DT14鋼高溫臨界損傷值測定與計算機模擬

栗文鋒 韓笑宇

(天津重型裝備工程研究有限公司，天津300457)

型鋼軋輥及立輥因長期處于惡劣的工況條件下，時常經(jīng)受高溫、高載荷的沖擊，因此需要具有良好的抗熱裂性、耐磨性、耐腐蝕性等性能。具有良好綜合力學性能的鍛造半鋼，是制造型鋼軋輥及立輥的重要材料，但材質本身碳合金含量高，在熱成形過程中極易產(chǎn)生裂紋，即韌性斷裂。韌性斷裂是指材料在斷裂前產(chǎn)生了明顯的宏觀變形的斷裂。在塑性成形過程中，金屬內部損傷會不斷積累，最終達到一個臨界值，材料產(chǎn)生裂紋，該臨界值即為材料的臨界損傷值[1]。

國內外專家學者對臨界損傷值都有不同程度的研究[2]，并建立多種損傷模型，通過計算機軟件模擬與物理實驗相結合，來預測實際生產(chǎn)中裂紋的形成。這些斷裂準則主要是基于應力、應變或應變速率綜合考慮提出的，例如Freudenthal以單位體積塑性為參數(shù)建立的材料發(fā)生大變形時的韌性斷裂準則；Cockcroft & Latham損傷模型；Oyane韌性斷裂模型；McClintock材料韌性斷裂判斷準則以及Rice和Tracey共同提出的三向應力作用下材料的韌性斷裂準則等。

半鋼材質熱態(tài)成形過程中容易產(chǎn)生裂紋缺陷，在實際生產(chǎn)中，不同的變形溫度和應變速率又會對材料的塑性造成影響，導致臨界損傷值的變化。為采用有限元數(shù)值模擬軟件對軋輥及立輥鍛造過程中裂紋的形成進行預測，需要得到不同溫度和應變速率下的臨界損傷值。本實驗基于Normalized Cockcroft & Latham損傷模型，對臨界損傷值的實驗測定方法進行了理論分析與研究。并引入一種基于Normalized Cockcroft & Latham損傷模型和Gleeble Fracture Limit試驗結合的臨界損傷值測定方法，得到了在變形溫度為750～1200℃、應變速率為0.01 s-1條件下材料DT14鋼的臨界損傷值。并通過計算機模擬，對鍛造過程中裂紋產(chǎn)生的傾向進行了預測。

1 高溫拉伸實驗

1.1 實驗方案

實驗材料為我公司為立輥開發(fā)的DT14鍛造半鋼材質，化學成分如表1所示。

表1 DT14鋼的化學成分(質量分數(shù)，%)Table 1 Chemical composition of DT14 steel (Mass, %)

圖1 試樣及其尺寸示意圖Figure 1 Schmatic diagram of sample and its dimension

拉伸試樣尺寸如圖1 所示。實驗前在試樣中心位置進行標記，距離為25 mm。

高溫拉伸實驗在Gleeble-3500熱模擬實驗機上進行。試驗過程中，試樣在Gleeble-3500熱模擬實驗機上以恒應變速率進行等溫高溫拉伸變形，試驗以10℃/s的速度將試樣加熱到750～1200℃，保溫180 s后，以0.01 s-1的應變速率進行拉伸，其高溫拉伸工藝如圖2所示。拉伸過程中，Gleeble試驗機自動采集記錄數(shù)據(jù)，試驗結束后，根據(jù)采集的數(shù)據(jù)繪制DT14半鋼的工程應力-應變曲線和真實應力-應變曲線。

圖2 高溫拉伸工藝Figure 2 Stretching process at high temperature

1.2 實驗結果

Normalized Cockcroft & Latham損傷模型，或稱韌性斷裂準則。該準則認為，對于韌性金屬材料，當積累損傷達到一個臨界值C時，即當塑性變形中的拉伸應力達到一個極限值時，斷裂發(fā)生。C值也稱損傷因子，計算如下式：

(1)

張菁麗等人研究[3]認為，在拉伸過程中，裂紋是由拉伸方向的真應變造成的，因此上式中的等效應力和等效應變可以做簡化處理，即用拉伸的真應變代替等效應變，用最終拉伸強度代替等效應力，得到最終的公式為：

(2)

其中，σlimit為極限應力；σUTS為材料的拉伸強度；εlimit為極限應變。

對高溫拉伸的實驗數(shù)據(jù)進行處理，得到DT14鋼不同溫度的工程應力-應變曲線及真應力-應變曲線。根據(jù)簡化后的計算公式(2)，計算材料的損傷值C，得到變形溫度為750～1200℃、應變速率為0.01 s-1條件下DT14鋼的臨界損傷值，結果如表2所示，損傷值隨溫度變化曲線如圖3所示。

表2 不同溫度下的臨界損傷值Table 2 Critical damage value at different temperature

圖3 損傷值隨溫度變化曲線Figure 3 Curve of damage vaule versus temperature

2 計算機模擬分析

通過高溫拉伸試驗與該模型結合可以測定材料在不同溫度的臨界損傷值C。在DEFORM-3D模擬軟件中，我們可以通過下式得到C值的分布云圖，從而利用有限元模擬軟件預測半鋼材質鍛件在鍛造過程中的開裂情況。損傷模型進行離散化處理，公式如下：

Deform-3D模擬軟件用戶子程序USRUPD是一個用戶定義節(jié)點和單元變量的子程序，用戶可以通過定義特殊的節(jié)點或單元變量實現(xiàn)后處理中不具備的參量的計算功能。為了計算C值，我們對用戶子程序USRUPD進行處理，以下為計算C值的部分語句：

IF(ISTATUS.EQ.1.AND.KELE.GT.0) THEN

USRE2(1)=USRE1(1)

USRE2(1)=TEPSE

CALL MAXPRN(STSE,PRNSTS,IFLG)

IF(IFLG.EQ.0)D=PRNSTS

USRE2(2)=USRE1(2)

USRE2(2)=USRE2(2)+(TEPSE-USRE1(1))*D/EFSTSE

ENDIF

2.1 模擬方案及建模

根據(jù)我公司輔具尺寸及鋼錠大小在Pro/E里建模，如圖4所示。鐓粗輔具采用上凹面鐓粗板+下漏盤。KD拔長選用我公司1200 mm寬上、下V型砧。拔長出成品先用400 mm上平下V型砧。選取鐓粗比2.5，壓下速度為5 mm/s，鋼錠選

用我公司36 t下注錠，煉鋼方式采用LH+MBC。鍛造工藝為：壓鉗口→鐓粗→KD拔長→出成品。

2.2 模擬結果分析

利用Deform-3D軟件進行計算機模擬，對比分析坯料在鐓粗、KD拔長以及出成品過程中各處C值的大小以及開裂傾向。圖5(a)所示為鐓粗及KD拔長時損傷值C在坯料內部的分布情況。在鐓粗時，可以看出，C值主要分布在表層，從內部向外逐漸降低，這與坯料在鐓粗過程中表面受拉應力相符。從模擬結果來看，表面C值最大達到0.397，小于我們通過高溫拉伸實驗測得的結果，可以認為鐓粗時，坯料的高溫損傷值處于安全范圍內。

圖5(b)所示為坯料在KD拔長時損傷值C的分布云圖?？梢钥闯?，在圖中箭頭所示位置C值高于0.54，材料開裂的傾向比較大，這主要是因為鉗把與坯料錠身的圓角處在拔長過程中容易產(chǎn)生應力集中，錠身底部末端損傷值也比較高的位置，這主要是KD拔長效率比較高，如壓下量過大，端部所受拉應力較大，也會造成材料達到臨界C值，最終塑性開裂。

圖4 計算機模擬建模Figure 4 Computer simulation modeling

圖5 鐓粗及KD拔長過程中C值的分布情況Figure 5 Distribution of value C at process of upsetting and KD drawing

圖6 出成品時C值和等效應變的分布情況Figure 6 Value C and distribution of equivalent strain at time of producing finished product

圖6(a)所示為軋輥成品在鍛造終了時損傷值C的分布云圖。從圖6可見，在小輥頸處，特別是輥身與輥頸相接處的C值比較大，開裂傾向也最大。圖6(b)是軋輥對應的等效應變分布圖，等效應變云圖較大的區(qū)域相應C值也比較大，可見C值與等效應變有一定的關系。

3 結論

(1)通過Gleeble Fracture Limit物理試驗，測得了在變形溫度為750～1200℃、應變速率為0.01 s-1條件下材料DT14鋼的臨界損傷值。

(2)通過計算機模擬研究分析，在鐓粗時材料的損傷值最大為0.397，材料處于安全范圍內。在KD拔長時，在坯料的鉗把與錠身圓角處及錠身底部區(qū)域有發(fā)生開裂的傾向，在最后出成品火次，輥頸與輥身的圓角處損傷值超過了材料的臨界值，材料開裂的傾向較大。

[1] 張菁麗，陳學文，劉澤虎. 支承輥材料45Cr4NiMoV鋼高溫臨界損傷值測定方法與試驗[J]. 塑性工程學報，2012，19(3)：44-47.

[2] 方剛，雷麗萍，曾攀. 金屬塑性成形過程韌性斷裂的準則及其數(shù)值模擬：海內外青年設計與制造科學會議[C]. 2002．

[3] 鄧冬梅. 大型鍛件鍛造新理論與新工藝的數(shù)值模擬[D]. 秦皇島：燕山大學，2000．

[4] Jing Guo, Bo Liao, Li-Gang Liu, et al. Forging limit of a novel high-speed-steel cold work roll based on ductile fracture criteria by finite element model[J]. Materials and Design，2013，52(24)：1027-1034．

[5] 賈薇. 大型鍛件鐓粗工藝理論的研究[J]. 大型鑄鍛件，2005(2)：4-5．

[6] 曾志朋. DEFORM軟件的二次開發(fā)與大型鍛件鍛造工藝優(yōu)化[D]. 北京：機械科學研究院，2002.