一种确定材料发生动态再结晶临界条件的方法
阅读说明：本技术 一种确定材料发生动态再结晶临界条件的方法 (Method for determining critical condition of dynamic recrystallization of material ) 是由 赵宝纯 黄磊 王英海 马惠霞 胡筱旋 王婷 于 2021-08-19 设计创作，主要内容包括：本发明涉及一种确定材料发生动态再结晶临界条件的方法,包括：1)对实验材料进行单道次压缩实验,得到变形过程中的应力应变曲线；2)将应力σ和应变ε数据取绝对值,然后在σ-lgε半对数坐标系或在lgσ-lgε双对数坐标系内重新绘制应力应变曲线；3)标定线性段部分区间,在其中选择不同的子区间进行多次线性回归；选择回归系数R≥0.99的子区间获得的线性回归方程；4)在直角坐标系下绘制ξ-(2)-ε曲线；5)确定材料发生动态再结晶的临界应变值。本发明能够快速、准确地确定材料在压缩变形时发生动态再结晶的临界条件,为掌握钢铁材料在热加工过程的工艺参数,优化热加工工艺提供基础。(The invention relates to a method for determining critical conditions for dynamic recrystallization of a material, which comprises the following steps: 1) performing a single-pass compression experiment on the experimental material to obtain a stress-strain curve in the deformation process; 2) taking absolute values of the stress sigma and the strain epsilon data, and then redrawing a stress-strain curve in a sigma-lg epsilon semilogarithmic coordinate system or an lg sigma-lg epsilon semilogarithmic coordinate system; 3) calibrating partial regions of the linear section, and selecting different subintervals to perform multiple linear regression; selecting a linear regression equation obtained in a subinterval with the regression coefficient R being more than or equal to 0.99; 4) xi is drawn under a rectangular coordinate system 2 -an epsilon curve; 5) and determining the critical strain value of the material for dynamic recrystallization. The invention can quickly and accurately determine the critical condition of dynamic recrystallization of the material during compression deformation, and provides a basis for mastering the technological parameters of the steel material in the hot working process and optimizing the hot working process.)
技术领域
本发明涉及金属材料热加工技术领域，尤其涉及一种确定材料发生动态再结晶临界条件的方法。
背景技术
金属材料在高温塑性变形时，一方面会随变形量的增加产生加工硬化，使材料内部产生大量的位错；另一方面同时会产生动态回复和动态再结晶的软化过程以抵消此加工硬化。动态再结晶对随后的相变行为和最终产品的力学性能影响很大，目前关于研究金属和合金在热变形过程动态再结晶的数学模型工作之一是确定发生动态再结晶的临界条件。
最初，一些学者把材料真应力-应变曲线中的峰值应力所对应的应变作为动态再结晶临界应变，之后研究发现金属在达到峰值应力之前就已经发生再结晶。因此，以应力峰值对应的应变为发生动态再结晶的临界应变是不合适的。另一种直接的方法是通过观察不同应变量下的金相显微组织来确定动态再结晶临界应变，这种方法操作难度大，且所确定的临界应变与实际临界应变存在一定偏差。
专利号为ZL201811110795.6的中国发明专利公开了一种“预测微合金钢热轧时发生动态再结晶临界压下量的方法”，其是基于金相组织观察，通过对圆柱形试样在变形温度850～1250℃区间进行高温压缩实验，在实验获取的流变应力曲线上读取不同温度下的峰值应变，并计算出不同温度下发生动态再结晶临界应变的范围，两者结合起来确定发生动态再结晶的临界应变，然后通过线性拟合得到峰值应力对应的应变与临界应变的关系式。这种方法中选用的临界应变范围是一个较宽的数据区间，并且该区间也不能涵盖所有材料的流变行为特征，金相组织观察操作难度大，线性拟合也存在一定偏差，因此，该方法难于给出准确的临界应变。
Ryan、McQueen和Kocks等根据动态回复和动态再结晶、应变硬化行为的差别，将θ－σ曲线上θ和σ开始偏离线性关系处的应力定义为临界应力，并从而确定临界应变。然而，当真应力小于临界应力时，θ和σ之间的线性关系并不是必然的，这就难于确定出拐点的位置，即临界应力。且获取θ－σ曲线，需要对实验数据进行拟合，微分以及曲线转化等操作。
综上，为了快速、准确地确定出发生动态再结晶的临界条件，还需寻找一种新的确定方法。
发明内容
本发明提供了一种确定材料发生动态再结晶临界条件的方法，能够快速、准确地确定材料在压缩变形时发生动态再结晶的临界条件，为掌握钢铁材料在热加工过程的工艺参数，优化热加工工艺提供基础。
为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案实现：
一种确定材料发生动态再结晶临界条件的方法，包括如下步骤：
1)通过热力模拟实验对实验材料进行单道次压缩实验，得到实验材料变形过程中的应力应变曲线；对得到的应力应变曲线进行平滑处理，去除噪声对实验曲线的影响；
2)将与步骤1)中所述应力应变曲线相对应的应力σ和应变ε数据取绝对值，即应力σ和应变ε均为正值；然后在σ-lgε半对数坐标系或在lgσ-lgε双对数坐标系内重新绘制应力应变曲线；
3)根据步骤2)重新绘制的应力应变曲线的形状特征，标定线性段部分区间，在其中选择不同的子区间进行多次线性回归；选择回归系数R≥0.99的子区间获得的线性回归方程，回归方程用如下公式表示：
σ1＝A+Blgε (1)
lgσ2＝A1+B1lgε (2)
式中，σ1为应力值；lgσ2为应力值对数；A、B、A1、B1为回归系数；
若子区间在σ-lgε半对数坐标系下选取，则选用公式(1)，若子区间在lgσ-lgε双对数坐标系下选取，则选用公式(2)；
4)以步骤2)中所述应变ε为自变量，采用步骤3)所述公式(1)或公式(2)计算应力值σ1或应力值对数lgσ2，将所计算的应力值或应力值对数与步骤2)所述应力σ或lgσ进行比较，得到如下公式：
ξ1＝σ1-σ (3)
ξ2＝lgσ2-lgσ (4)
式中，ξ1为在σ-lgε半对数坐标系下的特征应力差，ξ2为在lgσ-lgε双对数坐标系下由于特征应力差异导致的增量；
若子区间在σ-lgε半对数坐标系下选取，则选用公式(3)计算出ξ1，并在直角坐标系下绘制ξ1-ε曲线；若子区间在lgσ-lgε双对数坐标系下选取，则选用公式(4)计算出ξ2，并在直角坐标系下绘制ξ2-ε曲线；
5)对步骤4)中获得的ξ1-ε曲线或ξ2-ε曲线进行分析，可知该曲线在选定的应变子区间内值为零；当应变超出所选应变子区间时，随着应变增大到某一个数值，计算值将大于实验值，该数值即为材料发生动态再结晶的临界应变值。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
基于材料在变形过程中经历的加工硬化和回复软化以及动态再结晶软化等过程，通过对数坐标系凸显出发生动态再结晶对应力值的减小作用，通过曲线拟合找出与应力相关的特征计算值与实际值的差异，进而快速、准确地确定出发生动态再结晶的临界条件，为研究材料的动态再结晶过程奠定基础。
附图说明
图1是实施例1中直角坐标系下实验钢在1000℃变形过程中的应力应变曲线。
图2是实施例1中σ-lgε半对数坐标系下实验钢在1000℃变形过程中的应力应变曲线。
图3是实施例1中实验钢在1000℃变形应力应变曲线计算值与实验值对比图。
图3中，1为应力应变曲线计算值，2为应力应变曲线实验值。
图4是实施例1中实验钢在1000℃变形发生动态再结晶临界应变的确定示意图。
图4中，1为临界点，2为应力增量，3是应力增量为零的直线。
图5是实施例2中直角坐标系下实验钢在950℃变形过程中的应力应变曲线。
图6是实施例2中lgσ-lgε双对数坐标系下实验钢在950℃变形过程中的应力应变曲线。
图7是实施例2中实验钢在950℃变形应力应变曲线计算值与实验值对比图。
图7中，1为应力应变曲线计算值，2为应力应变曲线实验值。
图8是实施例2中实验钢在950℃变形发生动态再结晶临界应变的确定示意图。
图8中，1为临界点，2为应力增量，3是应力增量为零的直线。
具体实施方式
本发明所述一种确定材料发生动态再结晶临界条件的方法，包括如下步骤：
1)通过热力模拟实验对实验材料进行单道次压缩实验，得到实验材料变形过程中的应力应变曲线；对得到的应力应变曲线进行平滑处理，去除噪声对实验曲线的影响；
2)将与步骤1)中所述应力应变曲线相对应的应力σ和应变ε数据取绝对值，即应力σ和应变ε均为正值；然后在σ-lgε半对数坐标系或在lgσ-lgε双对数坐标系内重新绘制应力应变曲线；
3)根据步骤2)重新绘制的应力应变曲线的形状特征，标定线性段部分区间，在其中选择不同的子区间进行多次线性回归；选择回归系数R≥0.99的子区间获得的线性回归方程，回归方程用如下公式表示：
σ1＝A+Blgε (1)
loσ2＝A1+B1lgε (2)
式中，σ1为应力值；loσ2为应力值对数；A、B、A1、B1为回归系数；
若子区间在σ-lgε半对数坐标系下选取，则选用公式(1)，若子区间在lgσ-lgε双对数坐标系下选取，则选用公式(2)；
4)以步骤2)中所述应变ε为自变量，采用步骤3)所述公式(1)或公式(2)计算应力值σ1或应力值对数lgσ2，将所计算的应力值或应力值对数与步骤2)所述应力σ或lgσ进行比较，得到如下公式：
ξ1＝σ1-σ (3)
ξ2＝lgσ2-lgσ (4)
式中，ξ1为在σ-lgε半对数坐标系下的特征应力差，ξ2为在lgσ-lgε双对数坐标系下由于特征应力差异导致的增量；
若子区间在σ-lgε半对数坐标系下选取，则选用公式(3)计算出ξ1，并在直角坐标系下绘制ξ1-ε曲线；若子区间在lgσ-lgε双对数坐标系下选取，则选用公式(4)计算出ξ2，并在直角坐标系下绘制ξ2-ε曲线；
5)对步骤4)中获得的ξ1-ε曲线或ξ2-ε曲线进行分析，可知该曲线在选定的应变子区间内值为零；当应变超出所选应变子区间时，随着应变增大到某一个数值，计算值将大于实验值，该数值即为材料发生动态再结晶的临界应变值。
本发明中，对步骤4)中获得的ξ1-ε曲线或ξ2-ε曲线进行分析，可知该曲线在选定的应变子区间内值为零，因为在该区间内，由公式(3)或公式(4)所得计算值与实验值具有高度一致性，因此两者之差为零。当应变超出所选应变子区间时，随着应变增大到某一个数值时，计算值将大于实验值。这是由于材料在变形过程中要经历加工硬化和回复软化以及动态再结晶软化等过程，而在初始阶段发生的是加工硬化和回复软化过程，应力随着应变的增大而迅速增大，但增幅逐渐减小，当发生动态再结晶时应力随着应变的变化规律势必要改变，这就会破坏原来的变化规律，而发生突变，这一突变对应于上述计算值与实验值开始出现偏差时的应变值，由此可以确定发生动态再结晶的临界应变。
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步说明：
以下实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
【实施例1】
本实施例中，确定材料发生动态再结晶临界条件的过程如下：
1.试样材料选用一种含有镍铬钼合金元素的合金钢，试样尺寸为通过热力模拟试验机对试样进行单道次压缩实验，将试样加热至1200℃，并在该温度下保温3分钟，然后降温至变形温度1000℃，在该温度下以应变速率0.1s-1进行压缩变形，得到试样变形过程中的应力应变曲线，并对该曲线进行平滑处理，去除实验时噪声对曲线的影响,如图1所示；
2.将与步骤1所述应力应变曲线相对应的应力σ和应变ε数据取绝对值，即将相应数值改为正值，然后在σ-lgε半对数坐标系内重新绘制应力应变曲线，如图2所示；
3.在图2中标定线性段部分区间，选择子区间(0.056，0.180)进行线性回归，得到的回归系数R＝0.9996，回归方程为：
σ1＝147.228+52.544lgε (5)
4.以步骤2所述应变为自变量，采用公式(5)计算应力值σ1，将所计算的应力值与实验值相比较，并将实验值与计算值对应的曲线绘制于同一坐标系中，如图3所示；
5.将图3中曲线的纵坐标应力值做差，获得ξ1-ε曲线，可知该曲线在选定的应变子区间内值为零，在坐标系内做ξ1＝0直线，则在选定的应变子区间内，直线ξ1＝0与曲线ξ1-ε重合，进一步增大应变，两曲线开始发生偏离，开始偏离点即确定为试样发生动态再结晶的临界点，此时的应变确定为试样发生动态再结晶的临界应变，如图4所示。
【实施例2】
本实施例中，确定材料发生动态再结晶临界条件的过程如下：
1.试样材料选用一种低碳微合金钢，试样尺寸为通过热力模拟试验机对试样进行单道次压缩实验，将试样加热至1200℃，并在该温度下保温3分钟，然后降温至变形温度950℃，在该温度下以应变速率0.1s-1进行压缩变形，得到试样变形过程中的应力应变曲线，并对曲线进行平滑处理，去除实验时噪声对曲线的影响,如图5所示；
2.将与步骤1所述应力应变曲线相对应的应力σ和应变ε数据取绝对值，即将相应数值改为正值，然后在lgσ-lgε双对数坐标系内重新绘制应力应变曲线，如图6所示；
3.在图6中标定线性段部分区间，选择子区间(0.030，0.110)进行线性回归，得到的回归系数R＝0.9993，回归方程为：
lgσ2＝2.12244+0.1252lgε (6)
4.以步骤2所述应变为自变量，采用公式(6)计算应力值σ2，将所计算的应力值与实验值相比较，并将实验值与计算值对应的曲线绘制于同一坐标系中，如图7所示；
5.将图7中曲线的纵坐标应力值做差，获得ξ2-ε曲线，可知该曲线在选定的应变子区间内值为零，在坐标系内做ξ2＝0直线，则在选定的应变子区间内，直线ξ2＝0与曲线ξ2-ε重合，进一步增大应变，两曲线开始发生偏离，开始偏离点即确定为发生动态再结晶的临界点，此时的应变确定为发生动态再结晶的临界应变，如图8所示。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
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