熱連軋TC4鈦合金棒材裂紋產(chǎn)生的分析研究

劉 昊，帥美榮，王建梅

(太原科技大學材料科學與工程學院，太原 030024)

鈦合金產(chǎn)品具有優(yōu)良的性能，應(yīng)用范圍廣，然而，在變形過程中極易產(chǎn)生表面裂紋，導致金屬損耗嚴重，產(chǎn)品收得率低。降低鈦合金產(chǎn)品生產(chǎn)過程中的表面裂紋，提高制品表面質(zhì)量，無疑是進一步擴大產(chǎn)品應(yīng)用范圍的關(guān)鍵。目前，關(guān)于鈦合金產(chǎn)品表面裂紋的研究甚多，Kuthman與Boyer等人經(jīng)過一系列研究之后發(fā)現(xiàn)，影響雙態(tài)組織鈦合金裂紋產(chǎn)生位置的主要因素有：冷卻速率、晶粒體積分數(shù)與尺寸[1]；Litjering對鈦合金表面裂紋產(chǎn)生位置與鈦合金α相晶體結(jié)構(gòu)之間的關(guān)系進行研究時發(fā)現(xiàn)，界面強度對裂紋產(chǎn)生有著重要的影響[2]；Demulast則通過研究發(fā)現(xiàn)鈦合金微觀組織的不均勻性會使得鈦合金產(chǎn)生的裂紋較長[3]；Dowson等人的研究認為，鈦合金裂紋的產(chǎn)生與疲勞載荷的大小密切相關(guān)。然而，金屬的材料屬性、載荷、運行環(huán)境等因素對疲勞破壞有著綜合的、顯著的影響, 現(xiàn)階段關(guān)于裂紋的研究仍然處于探索階段[4-6]。

隨著有限元理論和計算機技術(shù)的發(fā)展，有限元數(shù)值模擬在新產(chǎn)品開發(fā)、工藝設(shè)計、裂紋或斷裂缺陷預測等方面的作用日益重要[7]，因此本文用DEFORM-3D有限元軟件對熱連軋鈦合金棒材的過程進行了模擬，對連軋過程中裂紋敏感區(qū)進行預測，基于連續(xù)損傷力學，分析不同參數(shù)對棒材損傷值的影響，進一步通過優(yōu)化工藝參數(shù)和設(shè)備參數(shù)，提高棒材表面質(zhì)量，降低生產(chǎn)成本。

1 幾何模型建立

熱連軋棒材材質(zhì)：TC4，坯料尺寸：φ25 mm×180 mm，產(chǎn)品尺寸：φ18mm，機架數(shù)目：6機架連續(xù)軋制。棒材連軋工藝參數(shù)如表1所示，首先將pro-e中建好的模型保存為stl.格式并導入DEFORM-3D軟件[8-9]。為了縮短時間從而減少計算量，將模擬時機架直接的間距設(shè)置為150 mm.為了讓棒材準確進入下一個道次，在每一組機架之間設(shè)定φ25 mm×70 mm的導管，建立的幾何模型如圖1所示。

從圖2中我們可以看出，當棒材經(jīng)過第一道次、第三道次、第五道次的正Y形三角孔型時，與軋輥接觸區(qū)域的棒材受擠壓變形較大，輥縫區(qū)域變形則較小。第二道次、第四道次、第六道次為圓孔型，最后一道次棒材圓度較好。

在棒材熱連軋過程中，各個軋制道次的損傷值分布如圖3所示，各道次最大損傷值如表2所示。

表1 鈦合金棒材模擬工藝參數(shù)

Tab.1 Rolling parameters of titanium alloy rod

道次內(nèi)切直徑/mm軋輥直徑/mm輥縫寬度/mm軋制速度/mm/s摩擦系數(shù)角速度/rad/s121.25 250.00 1.50 473.00 0.33.78 222.00 250.001.50597.000.34.77319.25250.001.50642.000.35.13420.00250.001.50719.000.35.75517.25250.001.50777.000.36.21618250.001.50878.000.37.02

圖1 有限元模型

Fig.1 Finite element model

2 有限元熱連軋模擬結(jié)果分析

六道次熱連軋鈦合金棒材的截面變化如圖2所示。

圖2 六道次棒材截面變化

Fig.2 The section changes of rod in six passes

(a) (b)

(c) (d)

(e) (f)

圖3 六道次棒材損傷值變化

Fig.3 Changes of damage value of rod during six passes

表2 六道次最大損傷值

Tab.2 Maximun damage value in six passes

道次123456最大損傷值0.2390.2650.3610.3750.4610.486

損傷值是材料的一個常數(shù)，取決于材料的成分與初始組織，當損傷值超過該材料的損傷閾值時認為斷裂發(fā)生，TC4鈦合金的損傷閾值為1[10].從圖表中我們可以看出，隨著軋制的進行，最大損傷值逐漸增大；各道次模擬獲得的最大損傷值均小于1，連軋過程中棒材未發(fā)生斷裂。

以棒材第五軋制道次為例，在棒材徑向取六個點研究它們的損傷值，這六個點的位置圖4所示。

圖4 第五道次橫截面

Fig.4 The fifth-pass cross section

將圖4所示的六個點做成曲線圖，其損傷值的變化如圖5所示。

圖5 選取點的損傷值

Fig.5 The damage value of selected points

從圖中我們可以看出，棒材在與軋輥接觸區(qū)域損傷值大，位于軋輥輥縫區(qū)域的金屬損傷值較小。因此，在鈦合金棒材熱連軋的過程中，發(fā)生表面裂紋的敏感區(qū)域集中在棒材與軋輥相接觸區(qū)域。

3 不同工藝參數(shù)對棒材損傷值的影響

3.1 軋輥偏角的影響

當進行熱連軋時，軋輥的偏角對棒材成品的質(zhì)量有著重要影響。為了探究不同偏角對棒材損傷值的影響，對軋制第一道次設(shè)定不同的偏角，偏角的取值為： 0°、1.2°、2.5°、3.4°、4.6°、5.6°.不同軋輥偏角下，鈦合金棒材的損傷值如圖6所示。

通過對比可知，隨著軋輥偏角的增大，棒材最大損傷值也隨之增大；當軋輥偏角為0°時，鈦合金棒材最大損傷值為0.486，當軋輥偏角為3.4°時，鈦合金棒材最大損傷值為0.899，當軋輥偏角為4.6°時，鈦合金棒材最大損傷值為1.48，超過了臨界值1，棒材產(chǎn)生裂紋。

圖6 不同偏角下的損傷值

Fig.6 Damage value under different deflections of rolling mills

可見，當軋輥有偏角時，隨著軋輥的轉(zhuǎn)動，棒材與軋輥接觸區(qū)域金屬流動不均勻，金屬質(zhì)點之間產(chǎn)生不同程度的牽制，在內(nèi)部產(chǎn)生拉應(yīng)力或者壓應(yīng)力，因此在接觸區(qū)域更容易產(chǎn)生表面裂紋。上圖充分說明，軋輥偏角對棒材損傷值的影響較大。另外，軋輥偏角不宜大于3.4°，否則棒材表面有裂紋產(chǎn)生的可能。

3.2 摩擦因數(shù)的影響

對鈦合金棒材進行軋制時，摩擦系數(shù)控制在0.1～0.5之間，為了研究摩擦力對鈦合金棒材軋制的影響，我們?nèi)〔煌Σ烈蜃訉徇B軋過程進行有限元仿真，摩擦因子的取值為：0.1、0.2、0.3、0.4、0.5.模擬完成后的鈦合金棒材的損傷值的變化如下圖7所示。

圖7 不同摩擦系數(shù)對損傷值的影響

Fig.7 Damage value under different Friction coefficients

由圖7可知，不同的摩擦系數(shù)對其損傷值的影響不同。隨著摩擦系數(shù)的增加，損傷值逐漸增大，當摩擦系數(shù)為0.5時，棒材的損傷值為0.493，當摩擦系數(shù)為0.1時，棒材的損傷值為0.475. 不同摩擦系數(shù)下其損傷值的變化幅度為0.018，由此可見，摩擦系數(shù)對損傷值的影響較小。

3.3 溫度的影響

溫度作為熱連軋時的重要參數(shù)之一，在滿足鈦合金熱連軋要求的條件下，將溫度設(shè)置為800 ℃、850 ℃、900 ℃、950 ℃、1 000 ℃.模擬完成后的鈦合金棒材的損傷值的變化如下圖8所示。

圖8 不同溫度下的損傷值

Fig.8 Damage value under different temperature

從圖中我們可以發(fā)現(xiàn)，隨著溫度增大損傷值逐漸減小,當初軋溫度為800 ℃時棒材的損傷值最大達到了0.785，當溫度為1 000 ℃時損傷值最小值為0.481，變化幅度為0.304.這是因為隨著溫度升高材料變形抗力逐漸減小[11-12]，使得棒材更容易發(fā)生變形，從而使其損傷值減小。

4 結(jié)論

(1)鈦合金棒材在熱連軋過程中，軋制完成后最大損傷值為0.486，由于其值小于斷裂閾值1，所以棒材未發(fā)生斷裂。

(2)軋制過程中，軋輥間隙部分鈦合金棒材的損傷值幾乎為零，鈦合金棒材的裂紋敏感區(qū)位于棒材與軋輥接觸區(qū)域，

(3)當軋輥有偏角時，對棒材最大損傷值影響較大。有限元模擬表明，軋輥偏角不宜超過3.4°.

(4)不同摩擦系數(shù)下，鈦合金棒材最大損傷值的變化幅度為0.018，由此可見，摩擦系數(shù)對損傷值的影響較小。

(5)隨著軋制溫度升高，鈦合金棒材最大損傷值減小。考慮到TC4合金β轉(zhuǎn)變溫度，最佳溫度為950 ℃.