基于FEM法的鎳基合金軋制開裂模型

供稿|武晶晶，蘇麗鳳 / WU Jing-jing, SU Li-feng

內(nèi)容導(dǎo)讀

文章基于光學(xué)顯微鏡和掃描電鏡觀察法研究了鎳基合金管材軋后裂紋產(chǎn)生的原因，并基于有限元(FEM)建立了鎳基合金管材軋制缺陷模型。結(jié)果表明：鎳合金管材缺陷為裂紋型缺陷，裂紋萌生于外表面，沿壁厚呈現(xiàn)之字形擴(kuò)展。鎳基合金缺陷處的晶粒度為10級，正常區(qū)域處的晶粒度為8級；鎳基合金裂紋面出現(xiàn)了分層的現(xiàn)象，各層之間清晰可見，屬于脆性斷裂。建立的鎳基合金管材軋制模型與前期實(shí)驗(yàn)結(jié)果基本一致，可為尋找鎳基合金管材軋制開裂提供參考。

鎳基合金因具有有效的抗應(yīng)力腐蝕、抗氧化性，在室溫和高溫的苛刻環(huán)境中具有優(yōu)異的力學(xué)性能，廣泛應(yīng)用于化工和航海設(shè)備中的加熱管、熱交換器和蒸發(fā)器等結(jié)構(gòu)材料[1]。兩輥周期式軋制因軋制精度高、軋后表面控制良好的特點(diǎn)，廣泛地應(yīng)用于鎳基合金管材生產(chǎn)過程中。鎳基合金產(chǎn)品軋制后的質(zhì)量直接決定后期鎳基合金管材生產(chǎn)的成品率和表面質(zhì)量。西部金屬材料股份有限公司生產(chǎn)的鎳基合金軋制后出現(xiàn)了沿著鎳管長度方向的之字形裂紋缺陷，其具體形貌如圖1—3所示。國內(nèi)外對鎳管軋制后形成裂紋的原因研究較少，現(xiàn)有文獻(xiàn)主要描述鎳合金焊接或者熱處理不當(dāng)造成的焊接或熱處理缺陷[3-5]，鮮有對鎳合金管材軋制開裂原因進(jìn)行分析。有限元(FEM)理論是模擬物體受力或者變形過程的一種方法，廣泛應(yīng)用于材料加工過程中的受力分析。本文分析了鎳基合金管材缺陷形貌，并用FEM理論對鎳基合金缺陷形成的過程進(jìn)行形象化驗(yàn)證，從而確定鎳基合金管材內(nèi)壁折疊形成的機(jī)理。為提高鎳基合金管材軋制成品率，確保鎳管的安全和質(zhì)量奠定基礎(chǔ)。

圖1 鎳管軋后表面裂紋缺陷形貌

圖2 鎳管外表面缺陷光學(xué)形貌

圖3 鎳管內(nèi)表面缺陷光學(xué)形貌

實(shí)驗(yàn)方法

金相組織

選用軋制后含有缺陷的鎳合金管材進(jìn)行金相組織觀察。將管材壁厚依次通過400#、600#、1000#及1200#拋光。之后采用體積分?jǐn)?shù)為10%的磷酸對試樣進(jìn)行電解腐蝕，隨后在奧林巴斯GX51型光學(xué)顯微鏡上沿著試樣壁厚內(nèi)層、中層和外層觀察其金相組織。

缺陷形貌

沿著鎳基合金管材裂紋擴(kuò)展方向?qū)α鸭y進(jìn)行剝離，采用S-3400型掃描電鏡對鎳基合金缺陷斷口部位進(jìn)行形貌觀察，電鏡的工作電壓為3.00 kV。

建立FEM模型

設(shè)置管材軋制過程為彈塑性變形，軋輥和芯棒設(shè)置為剛體模型，忽略其軋輥和芯棒的變形。先采用制圖軟件分別繪制含有缺陷的坯料、芯頭和孔型3D圖形，隨后將3D圖形導(dǎo)入到FEM分析軟件中，對坯料、芯頭和孔型進(jìn)行網(wǎng)格劃分；然后設(shè)置管坯、芯頭和孔型的材料參數(shù)、軋制溫度、各接觸面摩擦因數(shù)及運(yùn)動軌跡；最后對管材軋制過程進(jìn)行反復(fù)求解，輸出管坯軋制變形圖。

結(jié)果與分析

缺陷組織形貌

圖4為鎳合金管材缺陷斷面組織形貌圖。從圖4(a)可見，鎳合金管材缺陷為裂紋缺陷，裂紋萌生于管材壁厚外表面，沿著之字形裂紋從外表面沿著壁厚方向進(jìn)行擴(kuò)展。從圖4(b)可見，鎳合金管材萌生和擴(kuò)展區(qū)域處的晶粒度為10級，而鎳合金管材壁厚正常區(qū)域處的晶粒度為8級，所以鎳合金管材壁厚處的晶粒度組織差異是缺陷產(chǎn)生的原因。

圖4 鎳合金管材缺陷形貌

電鏡形貌

圖5為鎳基合金裂紋缺陷剝離面電鏡形貌圖。從圖5中可見，鎳基合金裂紋面出現(xiàn)了分層的現(xiàn)象，各層之間清晰可見，屬于脆性斷裂。這與前期金相組織觀察是一致的。

FEM模型分析

圖5 鎳基合金裂紋缺陷剝離面電鏡形貌

基于FEM原理建立鎳基合金管材缺陷軋制模型，其模擬缺陷產(chǎn)生的過程如圖6所示。管材中存在組織不均勻缺陷，管材模型如圖6(a)所示。這種含有缺陷的管材進(jìn)行軋制時，因管材受到軋制應(yīng)力的作用，缺陷沿著缺陷處萌生，進(jìn)而服從最小應(yīng)力法則出現(xiàn)之字形擴(kuò)展，具體形貌如圖6(b)和圖6(c)所示。這些模擬結(jié)果與實(shí)際理論結(jié)果是一致的，所以建立的鎳基合金管材軋制模型與前期實(shí)驗(yàn)結(jié)果基本一致，可為尋找鎳基合金管材軋制開裂提供參考。

結(jié)束語

(1) 鎳合金管材缺陷為裂紋型缺陷，裂紋萌生于外表面，沿壁厚呈現(xiàn)之字形擴(kuò)展。鎳基合金缺陷處的晶粒度為10級，正常區(qū)域處的晶粒度為8級。

(2) 鎳基合金裂紋面出現(xiàn)了分層的現(xiàn)象，各層之間清晰可見，屬于脆性斷裂。

(3) 建立的鎳基合金管材軋制模型與前期實(shí)驗(yàn)結(jié)果基本一致，可為尋找鎳基合金管材軋制開裂提供參考。

圖6 鎳基合金管材缺陷軋制模型