高溫合金IN690管材擠壓損傷模擬

符和鋒，王忠堂，陳永志

(沈陽理工大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，遼寧 沈陽 110159)

IN690合金是一種高強度、高硬度且具有良好冶金穩(wěn)定性的鎳基高溫合金，該合金具有非常優(yōu)異的抗多種水性介質(zhì)和在高溫條件下的異于其它合金的抗腐蝕能力。采用IN690材質(zhì)生產(chǎn)的管材制品在核蒸汽機發(fā)生器水反應(yīng)堆中得到了廣泛應(yīng)用，同時高溫合金也廣泛應(yīng)用于航天、火箭發(fā)動機、艦船以及石油化工等國防工業(yè)中[1-2]。

擠壓成形管材時存在著擠壓力大、成形所需溫度高、擠壓的效率低、擠壓管材的表面質(zhì)量差等很多問題[3-4]?，F(xiàn)有的高溫合金管材擠壓的數(shù)值模擬研究的文獻中較少涉及斷裂缺陷的預(yù)測。本文采用有限元軟件，對IN690合金擠壓進行數(shù)值模擬，主要研究擠壓工藝對管材表面成形質(zhì)量的影響，對管材擠壓成形件表面的損傷進行模擬。

1 韌性斷裂判定準(zhǔn)則

經(jīng)過學(xué)者長達數(shù)十年的研究，提出很多種韌性斷裂破壞的判定方法?？偟膩碚f這些方法分為兩種：第一種是通過實驗獲得的準(zhǔn)則(Empirical Criteria)法[5-6]，它的主要方法是通過做一定量標(biāo)準(zhǔn)的常規(guī)化實驗，在實驗中提取出材料的某種實驗數(shù)據(jù)，將這些數(shù)據(jù)加以整合最終應(yīng)用到該材料的韌性斷裂的判斷上，它還分應(yīng)力、應(yīng)變和應(yīng)變能三項準(zhǔn)則，這類準(zhǔn)則最具有代表性的是Cockroft-Latham準(zhǔn)則[7]；第二種斷裂的判定準(zhǔn)則是利用微觀組織而得到，這種方法的優(yōu)點是可以非常簡單地將空洞的幾何參數(shù)通過在材料的本構(gòu)方程中得到體現(xiàn)，可以非常迅速地分析獲得斷裂過程中裂紋的萌生直至撕裂的微觀組織變化[8]，這種準(zhǔn)則的描述非常具體且直觀，它將空洞的幾何尺寸大小對斷裂的影響等因素加以充分考慮，并且融合到材料的本構(gòu)關(guān)系中。

修正的Cockroft-Latham準(zhǔn)則認(rèn)為斷裂主要與拉應(yīng)力有關(guān)，當(dāng)最大拉應(yīng)力—應(yīng)變能達到材料的臨界破壞值時材料產(chǎn)生斷裂[9]，其表達式為

(1)

Oyane準(zhǔn)則描述可壓縮材料韌性斷裂，認(rèn)為裂紋與空洞體積分?jǐn)?shù)有關(guān)，空洞承受大變形的雜質(zhì)或受第二相粒子影響而產(chǎn)生互相連接形成微觀裂紋,其表達式為

(2)

式中:σm為平均應(yīng)力；A、C為根據(jù)實驗測得的材料常數(shù)。對不同材料、不同條件下，材料常數(shù)A與斷裂閥值C不同[10-12]。

該模型實際上是一個損傷的指標(biāo)，表示損傷區(qū)域的損傷情況，它并不影響材料的屈服應(yīng)力。也就是說材料損傷前后，認(rèn)為屈服應(yīng)力是不變的。這個準(zhǔn)則屬于宏觀斷裂力學(xué)的研究范疇，同時是一個基于試驗的準(zhǔn)則方法,它主要通過一些比較常規(guī)的標(biāo)準(zhǔn)試驗(如拉伸)來獲取材料相關(guān)的試驗參數(shù)數(shù)據(jù)。

2 有限元模型建立

物理模型描述的主要有材料的應(yīng)力與應(yīng)變特性，坯料與模具、坯料與擠壓筒之間的傳熱系數(shù)和摩擦因素以及互相接觸情況。模擬過程中熱傳導(dǎo)系數(shù)為30W·K-1·mm-2，材料自由面導(dǎo)熱系數(shù)設(shè)為0.8W·K-1·mm-2。

在Marc模型中，選擇Cockroft-latham準(zhǔn)則需要設(shè)置兩個參數(shù)，一個是損傷閾值(Damage threshold)，還有一個單元刪除閾值(Element removal threshold)。

利用有限元Marc軟件，采用彈塑性有限元模型對管材擠壓的整個變形過程進行模擬，模型如圖1 所示。

圖1 高溫合金管材擠壓模型

模擬過程中，采用文獻[5]中表3的數(shù)據(jù)，其損傷值分別為0.746、0.0606、0.563.最終取這三個值的平均值，得到損傷值為0.638.該值為單元刪除閾值(Element removal threshold)。

3 管材擠壓損傷的演變規(guī)律

對高溫合金管材擠壓進行數(shù)值模擬，所研究的損傷演變規(guī)律如圖2所示。

從損傷模擬圖中可以看出，在坯料剛接觸凹模的時候，在坯料尖端出現(xiàn)了一定的損傷(如圖2a所示)，這主要是由于坯料與凹模接觸的時候，由于壓應(yīng)力與拉應(yīng)力的綜合作用而產(chǎn)生了應(yīng)力集中，隨著擠壓的繼續(xù)進行，損傷值不斷加大，當(dāng)擠壓趨于平穩(wěn)的時候，損傷閾值趨于平穩(wěn)。坯料從?？跀D出時，由于坯料表面存在殘余應(yīng)力，所以表面的損傷有所增大，甚至出現(xiàn)有表皮脫落現(xiàn)象，如圖2c和圖2d所示。

圖2 不同擠壓階段的損傷情況

4 工藝參數(shù)對損傷的影響

4.1 速度對損傷的影響

圖3、圖4、圖5是高溫合金在擠壓過程中，擠壓速度分別為40mm/s、60mm/s、80mm/s時，不同增量步下的損傷分布云圖。

從制件表面損傷分布云圖中可見：在剛開始擠壓的時候，金屬坯料端點開始出現(xiàn)損傷，這是因為坯料接觸凹模的時候，由于應(yīng)力的突然增大，使得金屬表面出現(xiàn)了一定的損傷；隨著擠壓的進行，表面損傷更加明顯，損傷閾值呈現(xiàn)增長趨勢；從擠壓凹模擠出時，損傷(其損傷閾值分別為0.559、0.8315、0.505)的變化隨著擠壓速度的不同有所變化，呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢，這主要是由于低速擠壓的時候應(yīng)力較小，使得擠壓損傷減小，但高速的時候由于坯料與模具接觸時間減少，所以也使得損傷閾值減小。

圖3 擠壓速度為40mm/s時表面損傷云圖

圖4 擠壓速度為60mm/s時表面損傷云圖

圖5 擠壓速度為80mm/s時表面損傷云圖

通過對模擬數(shù)值進行處理，得到如圖6所示損傷值變化規(guī)律。

圖6 不同擠壓速度下的損傷閾值的規(guī)律

4.2 摩擦系數(shù)對損傷的影響

圖7為管材擠壓摩擦系數(shù)對表面損傷的影響。通過對比圖7a～圖7d可以得出，管材擠壓所得到的成形制件的表面質(zhì)量因摩擦系數(shù)的差異而有一定的不同：當(dāng)摩擦系數(shù)為0.2的時候，擠壓出來的IN690表面質(zhì)量很差，凹凸不平，甚至表面的材料有很多脫落；摩擦系數(shù)為0.1時，其表面質(zhì)量有所改善，其損傷的深度有所降低；摩擦系數(shù)為0.05時，表面比較光滑；當(dāng)摩擦系數(shù)變?yōu)?.01時，所得到的管材擠壓件表面質(zhì)量光滑，表面只有些許的損傷。

圖7 管材擠壓摩擦系數(shù)對表面損傷的影響

圖8為摩擦系數(shù)分別為0.01,0.05,0.1,0.2時的損傷最大值，從損傷值的變化情況來看，隨著摩擦系數(shù)的不斷增大，損傷值呈現(xiàn)不斷增大的變化規(guī)律。

5 結(jié)論

圖8 不同摩擦系數(shù)條件下的損傷情況

(1)擠壓速度對高溫合金管材擠壓的損傷影響很大，損傷的變化隨著擠壓速度的不同有所變化，呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢，這主要是由于低速擠壓的時候應(yīng)力較小，使得擠壓損傷減小，但高速的時候由于坯料與模具接觸時間減少，所以也使得損傷閾值減小。

(2)摩擦系數(shù)對管材的損傷也非常大，隨著摩擦系數(shù)的變化，損傷呈現(xiàn)逐漸增大的趨勢，在0.01～0.1之間的時候，損傷的情況變化不是很大，而當(dāng)摩擦系數(shù)在0.2的時候損傷很嚴(yán)重。

(3)研究表明，適宜的擠壓工藝參數(shù)是擠壓速度為80mm/s，摩擦系數(shù)為0.01～0.1之間。

(4) 損傷模擬結(jié)果與實際擠壓損傷相似，誤差在10%以內(nèi)，損傷值與坯料本身材料屬性有關(guān)。

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