值增大；20 钢与 60 钢相比，随着碳含量的增多，峰值应变的数值也在增大，C、Cr 均利于提高动态再结晶的临界应变量。
（3）对 20、20Cr、60、60Si2Mn 钢建立了 Arrhenius 数学模型，归纳了四种钢材在真应变为 0.5 时的流变应力方程，经验证具有良好的精度。随着合金元素的增加，变形激活能𝑄𝑄与结构因子 A 均在增加。
（4）通过对 60 钢的热加工图进行分析，确定非失稳区主要集中在低温低应变速率区（730～800℃、0.01～0.1s-1）和中高温中应变速率区（850～1000℃、0.1～1s-1），其结论与流变应力曲线结果相呼应。
（5）当变形条件一定时，随着变形温度的降低，相变的驱动越大，铁素体的体积分数增加，同时得到细化，由于合金元素的偏析，组织内出现带状组织。
参考文献（略）