基于DEFORM-3D的2024鋁合金鍛造變形過程晶粒度分析

方秀梅，荊志杰，龔 毅

（成都錦城學院，四川 成都 611731）

齒輪鍛造工藝是指齒輪由坯料經(jīng)過鍛造直接獲得完整形狀的加工工藝，與傳統(tǒng)的機加工工藝相比較，通過鍛造加工出的齒輪具備更優(yōu)的綜合力學性能，并且能夠提高材料的利用率，從而節(jié)約生產(chǎn)成本。2024硬鋁合金鋼具有質(zhì)量輕、強度高、相對密度小等優(yōu)點，主要用于航天航空、高鐵及軍工等方面，目前硬鋁合金鋼通過鍛造工藝所得鍛件表現(xiàn)出高防腐性能及高強度等優(yōu)異性能，在鍛造成形過程中可以有效的消除金屬內(nèi)部的缺陷，如縮孔、氣孔、夾雜等，能改善晶粒的內(nèi)部微觀組織，使得鋁合金鋼鍛件在材料學界所受到的關注越來越廣泛[1]。現(xiàn)今，隨著CAE有限元仿真技術的普及化，可通過DEFORM-3D軟件對于鍛造加工工藝過程進行模擬，調(diào)整鍛造工藝參數(shù)，快速優(yōu)化鍛造工藝，以縮短產(chǎn)品開發(fā)周期，提高材料的綜合力學性能。本文采用了有限元模擬仿真軟DEFORM-3D，對于2024硬鋁材質(zhì)的直齒圓錐齒輪進行鍛造過程模擬仿真，并對此次鍛造工藝的參數(shù)進行對比，通過后處理分析鍛造工藝中齒輪鍛件的微觀組織演變情況及其影響因素及其對性能的影響。

1 直齒錐齒輪鍛造過程有限元模型建立

直齒圓錐齒輪鍛件主要參數(shù)如下：齒數(shù)為20，模數(shù)為2.5，壓力角為45°，齒寬15mm。直齒錐齒輪鍛件三維圖和鍛造模具上模、下模如圖1所示。

圖1 直齒錐齒輪和模具三維圖

本文所采用毛坯材料為2024硬鋁合金鋼圓棒料，對應為AlCuMg2，匹配材料庫數(shù)據(jù)AL-2024，默認塑性。模具材料為AISI-H13，默認剛性。坯料采用絕對尺寸網(wǎng)格劃分，設置尺寸比3，最小單元尺寸設置0.04。設置坯料與模具之間接觸摩擦系數(shù)0.4。

鍛造工藝設置冷鍛和熱鍛，冷鍛在室溫（20℃），熱鍛820℃，設置坯料單元與大氣的熱對流系數(shù)為20W/(m2·℃)以及坯料與模具之間的傳熱系數(shù)11kW/(m2·℃)。上模的運動速度加載設置3組值對比，分別為2mm/s，5mm/s，8mm/s。硬鋁合金冷鍛過程，溫度較低，不考慮到動態(tài)再結晶，在820°熱鍛加工時，考慮到溫度較大，需設置默認動態(tài)再結晶參數(shù)。設置動態(tài)再結晶的臨界位錯密度為0.02，形核概率為0.01。標定組織晶粒度參考《金屬平均晶粒度測定方法》，采用截點法，1-4級為粗晶粒，5-8級為細晶粒。本文在對坯料變形進行追蹤選項設置時，在圓柱形坯料上定義了3個點，分別是點P1坯料底面中心；點P2坯料側(cè)面；點P3坯料邊界。

2 鍛造工藝參數(shù)對鋁合金變形組織晶粒度的影響

2.1 形變程度對晶粒度演變

由于2024鋁合金鋼的強度、硬度較大，形變程度影響晶粒度的演變。圖3是鋁合金室溫冷鍛不同變形程度的晶粒度。初始晶粒較大，晶粒數(shù)較少。當變形量達到50%左右時，晶粒體積分布開始不斷增加，晶粒數(shù)量也開始增多，出現(xiàn)了變形織構的取向晶粒形態(tài)；當變形量到達90%左右的時候，其晶粒數(shù)量和體積分布開始趨于穩(wěn)定，晶粒形態(tài)接近等軸晶。由于此次模擬仿真的低溫條件，追蹤點區(qū)域的變形能不足以提供晶粒形核長大的激活能，所以不會發(fā)生動態(tài)再結晶。取追蹤點P2的不同變形時期的晶粒度變化，如圖2所示。a圖為形變量50%晶粒度大小，晶粒度標定5級，b為形變量50%晶粒度大小，標定8級，c圖為最終變形完成晶粒度，標定8級。

圖2 室溫冷鍛不同變形程度的晶粒度

圖3 不同形變速度下晶粒度狀況

2.2 鍛造溫度對晶粒度的影響

冷鍛和熱鍛對變形組織、性能的影響很大，本文中分別設置了20℃室溫冷鍛和820℃熱鍛進行對比，選取鍛件上的點P1處對其晶粒度大小進行觀測。實驗結果表明冷鍛溫下的晶粒度大小標定晶粒度7級，820°熱鍛下的晶粒度大小，標定晶粒度6級。高溫鍛造過程中，因回復-動態(tài)再結晶的發(fā)生，變形后晶粒呈現(xiàn)等軸狀，晶粒度稍長大，再結晶可以完全消除塑性變形所引起的硬化現(xiàn)象。

2.3 變形速度對晶粒度的影響

應變速率高應對晶粒細化產(chǎn)生積極的影響，熱加工工藝中，應變速率越快，應變能越高，動態(tài)再結晶形核率越高，晶粒得到細化[2]。本文通過設置凸模加載速率來控制鋁合金的應變速率。從鍛件上選取為坯料邊界點P3，對比分析3種不同速度變形后的所處點P3的晶粒度大小。如圖3所示，其中a圖為加載速度為2mm/s時的鍛件晶粒度大小，標定晶粒度6級；b圖表示速度為5mm/s時的鍛件晶粒度大小，標定晶粒度7級；c圖表示8mm/s的鍛件晶粒度大小，標定晶粒度8級。2mm/s的變形后的晶粒度較為粗大，而隨著變形速度的提高，其晶粒度也是往細化發(fā)展，在8mm/s時達到一個較為理想的狀態(tài)。變形速度越大，晶粒度細化越明顯，晶粒出現(xiàn)取向的織構狀態(tài)。

2.4 晶粒度對材料性能的影響

金屬材料晶粒度越小，晶粒度等級越高，其韌性及強度越高，疲勞壽命越久[3]。本文對工件內(nèi)部晶粒度大小進行觀測，比較了影響晶粒度的因素，能有效細化晶粒度。晶粒度越大，內(nèi)部晶界增多，晶界面積越大，能減少裂紋的產(chǎn)生。如圖4所示，a為細小晶粒所加載的曲線，b為粗大晶粒加載的曲線。如圖可知，應力曲線差別較大，細晶粒變形的應力應變曲線，屈服平臺更明顯，表現(xiàn)出良好的塑性和較好的強度，粗大晶粒無明顯屈服，出現(xiàn)脆斷趨勢。

圖4 不同晶粒度加載應力曲線

3 結論

本文通過D EFORM-3D仿真模擬分析了2024硬鋁合金鋼的直齒圓錐齒輪在鍛造工藝過程中不同形變區(qū)域、不同形變程度晶粒度的演變規(guī)律，研究了不同形變速度、不同鍛造工藝對變形后晶粒度及性能的影響，得出以下結論：當形變程度越大時，其晶粒度大小越細，等級越高。當變形量超過80%的時候，金屬晶粒度大小和晶界體積分布會趨于穩(wěn)定，金屬晶粒度大小得以細化。當形變速度為8mm/s的時候，材料在變形后的晶粒度較小，其微觀組織的均勻性得到改善；熱鍛存在再結晶晶粒長大，晶粒度大小相比室溫冷鍛來說較大；晶粒度越大，晶粒越細，力學性能得到改善。