大變形量下高碳鋼環(huán)件冷軋變形過程模擬與試驗研究

魏文婷　華　林　韓星會　路博涵

武漢理工大學現(xiàn)代汽車零部件技術(shù)湖北省重點實驗室,武漢,430070

大變形量下高碳鋼環(huán)件冷軋變形過程模擬與試驗研究

魏文婷華林韓星會路博涵

武漢理工大學現(xiàn)代汽車零部件技術(shù)湖北省重點實驗室,武漢,430070

研究了大變形量下高碳鋼環(huán)件冷軋變形行為,利用有限元模擬方法分析了環(huán)件冷軋過程中的形變規(guī)律，采用光學顯微鏡、SEM等材料表征手段研究了大變形量下環(huán)件冷軋過程中的組織演化特點。結(jié)果表明：在較小的變形量下，環(huán)件內(nèi)外側(cè)應(yīng)變較中間應(yīng)變大，且變形首先發(fā)生在環(huán)件外側(cè);整個環(huán)件變形過程中,環(huán)件中間層的晶粒變形程度最小,外層次之,內(nèi)層的變形最為劇烈;鐵素體基體沿軋制方向呈現(xiàn)明顯的方向性,碳化物顆粒分布更為均勻,且數(shù)量變少;隨著變形量的增大,環(huán)件內(nèi)層的應(yīng)變明顯大于外層的應(yīng)變,且最小應(yīng)變的位置偏移至靠外層比較近的區(qū)域，其組織中碳化物顆粒脫落加重;當變形量達到62.5%時,環(huán)件達到塑性極限,在內(nèi)側(cè)表面產(chǎn)生裂紋發(fā)生破壞。

大變形量;環(huán)件冷軋;高碳鋼;微觀組織

0　引言

環(huán)件冷軋是一種在常溫下進行的先進的連續(xù)局部塑性成形工藝,主要用于制造各種截面形狀的無縫環(huán)形零件,具有生產(chǎn)成本低、產(chǎn)品性能優(yōu)良和產(chǎn)品精度高等優(yōu)點,廣泛應(yīng)用于汽車、火車、船舶、航空航天和原子能等工業(yè)領(lǐng)域中[1-2]。

國內(nèi)外學者對環(huán)件冷軋工藝的研究主要集中在宏觀塑性變形及幾何精度的控制上，重點研究冷環(huán)軋工藝參數(shù)的控制及材料參數(shù)的選擇對冷環(huán)軋工藝過程的影響[3-6]。而材料微觀組織對材料性能具有較大影響，獲得高性能冷軋環(huán)件與其在軋制過程中微觀組織演變密切相關(guān)，因此需要對冷軋過程中的微觀組織演變的特點進行深入研究[7]。邵一川等[8]采用試驗與模擬結(jié)合的方法研究了低碳鋼在冷環(huán)軋過程中的金屬流動與應(yīng)變分布;吳敏等[9]研究了不同退火冷卻速率對中碳鋼冷軋環(huán)件微觀組織演變及變形行為的影響。而對于高碳鋼環(huán)件冷軋變形過程中微觀組織演變研究的報道較少,且并不深入[10-11]。

本文以高碳鉻軸承鋼GCr15為材料模型,利用三維有限元模型對環(huán)件冷軋變形過程進行了模擬分析，研究了大形變量下環(huán)件冷軋過程的宏觀塑性變形行為,通過光學顯微鏡、SEM等材料表征手段研究了大形變量下環(huán)件冷軋過程中微觀組織的演變規(guī)律。研究結(jié)果能為環(huán)件冷軋過程中的微觀組織可控性提供理論支持，從而進一步優(yōu)化環(huán)件冷軋工藝并提高產(chǎn)品精度,對軸承環(huán)冷軋技術(shù)的應(yīng)用與推廣具有重要意義。

1　試驗及方法

試驗材料為球化退火處理后的GCr15鋼，化學成分(質(zhì)量分數(shù))見表1。坯料為內(nèi)徑33.5 mm、外徑45.7 mm、高度20 mm的矩形橫截面的環(huán)件。本次冷環(huán)軋試驗在型號為D56G90的冷軋環(huán)機上進行。試驗過程如下:將坯料分別軋制到變形量δ為28.6%、47.5%、62.5%,其中,當變形量δ達62.5%時環(huán)件發(fā)生斷裂,達到塑性極限。圖1為不同變形量的冷軋環(huán)件實物圖。

表1　GCr15鋼的化學成分(質(zhì)量分數(shù))　%

圖1　不同變形量的冷軋環(huán)件

樣品作如下處理:對坯料及冷軋后環(huán)件進行取樣,經(jīng)過拋光和腐蝕,在光學顯微鏡(OM)和Philips Quanta 200型掃描電子顯微鏡(SEM)下進行觀察。試樣拋光后采用過飽和的苦味酸(98℃恒溫)進行腐蝕。

2　有限元模擬

2.1有限元模型

基于ABAQUS軟件平臺建立環(huán)件冷軋有限元模型，如圖2所示。模擬主要參數(shù)如表2所示。本文中的材料本構(gòu)方程參見文獻[12]。

表2　環(huán)件軋制有限元模擬的工藝參數(shù)

圖2　冷軋環(huán)有限元模型

2.2模擬結(jié)果

圖3是不同時刻冷軋環(huán)件等效塑性應(yīng)變的分布云圖,分別對應(yīng)試驗中不同的變形量(t=0時δ=0,t=1.72 s時δ=28.6%,t=3.56 s時δ=47.5%,t=3.86 s時δ=62.5%)。由圖3可以看出,在冷環(huán)軋過程中，塑性變形首先出現(xiàn)在其外表面，隨著軋制的進行，環(huán)件內(nèi)表面的金屬隨后進入塑性狀態(tài)。環(huán)件在徑向和周向上的塑性變形都不均勻，環(huán)件內(nèi)外表層的塑性應(yīng)變比其中間層的塑性應(yīng)變大。

(a)t=0(b)t=1.72 s

(c)t=3.56 s(d)t=3.86 s圖3　不同變形時刻環(huán)件等效應(yīng)變分布云圖

圖4　節(jié)點選取示意圖

圖4為環(huán)件橫截面上節(jié)點選取示意圖。其中，線段AC、DF、GI分別表示環(huán)件上端面、環(huán)件中間高度及環(huán)件下端面；線段AG、BH、CI分別表示環(huán)件外表面、環(huán)件中間厚度及內(nèi)表面。圖5為不同變形量的冷軋環(huán)件截面沿徑向方向的等效應(yīng)變分布圖。圖6為不同變形量時冷軋環(huán)件截面沿軸向的等效應(yīng)變分布圖。從圖5、圖6可以發(fā)現(xiàn)，環(huán)件在軸向上的塑性變形表現(xiàn)為軸向中心部位較大，而在徑向上的等效應(yīng)變分布則非常不均勻，呈現(xiàn)出從中部區(qū)域到表面區(qū)域由低到高的漸變分布，最大等效應(yīng)變始終位于環(huán)件的邊緣區(qū)域，而最小等效應(yīng)變始終位于環(huán)件的中部區(qū)域。從圖5中還可以看出，隨著變形量的增大，環(huán)件內(nèi)層的等效應(yīng)變明顯大于外層的等效應(yīng)力，且最小應(yīng)變的位置偏移至靠外層比較近的區(qū)域。

(a)δ=28.6%

(b)δ=47.5%

(c)δ=62.5%圖5　不同變形量時冷軋環(huán)件截面沿徑向的等效應(yīng)變分布圖

(a)δ=28.6%

(b)δ=47.5%

3　試驗結(jié)果與討論

3.1微觀組織演變

圖7為坯料的原始顯微組織圖,其中圖7a所示為光學顯微鏡下的金相組織,圖7b所示為掃描電子顯微鏡下的微觀組織。從圖7b中可見,灰色連續(xù)分布的相為鐵素體基體，白色顆粒狀相為球狀珠光體。鐵素體的晶粒尺寸約為10～12 μm。

通過對高碳鋼冷軋環(huán)件變形過程的模擬發(fā)現(xiàn)，環(huán)件變形過程中,其中間層受到變形量的影響最小,本文選取三種變形量下環(huán)件的中間層(即E點)進行微觀組織分析。圖8為不同變形量下冷軋環(huán)件中間層的微觀組織圖。圖8a～圖8d依次是坯料以及變形量分別為28.6%、47.5%、62.5%的環(huán)件顯微組織。由圖8可以看出，隨著變形量的增大,鐵素體基體軋制方向呈現(xiàn)明顯的方向性，碳化物顆粒分布更為均勻,如圖8b所示。但隨著變形量進一步增大，鐵素體在徑向上被擠壓得更為劇烈，鐵素體晶粒變形劇烈且晶界模糊，同時碳化物顆粒明顯減少且組織顯示出很多孔洞，這是由于劇烈塑性變形致使碳化物顆粒脫落引起的。當變形量達到62.5%時,環(huán)件在宏觀上發(fā)生斷裂，達到塑性極限，從圖8d中的顯微組織可以看出,鐵素體顯示折疊突起，表明材料被搓軋得極為劇烈。從不同變形量環(huán)件的中間層微觀組織變化可以看出，變形量對環(huán)件微觀組織影響較大，即使在變形較小的中間層，其微觀組織也發(fā)生了較大變化,當變形量達到62.5%時,鐵素體出現(xiàn)了折疊突起，碳化物顆粒發(fā)生嚴重脫落。

(a)坯料 (b)δ=28.6%

(c)δ=47.5% (d)δ=62.5% 圖8　不同變形量的環(huán)件中間層的顯微組織

圖9為變形量δ分別為28.6%、47.5%時環(huán)件不同部位的顯微組織圖。由圖9a～圖9c可見:δ=28.6%時,內(nèi)層的晶粒變形程度最大,外層次之，中間層的晶粒變形程度最小,三者區(qū)別較大,與圖6a反映出的規(guī)律相似。隨著變形量的增大,組織變形更為嚴重,基體上碳化物顆粒明顯減少。由圖9d～圖9f可見：δ=47.5%時,內(nèi)層的鐵素體折疊突起和碳化物脫落。在組織上始終呈現(xiàn)內(nèi)層組織變形較外層和中間層劇烈的規(guī)律，與圖6中模擬的應(yīng)變分布規(guī)律保持一致，這在一定程度上驗證了有限元模擬結(jié)果的可靠性。

3.2裂紋及斷口分析

當變形量達到62.5%時,在冷軋環(huán)試驗中,環(huán)件發(fā)生了斷裂，如圖10所示。觀察發(fā)現(xiàn)：在外表面光滑的情況下，裂紋出現(xiàn)在環(huán)件內(nèi)表面，這與模擬的應(yīng)力集中出現(xiàn)在環(huán)件內(nèi)層相符，如圖3和圖10中A、B處所示。圖11a、圖11b為裂紋示意圖及裂紋處的放大圖,由圖可見,裂紋沿與軋制方向垂直的方向擴展。其中圖11b為裂紋C處的SEM掃描圖,可見韌窩沿軋制方向被拉長。

(a)δ=28.6%,外層(b)δ=28.6%,中間層

(c)δ=28.6%,內(nèi)層(d)δ=47.5%,外層

(e)δ=47.5%,中間層(f)δ=47.5%,內(nèi)層圖9　不同變形量下環(huán)件不同位置的顯微組織

圖10　環(huán)件斷裂實物圖

圖11c、圖11d為斷口掃描圖,圖中顯示宏觀形貌呈纖維狀，微觀形態(tài)呈蜂窩狀,斷裂面是由一些細小的窩坑構(gòu)成,所以環(huán)件的斷裂為韌窩斷裂;同時可見韌窩均勻分布，韌窩邊緣高度略高，韌窩的排列保持了軋制的方向,較好地保持了環(huán)件沿軋制方向的優(yōu)化性能。

在冷環(huán)軋過程中,環(huán)件表層區(qū)域在強剪應(yīng)力的作用下，在不規(guī)則碳化物顆?；蚍墙饘賷A雜物周圍會萌生微裂紋,且微裂紋的擴展多是沿碳化物帶進行，擴展路徑與軋制方向存在10°左右的角度,呈鋸齒狀逐漸向表面擴展。當裂紋擴展到環(huán)件的表面時就會形成表面的塊狀剝落，如圖11b所示。

(a)裂紋形貌圖 (b)圖a中C處放大圖

(c)斷口形貌 (d)斷口形貌放大圖圖11　裂紋及斷口形貌圖

4　結(jié)論

(1)高碳鋼冷軋環(huán)件在較小的變形量下，內(nèi)外側(cè)應(yīng)變較中間應(yīng)變大，且變形首先發(fā)生在環(huán)件外側(cè)。隨著變形量增大至50%左右,環(huán)件內(nèi)層的應(yīng)變明顯大于外層的應(yīng)變，且最小應(yīng)變的位置偏移至靠外層比較近的區(qū)域。

(2)隨著變形量的增大,鐵素體基體軋制方向呈現(xiàn)明顯的方向性，碳化物顆粒分布更為均勻。隨著變形量的增大,碳化物顆粒脫落現(xiàn)象加重。

(3)當變形量為62.5%時，環(huán)件內(nèi)側(cè)由于變形劇烈，在靠近內(nèi)表面區(qū)域產(chǎn)生裂紋發(fā)生破壞。環(huán)件的斷裂為韌窩斷裂,韌窩分布均勻,韌窩邊緣高度略高,其排列保持了軋制的方向。

高碳鋼環(huán)件冷軋變形過程中的微觀組織演變與環(huán)件冷軋工藝參數(shù)密切相關(guān)，為深入全面研究環(huán)件冷軋過程中微觀組織演變規(guī)律，需對不同工藝參數(shù)的影響進行深入研究。

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(編輯蘇衛(wèi)國)

Numerical Simulation and Experimental Investigations on Deformation Process in Cold Ring Rolling of High Carbon Steel during Large Deformations

Wei WentingHua LinHan XinghuiLu Bohan

Hubei Key Laboratory of Advanced Technology of Automotive Parts,Wuhan University of Technology,Wuhan,430070

The cold ring rolling process of high carbon steel during large deformations was investigated herein.The deformation behaviour of the cold ring rolling process was analyzed by the finite element simulation method.The instruments like optical microscope and scanning electron microscope were employed to characterize the microstructure evolution of the cold rolled rings under large deformations.Results indicate that under smaller deformations,both of the outer and the inner sides of the ring exhibites higher plastic strain than that on the middle part and deformation firstly occurres in the outer side. It is observed that the most severe deformations occurre in the inner surface of the ring,the less severe deformations in the outer surface and the least deformation in the middle part during the cold ring rolling process.With the deformation increasing, the inner side shows higher strain than that of the outer surface, and the location with the least strain shiftes to the peripheral layers. The ferrite matrix shows a clear direction along the rolling direction, and the distribution of cementite is more homogeneous with reduced carbide particles amount.Meanwhile, the shedding of the carbide particles is aggravated.When the deformations reach to 62.5%,the cold rolled ring reaches plastic limit with cracks firstly happening on the inner surface of the cold rolled ring.

large deformation;cold ring rolling;high carbon steel;microstructure

2014-09-26

國家自然科學基金資助項目(51135007);國家重點基礎(chǔ)研究發(fā)展計劃(973計劃)資助項目(2011CB706605);教育部創(chuàng)新團隊發(fā)展計劃資助項目(IRT13087)

TG335< class="emphasis_italic">DOI

：10.3969/j.issn.1004-132X.2015.04.021

魏文婷,女,1985年生。武漢理工大學材料科學與工程學院博士研究生。主要研究方向為材料成形新技術(shù)。華林,男,1962年生。武漢理工大學材料科學與工程學院教授、博士研究生導師。韓星會,男,1979年生。武漢理工大學汽車學院副教授、碩士研究生導師。路博涵,男,1989年生。武漢理工大學汽車學院博士研究生。