合金鋼表面熱鍛開裂行為的物理模擬研究

郝鵬?金艷陽

摘 要：為解決大尺寸合金鋼表面熱鍛開裂力學性能達不到要求，本文通過物理模擬方法和顯微組織觀察對數(shù)值模擬結(jié)果進行了驗證，分析裙試樣和圓柱試樣在熱壓變形時的開裂傾向，并討論裙狀試樣形狀尺寸對其側(cè)表面熱變形開裂難易程度的影響。

關(guān)鍵詞：計算機模擬;開裂;力學性能

近年來，大型鍛件工藝塑性常用試驗方法，如熱拉伸、熱扭轉(zhuǎn)和熱壓縮等。實踐表明在熱變形工藝參數(shù)相同條件下，與圓柱試樣相比裂紋更易于在裙狀試樣側(cè)表面半高處產(chǎn)生。將適于冷變形開裂的損傷標準與熱變形過程中的動態(tài)組織變化結(jié)合起來，可以較好地預測高合金鋼表面熱鍛開裂行為。采用尺寸優(yōu)化后的裙狀試樣能夠更方便地模擬出高合金鋼表面熱鍛開裂情況。

1.熱變形時圓柱試樣開裂模擬

將兩種形狀18Mnl8Cr0.5N鋼試樣在l000℃以O(shè).1S-1分別壓縮至真應變1.0（軸向壓縮應變總量），發(fā)現(xiàn)圓柱試樣側(cè)表面沒有出現(xiàn)開裂，而裙狀試樣的側(cè)表面則有裂紋產(chǎn)生，且裂紋方向平行于壓縮方向，其中橫向條紋為機械加工刀痕），這與裙狀試樣冷變形時的開裂方式大體相同。由此可見，在熱變形工藝參數(shù)相同條件下，裙狀試樣表面比圓柱試樣表面更容易產(chǎn)生開裂。將上述熱變形后的兩種試樣在其半高處垂直于變形軸線方向切開，該切面上靠近側(cè)表面附近的顯微組織（視場距表面約200謬m）。其中，照片左側(cè)靠近試樣側(cè)表面，右側(cè)則靠近試樣內(nèi)部。對于裙狀試樣，晶粒由于變形而被拉長，晶界多為鋸齒狀，個別位置還出現(xiàn)了細小的再結(jié)晶晶粒，而且微裂紋分布在晶界和三岔晶界上，表明裂紋優(yōu)先萌生于晶界;對于圓柱試樣，在變形晶粒的晶界附近出現(xiàn)了大量細小的再結(jié)晶晶粒，表明動態(tài)再結(jié)晶已經(jīng)發(fā)生，但是在晶界上沒有發(fā)現(xiàn)顯微裂紋，這與數(shù)值模擬的結(jié)果符合很好。將數(shù)值模擬的損傷積累和材料的動態(tài)組織變化綜合到一起考慮，就可以對熱變形中的開裂情況進行定性預測。

2.熱變形時圓柱試樣開裂數(shù)值分析

用Defom.3D軟件對上述兩種試樣的變形過程進行有限元分析，采用Normalized Cockcrofi & Latham損傷標準確定兩種試樣內(nèi)的損傷度分布規(guī)律和等效應變分布規(guī)律，從結(jié)果可以看出，兩種試樣內(nèi)部和端面的損傷值都比較低，損傷主要集中在試樣側(cè)表面半高處附近。圓柱試樣的損傷值較小，僅局部最高達到0.2，而在裙狀試樣中最高則達到了0.3，并且分布區(qū)域較圓柱試樣要大很多。從等效應變的分布情況來看，兩種試樣中，等效應變的最高值主要分布在試樣心部和截面對角線端點區(qū)域，其次為試樣側(cè)面附近，而試樣端面附近的等效應變都比較小。此外，在試樣半高處的側(cè)表面附近，裙狀試樣的等效應變較小，僅有0.3左右，而圓柱試樣的則接近0.7。由此可見，在試樣側(cè)表面半高處，在給定的熱變形條件下，裙狀試樣的損傷值要大于圓柱試樣，即這些區(qū)域在變形過程中更容易發(fā)生微孔的形核以及長大。然而，熱變形時當材料的變形量一旦超過某一臨界值，就要發(fā)生動態(tài)再結(jié)晶，故在研究材料熱變形開裂時應該而且必須將材料的動態(tài)組織變化考慮進去。在材料的變形速率差異不大的情況下，通常認為變形溫度相同時，等效應變越大，材料越容易發(fā)生動態(tài)回復或動態(tài)再結(jié)晶。對于損傷值較高的裙狀試樣，其側(cè)表面半高處等效應變卻較圓柱試樣更小。或者說，對于圓柱試樣，該位置本身就不容易發(fā)生微孔的形核和長大，而動回復或動態(tài)再結(jié)晶卻容易發(fā)生，導致大量塞積的位錯被消耗，從而大大降低了試樣表面應力集中的程度并抑制了裂紋的產(chǎn)生。因此，在熱變形時，裙狀試樣較圓柱試樣更容易開裂，而這恰恰是評估材料熱加工工藝塑性好壞（即熱鍛開裂難易程度）所期望的。

3.實驗結(jié)果及結(jié)論分析

在熱拉伸試驗中，試樣發(fā)生縮頸后，縮頒心部在三向拉應力的作用下所產(chǎn)生的空洞會合并長大，最終導致材料斷裂。對于熱扭轉(zhuǎn)試驗，試樣發(fā)生純剪切變形且當剪切應變達到極限后發(fā)生斷裂。顯然，這兩種試驗試樣無論在受力狀態(tài)還是失效方式方面均與大型鍛件的側(cè)裂（在表面周向拉應力作用下產(chǎn)生）有很大差異。熱壓縮時，圓柱試樣側(cè)表面的應力狀態(tài)以及變形方式與實際鍛造過程尤其是鐓粗過程最為接近。因此，熱壓縮試驗更適合用來模擬大型鍛件的側(cè)表面開裂問題。

然而，圓柱狀金屬試樣在熱壓縮時很難發(fā)生表面開裂，只有當兩端摩擦力非常大，試樣產(chǎn)生嚴重鼓凸時，其表面裂紋才能產(chǎn)生，或者說只有當圓柱試樣變形量達到相當大以后才可能出現(xiàn)開裂，這對長徑比通常在2以下的圓柱形壓縮試樣來講，實現(xiàn)模擬開裂很不容易。裙狀試樣相當于使圓柱試樣預先產(chǎn)生鼓凸，故變形時裙狀試樣的側(cè)表面比圓柱試樣的柱面更容易發(fā)生開裂。盡管用試驗和數(shù)值模擬都證明，冷變形時裙狀試樣比圓柱試樣更容易開裂，但在熱變形時會涉及到動態(tài)回復、動態(tài)再結(jié)晶和析出等問題，此時裙狀試樣是否還更容易開裂，迄今還不十分清楚。本文模擬材料表面冷變形開裂的Normalized Cockcroft& Latham準則與材料動態(tài)組織變化相結(jié)合，用物理模擬和數(shù)值模擬對一種高氮鉻錳奧氏體不銹鋼熱變形條件下的表面開裂問題進行系統(tǒng)研究，分析將采用裙試樣進行熱物理模擬作為一種熱塑性評價方法的可行性，并對裙試樣的尺寸進行優(yōu)化，為高合金鋼大型鍛件的工藝塑性研究及熱加工工藝的優(yōu)化提供理論依據(jù)。大型鍛件（尤其是高合金鋼鍛件）在熱鍛過程中很容易發(fā)生側(cè)表面開裂，從而嚴重影響這類產(chǎn)品的生產(chǎn)成本和生產(chǎn)效率。由于大型鍛件尺寸大、造價高且生產(chǎn)周期長，通過實物鍛造來獲得合適的鍛造工藝往往很難實現(xiàn)。因此，如何利用物理模擬和數(shù)值模擬方法評估材料熱變形過程中產(chǎn)生開裂的工藝條件和工藝塑性，對于提高大鍛件特別是高合金鋼大鍛件生產(chǎn)效率和效益具有重要意義。

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