利用JMatPro和DEFORM软件开展20MoCr4钢温成形特征研究
20MoCr4 钢是一种低合金铬钼钢，强度高，可成形性好，广泛用于轴承、齿轮、汽车零部件等零部件。中国重汽集团立项研制采用20MoCr4钢的斜齿圈等传动零件。材料性能参数是确保零件服役性能、制定成形工艺路线的前提条件。然目前关于 20MoCr4 钢材料性能参数研究的公开报道较少,国内采用 20MoCr4 钢研制新产品的过程中迫切需要研究其材料性能参数。
中国重汽集团济南动力有限公司李良晨等研究人员采用金属材料相图计算和性能模拟软件 JMatPro 获得更宽温度范围(25~ 1 200 ℃) 、更小温度间隔(50 ℃)下的 20MoCr4 钢材料力学性能和热物理性能 ，在此基础上研究确定了 20MoCr4 钢温成形温度区间，并用于DEFORM 软件的内齿圈塑性成形过程模拟。
1、实验材料
20MoCr4 钢是按欧洲标准制备的一种高强度低合金钢 ，其化学成分见表 1 。
2、热力学及材料性能计算
2. 1 平衡相图计算
金属材料相图计算和性能模拟软件JMatPro 基于广泛验证的热力学模型和数据， 结合考虑固溶强化和第二相粒子强化，实现较宽范围内的力学性能参数和热物理性能参数的预测。根据 20MoCr4 钢化学成分、热处理制度和晶粒尺寸等参数可计算预测响应的流变应力数据和热物性能数据。图1所示为 JMatPro 模拟计算获得的 20MoCr4 随温度变化的平衡相图，由图 1 可知其熔点约为 1445 ℃ 。因此 25~ 1 200 ℃温度范围内涵盖冷、温、热成形区间。
图1 20MoCr4 随温度变化的相图
2. 2 流变应力曲线计算
使用金属材料相图计算和性能模拟软件JMatPro计算得到20MoCr4 钢的流变应力数据，如图 2 所示。温度变化间隔为 50 ℃ ,相较试验更快速获得更多的材料性能数据。
图2 不同成形温度下的20MoCr4应力应变关系
由图 2 可知 ，随着成形温度升高 ，在相同应变速率和相同变形程度下 20MoCr4 钢变形抗力 显著降低。此外在相同的温度条件以及相同的变形程度下，随着 20MoCr4 材料应变速率增加，流动应力幅值出现逐渐增加的趋势 ，这说明变形温度 、变形程度、应变速率共同影响着 20MoCr4 钢流动应力。
结合分析不同应变速率下材料的流变应力数据可知 ，相同的变形程度下 ，在 500 ~ 750 ℃ 的温度变化范围内 ，随着应变速率的提高材料的应力会出现较为明显跳跃式变化。
2. 3 热物性能计算
材料热物性能参数是金属塑性变形过程热力耦合分析的重要材料参数 ，主要包括热膨胀系数 、热导率 、比热容等。JMatPro 可直接模拟获得这些热物性能参数 ，无需物理试验测试中对数据进行二次处理计算。20MoCr4 钢塑性变形热力耦合分析所需的主要材料热物性能参数数据如图 3 所示。
图3 不同成形温度下的 20MoCr4 物性能参数
2. 4 20MoCr4 钢温成形温度区间计算
CCT 温成形温度决定着成形工艺能否顺利进行达 到预期效果 ，一般应根据其塑性和组织性能随温度变化的特征确定。确定温成形温度区间的一般 原则有：具备良好塑性 ，变形抗力显著下降 ；避免材料剧烈氧化 ；避免蓝脆区 、红脆区等脆性温度区间。具备良好塑性 、变形抗力显著下降是确定温成形温度区间的首要准则 。图 4 中描述了0.1 ~ 1 .0应变范围 、ε间隔为 0. 1 下的不同变形程度时应力随成形温度的变化 ，其结果表明不同变形程度下变化趋势基本一致 。
图4 20MoCr4钢真实应力随成形温度的变化
由图4可知，20MoCr4 钢的变形温度在 25 ~ 500 ℃温度区 间内 ，随温度增加应力逐渐减小，但变化幅值较小 ；而在 550 ~ 800 ℃温度区间内 ， 随温度增加应力迅速减小 ；在 800 ~ 850 ℃温度区间内 ， 随温度增加 ，应力反而均有所增加 ；但在随后的 850 ~ 1 200 ℃时 ，应力再次呈现下降趋势。
一般金属材料随温度增加 ，塑性提高 ，变形抗力下降 ，但也会存在塑性变差 、变形抗力增加的脆性区 ，不宜进行塑性成形。如碳钢在 500 ℃ 附近和 800 ℃附近分别出现引起材料塑性变差的 蓝脆区和红脆区。此外 ，一般钢材在 800 ℃ 以上时会出现剧烈的氧化现象。确定 20MoCr4 钢的温成形温度区间时应避开这些温度区间。根据上述分析和应力随温度变化特征 ，考虑加热温度误差 ，580 ~ 780 ℃温度区间是 20MoCr4 钢较合适的温成形温度区间。
3、滚轧工艺模拟
采用 20MoCr4 钢的内齿圈是重卡传统系统重要零件。内齿形的滚轧成形工艺为此类零件的 高效省力成形提供可行途径。然而 20MoCr4 钢室温下变形抗力高 ，大齿高材料流动 困难 ，滚轧过程宜加热坯料 。本文采用温成形 ，工件初始温度选为 700 ℃ 。在前期内齿形的滚轧成形过程与挤压成形过程有限元模型的基础上 ，通过替换材料模型 、几何模型 ，考虑热传导 、热辐射等热事件 可建立采用中温成形温度的内齿圈滚轧成 形过程有限元模型。将 JMatPro 生成的 20MoCr4 钢的 材料数据以 DEFORM 软件接受的格式 . dat 形式 导出 ，并导入 DEFORM 数据库。滚轧前后工件温度场如图5 所示 。
图5 工件滚轧前后温度场
从图 5 的工件在滚轧成形过程中温度的变 化 ，可以得知滚轧过程中工件温度逐渐降低， 轴向两端面区域温度低于中间区域 。当滚轧结束时滚轧工件主要变形区域的温度降至 660 ℃ 左右 ， 内齿圈的轴向边缘区域的温度降至 630 ℃ 左右。主要变形区在整个滚轧过程中的温降幅度为 40 ~70 ℃ , 工件从初始到成形结束 ，整体的热量损失带来的温度降低范围在合理的区间之内。
4、结语
1) 基于金属材料相图计算和性能模拟软件JMatPro 模拟获得了 20MoCr4 钢在 25 ~ 1 200 ℃之间的力学性能参数和热物性参数。随着成形温度升高 ，变形抗力显著降低 ，在500 ~ 750 ℃的温度变化范围内应力会出现较为明显跳 跃式变化。对于热导率和比热容 ，在 700 ~ 850 ℃ 之间存在较为明显跳跃式变化。
2) 在相同变形程度下 ，在 550 ~ 800 ℃温度 区间内 ，20MoCr4 钢应力随温度增加迅速减小。综合考虑避免较低加热温度蓝脆区和较高加热温 度的剧烈氧化 ，并考虑加热温度误差 ， 可确定 20MoCr4 钢较合适的温成形温度区间为 580 ~780 ℃ 。
3) 将金属材料相图计算和性能模拟软件JMatPro模拟力学性能参数和热物性能参数和 DEFORM 有限元分析软件相结合，实现 20MoCr4 钢温成过程热力耦合有限元分析，并用于内齿圈温轧成形过程分析 ，结果表明齿圈轴向端面区域温度热量损失大于中间区域。
参考文献：李良晨,张大伟,李绪成,等.基于数值模拟的20MoCr4钢温成形特征研究[J].重型机械,2024,(04):37-42.
关于JMatPro软件
JMatPro软件一套功能强大的金属材料相图计算与材料性能模拟软件，尤其适用于实际工业的多组分合金。使用JMatPro可以设计合金成分、开发新合金和改进各种热处理工艺等，也可用于与各种CAE软件（DEFORM、FORGE、ProCAST、Magma、Sysweld、Thercast等）一起进行工艺流程设计与仿真。
JMatPro软件主要功能包括：（1）平衡相图计算；（2）凝固及材料性能计算；（3）材料热物性能计算；（4）机械性能计算；（5）相转变动力学计算；（6）材料优化设计；（7）API功能；（8）MPO功能。
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