不同接觸摩擦系數(shù)下熱壓縮形變不均勻性的有限元模擬研究

孔曉麗，王 歡，侯淑芳

(南通航運職業(yè)技術(shù)學(xué)院 輪機(jī)工程系，江蘇 南通 226010)

不同接觸摩擦系數(shù)下熱壓縮形變不均勻性的有限元模擬研究

孔曉麗，王 歡，侯淑芳

(南通航運職業(yè)技術(shù)學(xué)院 輪機(jī)工程系，江蘇 南通 226010)

利用DEFORM-3D對一種油井管用鋼在試樣兩端接觸摩擦系數(shù)為0.1、0.2、0.3、0.4、0.5條件下1000℃以0.1s-1進(jìn)行50%熱壓縮變形過程進(jìn)行了有限元模擬，并對試樣1/2、1/4 YZ剖面Y、Z方向應(yīng)變場分布進(jìn)行分析。結(jié)果表明，隨接觸摩擦系數(shù)的增大，鼓肚現(xiàn)象增強(qiáng)，形變不均勻性增大；不同剖面及方向條件下形變不均勻性差異顯著，1/2 YZ剖面Z方向形變不均勻性最大，1/4 YZ剖面Y方向形變不均勻性最小。

熱壓縮；形變不均勻性；有限元

材料現(xiàn)代物理模擬技術(shù)采用小試樣，利用熱/力模擬實驗裝置，可較精確、迅速地研究材料在接近實際情況下的組織和性能的變化規(guī)律。由于其在評定熱加工工藝的合理性、研究新材料、發(fā)展新工藝方面具有獨特的優(yōu)越性，因而越來越受到材料工程學(xué)界的廣泛重視。壓力加工作為物理模擬技術(shù)在熱加工工藝研究中最活躍的領(lǐng)域之一，其目的在于通過金屬在不同溫度及形變條件下熱壓縮變形獲得的不同的組織和性能進(jìn)而確定最優(yōu)的熱加工工藝[1]。但在實際情況中，由于端面存在很大摩擦力，變形完成后會造成上下端面小而中間凸的腰鼓形，即發(fā)生不均勻形變。形變的不均勻?qū)⒚黠@影響材料的析出動力學(xué)及形變再結(jié)晶過程，從而導(dǎo)致相應(yīng)區(qū)域組織特性及性能的不同[2-4]。因此深入研究熱壓縮不同剖面形變不均勻性及其影響因素，將過去熱壓縮形變不均勻性的定性分析轉(zhuǎn)化為定量分析，對指導(dǎo)物理模擬實踐具有重要意義。本文通過不同接觸摩擦系數(shù)條件下對熱壓縮試樣不同剖面應(yīng)變場分布的有限元分析確定與理論形變量相對應(yīng)的位置，從而為材料物理模擬取樣提供理論依據(jù)。

1 試驗材料及方法

1.1 試驗材料與物理模擬

試驗材料采用20kg真空感應(yīng)爐冶煉油井管用鋼，其主要化學(xué)成分(wt, %)主要為：C 0.2，Mn 1.1， Si 0.18， Cr 0.3， Al 0.05，其余為Fe。澆鑄鋼錠經(jīng)軋制后加工熱模擬試驗用試樣，其尺寸為Ф6 mm×10 mm。試驗在Gleeble-3500熱/力模擬實驗機(jī)上進(jìn)行。試樣以10℃/s的速度加熱到1000℃保溫10 min，然后以0.1s-1進(jìn)行50%變形，變形完成后淬火冷卻。變形過程中為保證試樣處于單向變形狀態(tài)，在試樣上下端面用高溫潤滑劑粘上鉭片，以減小接觸面間的摩擦，并防止壓頭與試樣粘在一起。試驗過程中采集變形抗力曲線，并將其作為材料力學(xué)性能數(shù)據(jù)導(dǎo)入有限元分析軟件。

1.2 有限元模型的建立

DEFORM-3D作為一套基于工藝模擬系統(tǒng)的有限元系統(tǒng)，專門設(shè)計用于分析各種金屬成型過程的三維(3D)流動，提供極有價值的分析數(shù)據(jù)，及有關(guān)成型過程中的材料和溫度流動。采用DEFORM-3D對熱壓縮過程建立3D模型如圖1所示，試樣尺寸為Ф6mm×10mm與物理模擬試樣尺寸相同，網(wǎng)格劃分20 000個。試驗材料選用AISI-1035[1300-2000F(700-1100℃)]，流變應(yīng)力曲線采用實測變形抗力曲線數(shù)據(jù)。試驗過程中假設(shè)：試樣整體均溫1000℃，試樣兩端壓頭為剛性。試驗過程中壓頭一端固定，另一端以恒定速率沿Z向移動以對試樣進(jìn)行0.1s-1應(yīng)變速率50%形變(真應(yīng)變0.6931)。試驗過程中，試樣兩端接觸摩擦系數(shù)分別為0.1、0.2、0.3、0.4、0.5。試驗完成后對試樣1/2、1/4 YZ剖面Y、Z方向應(yīng)變場分布進(jìn)行分析，如圖2所示。

圖1 熱壓縮有限元模型

(a) 1/2 YZ剖面Y方向；(b) 1/2 YZ剖面Z方向；(c) 1/4 YZ剖面Y方向；(d) 1/4 YZ剖面Z方向

2 試驗結(jié)果及分析

2.1 試樣形態(tài)

如圖3所示為經(jīng)DEFORM-3D有限元模擬，在接觸摩擦系數(shù)分別為0.1、0.2、0.3、0.4、0.5條件下以0.1s-1應(yīng)變速率50%熱壓縮形變后試樣的最終形態(tài)。分析可知接觸摩擦系數(shù)0.1條件下，熱壓縮形變基本均勻，無明顯的鼓肚現(xiàn)象；隨接觸摩擦系數(shù)的增大形變不均勻增大，鼓肚現(xiàn)象明顯增強(qiáng)。接觸摩擦系數(shù)0.1條件下試樣XY截面最大直徑為8.56 mm，接觸摩擦系數(shù)0.5條件下試樣XY截面最大直徑為8.76 mm。因此要盡可能減小試樣兩端的接觸摩擦系數(shù)，可在試樣兩端面涂高溫潤滑劑以減小摩擦。

(a) 接觸摩擦系數(shù)0.1；(b) 接觸摩擦系數(shù)0.2；(c) 接觸摩擦系數(shù)0.3；(d) 接觸摩擦系數(shù)0.4；(e) 接觸摩擦系數(shù)0.5

2.2 應(yīng)變場分布

如圖4所示為試樣1/2、1/4 YZ剖面Y、Z方向應(yīng)變分布圖，其中以剖面心部為原點向一側(cè)進(jìn)行分析，點與點之間距離為0.5 mm。分析可知：無論剖面及方向，應(yīng)變由心部向邊緣減小，心部應(yīng)變最大邊緣應(yīng)變最小，1/4位置處應(yīng)變最接近理想應(yīng)變0.6913；相同剖面及方向條件下，隨接觸摩擦系數(shù)的增大形變不均勻增大。如圖4(a)所示接觸摩擦系數(shù)為0.1條件下，心部和邊緣應(yīng)變分別為-0.902和 -0.63，接觸摩擦系數(shù)為0.5條件下心部和邊緣應(yīng)變分別為-1.21和-0.575；不同剖面和方向?qū)π巫兙鶆蛐杂绊戯@著，接觸摩擦系數(shù)為0.5條件下，1/2 YZ剖面Z方向應(yīng)變分布中心部和邊緣應(yīng)變分別為-1.15和-0.141，應(yīng)變差異明顯，1/4 YZ剖面Y方向應(yīng)變分布中心部和邊緣應(yīng)變分別為-0.937和-0.566，應(yīng)變差異較小。

(a) 1/2 YZ剖面Y方向；(b) 1/2 YZ剖面Z方向；(c) 1/4 YZ剖面Y方向；(d) 1/4 YZ剖面Z方向

若定義形變不均勻系數(shù)為：(最大應(yīng)變-最小應(yīng)變)/理論應(yīng)變(0.6931)，可得不同剖面及方向條件下形變不均勻系數(shù)圖(見圖5)。分析可知：1/2 YZ剖面Z方向形變不均勻系數(shù)>1/2 YZ剖面Y方向形變不均勻系數(shù)>1/4 YZ剖面Z方向形變不均勻系數(shù)>1/4 YZ剖面Y方向形變不均勻系數(shù)。

圖5 不同剖面及方向條件下形變不均勻系數(shù)圖

1/2 YZ剖面Z方向形變不均勻性最大，1/4 YZ剖面Y方向形變不均勻性最小，與上述結(jié)論相同。因此在同等條件下，推薦沿1/4 YZ剖面取樣并沿Y向觀察，該方法試樣形變均勻性較好。

3 結(jié) 語

(1)隨接觸摩擦系數(shù)的增大，鼓肚現(xiàn)象增強(qiáng)，形變不均勻性增大。

(2)不同剖面及方向條件下形變不均勻性差異顯著：1/2 YZ剖面Z方向形變不均勻系數(shù)>1/2 YZ剖面Y方向形變不均勻系數(shù)>1/4 YZ剖面Z方向形變不均勻系數(shù)>1/4 YZ剖面Y方向形變不均勻系數(shù)。

(3)推薦沿1/4 YZ剖面取樣并沿Y向觀察，該方法試樣形變均勻性較好。

[1]牛濟(jì)泰.材料和熱加工領(lǐng)域的物理模擬技術(shù)[M].北京:國防工業(yè)出版社,2007.

[2]呂知清,趙軍,王振華,等.熱壓縮變形不均勻性的有限元模擬與實驗研究[J].鋼鐵,2007,42(12):53-56.

[3]魏潔,李權(quán),唐廣波,等.碳錳鋼壓縮過程中非均勻應(yīng)變與再結(jié)晶之間關(guān)系的研究[J].鋼鐵,2006,41(7): 74-78.

[4]Du F S,Wang M T,Li X T.Research on Deformation and Microstructure Evolution during Forging of Large-Scale Parts Source[J].Journal of Materials Processing Technology,2007,(187):591-594.

Analysis of Deformation Non-Uniformity at Different Contact Friction Factors during Hot Compression by FEM

KONG Xiao-li，WANG Huan，HOU Shu-fang

(Dept. of Marine Engineering, Nantong Shipping College, Nantong 226010, China)

With the help of DEFORM-3D, the hot compression of an oil casing steel at the contact friction factors of 0.1、0.2、0.3、0.4、0.5 was simulated with finite element method. The hot compression was carried out on 1000℃ at a strain rate of 0.1s-1. The strain distribution of samples at 1/2 and 1/4 YZ section and Y and Z direction was analyzed. The result shows that with the contact friction factor increased, the bulging and deformation non-uniformity are increased; the differences of non-uniformity among different section and direction are remarkable, and the non-uniformity of 1/2 YZ section and Z direction is the maximum while that of 1/4 YZ section and Y direction is the minimum.

hot compression; deformation non-uniformity; FEM

2013-09-10

孔曉麗(1982-)，女，河北石家莊人，講師，碩士，E-mail：kxl@ntsc.edu.cn。

TG115.53

A

10.3969/j.issn.1671-234X.2014.01.012

1671-234X(2014)01-0052-04