鍛造過程中孔洞缺陷的閉合過程模擬分析

王建軍，郝素蘭，潘　露，吳永強(qiáng)

(1.安徽機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機(jī)械工程系，安徽 蕪湖　241002；　2.太原科技大學(xué) 材料工程學(xué)院，山西 太原　030024)

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鍛造過程中孔洞缺陷的閉合過程模擬分析

王建軍1，郝素蘭1，潘露1，吳永強(qiáng)2

(1.安徽機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機(jī)械工程系，安徽 蕪湖241002；2.太原科技大學(xué) 材料工程學(xué)院，山西 太原030024)

摘要：首先對鍛造過程中孔洞閉合的演化方式進(jìn)行研究，找出缺陷閉合的條件，采用Deform-2D數(shù)值模擬的方法進(jìn)行模擬分析，得到所建立的模型內(nèi)部缺陷閉合的規(guī)律，為消除孔洞缺陷提供理論依據(jù)。

關(guān)鍵詞：鍛造；鐓粗；孔洞缺陷閉合；Deform-2D

在金屬材料制品的內(nèi)部，都或多或少存在著各種各樣的缺陷，比如孔洞和疏松。帶有孔洞缺陷的金屬材料在塑性成形過程中，當(dāng)施加的外載荷達(dá)到一定程度時(shí)，由于受到應(yīng)力應(yīng)變場，在有孔洞缺陷的晶界處會因?yàn)槲诲e(cuò)塞積或孔洞缺陷本身的分裂形成微觀的孔洞，這些孔洞會隨著外載荷的增大而長大、聚集，最終會形成裂紋，而且裂紋還可能和主裂紋連接使裂紋擴(kuò)展，從而導(dǎo)致金屬件的破壞。

一孔洞缺陷的形成和閉合

孔洞缺陷的產(chǎn)生是由于在煉鋼過程中鋼水中有空氣的溶入，當(dāng)溫度降低時(shí)鋼水中的氣體溶解度也隨之下降，當(dāng)溫度下降到一定程度分離出來的氣體會析出形成孔洞缺陷，所以制定合理鍛造工藝的目的就是消除大鋼錠內(nèi)部存在的孔洞等缺陷，使鋼錠內(nèi)部組織致密。鋼錠內(nèi)部存在的孔洞缺陷使金屬的連續(xù)性破壞了，孔洞缺陷的鄰域存在大量應(yīng)力應(yīng)變集中的顯著現(xiàn)象，這樣的大型鍛件在使用過程中孔洞缺陷易演化成裂紋，發(fā)展下去的話則會使工件報(bào)廢，造成生產(chǎn)的停滯和經(jīng)濟(jì)的損失。這些孔洞可能通過高溫下形變使細(xì)觀組織發(fā)生再結(jié)晶變化和原子擴(kuò)散而閉合以便得到產(chǎn)品性能優(yōu)良的工件。大型鍛件內(nèi)部疏松型缺陷在鐓粗過程中閉合是指在塑性變形過程中疏松壓實(shí)鍛合即形成物理型接觸。本文通過研究疏松缺陷閉合規(guī)律首先對鍛造過程中疏松閉合的演化方式進(jìn)行研究，得出疏松缺陷閉合的主要影響因素，為合理制定大型鍛件內(nèi)部疏松閉合的鍛壓工藝提供依據(jù)。

二消除孔洞缺陷模擬方案的建立

圖1　加載方案Fig.1　The way of Loading

為在鍛造過程中消除工件內(nèi)部的孔洞缺陷，采用圖1的加載方案，采用Deform-2D軟件進(jìn)行有限元數(shù)值模擬分析，研究在不同外界環(huán)境下孔洞缺陷閉合的規(guī)律，分析各種因素對孔洞閉合的影響，為制定最佳的鍛造工藝提供依據(jù)。在有限元分析軟件Deform-2D中建立60mm×60mm的平面鐓粗模型，材料為2.25Cr-1Mo-0.25V，摩擦系數(shù)為0.25，熱交換系數(shù)為1.8，代表性特征體積元(RVE)的尺寸為1mm×1mm，根據(jù)代表性特征體積元(RVE)中疏松缺陷大小的情況，將代表性特征體積元(RVE)中孔洞缺陷的直徑與代表性特征體積元(RVE)邊長(1mm)的比作為參照依據(jù)，所以孔洞單元直徑分別取0.2mm、0.1mm和0.05mm，在模型中心O點(diǎn)，溫度為900℃至1200℃，應(yīng)變速率選取分別為0.007、0.2和1。

三孔洞缺陷閉合過程和規(guī)律模擬結(jié)果

1．溫度的影響。

圖2　溫度因素在不同應(yīng)變速率下對壓下量的影響Fig.2　The temperature influence factors at different strain rate

采用Deform-2D軟件的有限元數(shù)值模擬計(jì)算進(jìn)行分析得出圖2，縱坐標(biāo)壓下量為臨界相對壓下量，a、b、c圖的應(yīng)變速率和孔洞單元直徑分別為0.007、0.2、1和0.2mm、0.1mm、0.05mm?？梢钥闯鰷囟葘锥慈毕莸暮负嫌兄黠@的影響，溫度越高，束縛原子運(yùn)動的能量越小，在材料中擴(kuò)散遷移的原子數(shù)量會增多，孔洞缺陷能夠緊密接觸的自由面也會相對較多，這種情況下金屬材料容易擴(kuò)散和再結(jié)晶，孔洞缺陷閉合所需的時(shí)間就會減少。

2．孔洞缺陷尺寸的影響。

圖3　孔洞缺陷直徑因素影響(單位：mm)Fig.3　The effect factors of the diameter of the void closure

如圖3中a、b、c圖的應(yīng)變速率和溫度分別為0.007、0.2、1和900℃、1100℃、1200℃時(shí)的鍛件壓下量變化。鍛件內(nèi)部孔洞缺陷直徑與代表性特征體積元的邊長比對大型鍛件內(nèi)部孔洞缺陷閉合臨界壓下量影響非常小，也就是孔洞缺陷的尺寸對閉合臨界壓下量的影響特別小。孔洞缺陷相對于工件來說尺寸非常小，它的影響范圍只是微小范圍?？锥磳儆谖⒂^缺陷，只要施加足夠大的三向壓應(yīng)力，這些缺陷都可以閉合。

3．應(yīng)變速率的影響。

圖4　應(yīng)變速率因素影響Fig.4　The effect factors of the strain rate

經(jīng)過大量Deform-2D軟件的有限元數(shù)值模擬計(jì)算分析可知，對大型鍛件內(nèi)部孔洞的閉合影響很大的因素是應(yīng)變速率，如圖：

圖4中a、b、c圖的溫度和孔洞直徑分別為900℃、1100℃、1200℃和0.2mm、0.1mm、0.05mm，可見同一位置處所含孔洞缺陷閉合時(shí)所需臨界閉合相對壓下量隨著應(yīng)變速率的升高，孔洞缺陷閉合時(shí)所需要的壓下量也升高。在進(jìn)行宏細(xì)觀模型模擬時(shí)所采用的材料為2.25Cr-1Mo-0.25V鋼，應(yīng)變速率都大于10-4，則變形體變形過程屬于熱變形行為。當(dāng)變形體發(fā)生熱變形行為時(shí)，材料的塑性增強(qiáng)，會同時(shí)產(chǎn)生應(yīng)變硬化和軟化兩種處于相反狀態(tài)的過程。在相同的溫度下，流變應(yīng)力會隨著應(yīng)變速率的增加而增大，也就是說當(dāng)應(yīng)變速率較高時(shí)，變形體內(nèi)部所產(chǎn)生的變形抗力較高。

四結(jié)論

對鍛件采用確定的加載方案，通過利用軟件Deform-2D的模擬計(jì)算，得到溫度、應(yīng)變速率以及鍛件孔洞缺陷尺寸對大型鍛件內(nèi)部孔洞閉合時(shí)臨界壓下量的影響。

(1)當(dāng)溫度為900℃至1200℃時(shí)，其它外界條件都一樣，應(yīng)變速率越大，則同一位置處所含孔洞缺陷閉合時(shí)需要的臨界壓下量越大。

(2)孔洞缺陷尺寸大小即鍛件內(nèi)部孔洞缺陷直徑與代表性特征體積元的邊長比值分別為1比5、1比10、1比20時(shí)，其它外界條件都一樣，則同一位置處所含孔洞缺陷閉合時(shí)需要的臨界壓下量隨著疏松缺陷尺寸減小而略有上升趨勢。

(3)應(yīng)變速率對鍛件內(nèi)部的孔洞缺陷閉合影響非常大，而且隨著應(yīng)變速率的升高，孔洞缺陷的閉合所需要的壓下量也會升高。

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Class No.:TG316.1Document Mark：A

(責(zé)任編輯：鄭英玲)

The Simulation Analysis of Void Defects Closure in the Forging Process

Wang Jianjun1,Hao Sulan1,Pan Lu1,Wu Yongqiang2

(1.Department of Mechanical Engineering，Anhui Technical College of Mechanical and

Electrical Engineering , Wuhu , Anhui 241002,China;

2.School of Materials Engineering，Taiyuan University of Science and

Technology，Taiyuan，Shanxi 030024，China)

Abstract：The paper studied the evolution of the void closure in the process of forging and find out the conditions for elimination of void defects. With the Deform-2D numerical simulation method the paper made a simulation analysis of the regularity of the internal void closure of the established model, which could provide a theoretical basis for elimination of the defect.

Key words：Forging; upsetting; void closure; Deform-2D

中圖分類號：TG316.1

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1672-6758(2015)12-0052-3

作者簡介：王建軍，碩士，講師，安徽機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院。