42CrMo鋼直拉桿臂成形工藝與微觀組織演變研究

李偉，陳文琳，陳國強，何慶偉

材料微觀組織結構直接影響著產品外在特性，根據霍爾-佩奇理論，材料平均晶粒尺寸越小，其強度硬度越高。熱鍛成形過程不僅使材料發生了塑性變形，同時，也通過奧氏體動態再結晶與晶粒長大使鍛件奧氏體晶粒度發生變化。汽車直拉桿臂是汽車轉向系統重要零件，作為汽車保安件，對其微觀組織和力學性能等有著較高的要求。

奧氏體晶粒度作為衡量鍛件質量的重要指標，越來越受到研究人員的重視。對連桿輥鍛制坯過程中不同道次輥鍛微觀組織的演變規律進行研究，采用有限元軟件成功預測了各工步變形過程中晶粒大小及變化趨勢。楔橫軋不同變形階段的微觀組織演變研究，揭示了鍛件在楔橫軋成形過程中各個變形階段（楔入段、展寬段和精整段）的微觀組織演變規律，分析出了軋件平均晶粒尺寸在不同變形階段變化的具體原因。

本文對42Cr Mo鋼汽車直拉桿臂成形工藝與成形過程中奧氏體晶粒尺寸演變進行了模擬與試驗研究，數值模擬結果與物理試驗結果吻合良好，最終得到了符合要求的鍛件，對于鍛件晶粒度的預報具有一定的指導作用。

1. 汽車直拉桿臂成形工藝

汽車直拉桿臂如圖1所示，該鍛件為帶彎曲的長軸類件，為典型的兩頭一桿形件，沿鍛件軸向各部分截面尺寸變化較大，材料沿軸向分布不均，如何使金屬材料合理分布是該鍛件成形的難點。根據該鍛件結構分布特征，應采用輥鍛制坯—彎曲—終鍛的成形工藝。

經理論計算，該鍛件應采用φ60mm棒料經過四道次輥鍛制坯才能得到所需毛坯。其成形工藝流程如圖2所示。

圖1 直拉桿臂鍛件

2. 直拉桿臂熱鍛成形有限元模型

結合實際生產過程設置相關邊界條件，模具材料為5Cr Ni Mo，模具溫度200℃，坯料始鍛溫度1150℃，坯料與模具熱交換系數為11N/(s·mm·℃)。采用微觀組織演化模型，其中，本課題組對42Cr Mo鋼加熱過程中奧氏體晶粒長大進行了研究，并擬合得到各項參數，建立了奧氏體晶粒長大模型。材料初始奧氏體晶粒尺寸為1 37μm，建立如圖3所示有限元模型。

3. 數值模擬結果分析

（ 1 ） 輥 鍛 制 坯 數 值 模擬 直拉桿臂桿部金屬坯料分布較少，在輥鍛制坯中，主要是完成對桿部金屬的重新分配，將桿部金屬拔長。整個輥鍛制坯過程塑性變形主要集中在桿部，輥鍛制坯后，桿部坯料明顯減少，毛坯在軸向方向被拔長，達到了坯料分配的目的。

圖4為經過四道次輥鍛后奧氏體晶粒尺寸分布圖與等效應變分布圖。從圖4中可以看出，金屬坯料已經完成再分配，得到了模鍛所需毛坯。坯料兩頭部P2、P3處晶粒尺寸為137μm，仍保留了原始奧氏體晶粒尺寸，沒有發生動態再結晶與奧氏體晶粒長大現象。這是由于P2、P3處在輥鍛時沒有在型腔的作用下發生塑性變形，動態再結晶的發生需要足夠的應變提供激活能。

從圖4 b可見，P2、P 3處應變為0，因此P2、P3區域不能為動態再結晶發生提供足夠的能量。奧氏體晶粒的長大需要足夠的加熱溫度與保溫時間，四道次輥鍛變形所需時間為8s，時間較短，奧氏體晶粒沒有足夠激活能長大，因此未發生動態再結晶，P2、P3處奧氏體晶粒尺寸在四道次輥鍛中未發生變化。

坯料桿部P 1處奧氏體晶粒尺寸為85μm，較初始奧氏體晶粒尺寸明顯減小，細化率達到38%。這是由于在輥鍛變形過程中，桿部一直處于大的塑性變形區域，從圖4 b中也可以看出，塑性應變為1.4，此處的劇烈變形導致該區域產生大量位錯攀移和滑移，隨著塑性變形的加劇，位錯密度繼續增加并產生位錯纏結，位錯纏結導致晶粒內部產生亞晶粒，在較高的位錯能作用下，亞晶粒逐漸長大，形成新的晶粒，完成動態再結晶，從而細化晶粒。

圖2 直拉桿臂成形工藝流程

圖3 直拉桿臂成形有限元模型

（2）彎曲及終鍛過程數值模擬 由于鍛件形狀特征，需要對輥鍛件進行彎曲，使坯料符合終鍛型腔在分模面上的形狀要求。經彎曲后，坯料等效應變如圖5所示。從圖中可以明顯看出，彎曲變形時，僅有局部區域發生塑性變形，其余區域發生轉動、滑動，不產生塑性變形。分別在塑性變形區外表面及內部選取四個跟蹤點，分析彎曲變形過程中微觀組織的變化情況。

彎曲過程中各跟蹤點處平均晶粒尺寸的變化曲線如圖6所示，彎曲過程中各點處的平均晶粒尺寸均減小。點1~9的平均晶粒尺寸細化程度分別為：6.1%、2.5%、5.5%、2.4%、1.1%、1.3%、1.4%、1.4%、0.9%，表明彎曲對晶粒細化作用影響較小。由于變形主要集中在P1、P3，更容易發生動態再結晶，所以晶粒細化程度較高，其他區域變形較小，難以發生動態再結晶，晶粒細化程度較低。

直拉桿臂終鍛成形后奧氏體晶粒分布如圖7所示，從圖中可以看出，鍛件飛邊分布均勻，無折疊、充不滿等缺陷，驗證了成形工藝方案的正確性。鍛件桿部奧氏體晶粒細化明顯，根據霍爾—佩奇理論，桿部細晶區的力學性能較好，因此鍛件桿部可以設計較小截面，這與該鍛件桿部截面小于兩頭部也是相對應的。從圖中還可以看出，飛邊區域奧氏體晶粒尺寸明顯大于鍛件本體，在終鍛成形時，金屬坯料在終鍛模具作用下發生塑性變形，當應變達到臨界值時，材料就開始發生奧氏體動態再結晶，晶粒得到細化，但由于飛邊區域塑性變形過于劇烈，變形時產生大量的熱量來不及散失，導致此處溫度較高，造成已經動態再結晶細化了的奧氏體晶粒發生二次長大，使得晶粒粗化。

圖4 輥鍛成形奧氏體晶粒尺寸與等效應變分布

圖 5

圖6 彎曲過程中各跟蹤點平均晶粒尺寸變化

圖7 終鍛件奧氏體晶粒分布

4. 直拉桿臂成形試驗結果與分析

為進一步驗證上述工藝設計，需對成形工藝方案及微觀組織演變進行物理試驗，為盡量保證物理試驗與數值模擬的一致性，將所建立輥鍛模具幾何模型導入加工中心中，按照確定設計方案加工模具，采用42Cr Mo鋼棒料對直拉桿臂成形過程進行調試。

各工步成形結果如圖8 所示。從圖中可以看出，物理試驗結果與數值模擬結果基本一致，進一步驗證了成形工藝方案的正確性，同時也驗證了模擬結果的可靠性。

在有限元數值模擬中，微觀組織的模擬與其宏觀的成形工藝模擬不盡相同，因此也需要對微觀組織的預報進行物理驗證。鍛件經過切邊、校正后立刻將工件放入水中冷卻以保留其奧氏體晶界，在與圖4相對應P1、P2、P3處截取金相試樣，磨拋后采用飽和苦味酸、十二烷基苯磺酸鈉溶液腐蝕，各區域金相組織如圖9所示，按照ASTM晶粒度測量標準，通過金相定量法對各試樣金相組織進行晶粒度測量，P1、P2、P3三處奧氏體晶粒尺寸分別為97μm、137μm、137μm，P 1處奧氏體晶粒得到了明顯細化，P2、P3處奧氏體晶粒尺寸未發生變化，與有限元預報結果非常相近，最大誤差5.3%，驗證了有限元數值模擬結果的正確性，可見，采用有限元數值模擬技術能夠比較準確地對連續局部塑性變形奧氏體晶粒尺寸演化進行預報。

5. 結語

采用有限元數值模擬與物理試驗相結合的方法，驗證了直拉 桿臂成形工藝與有限元模型的正確性，通過四道次輥鍛制坯—彎曲—終鍛得到了符合要求的直拉桿臂鍛件，并成功對直拉桿臂成形過程中奧氏體晶粒尺寸的變化進行預報。

圖8 直拉桿臂成形物理試驗結果

圖9 輥鍛件橫截面金相組織

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