基于Deform的Cr20Ni80合金鍛造過程的裂紋成因分析

洪 宇，周曉龍

1.廣東省半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)技術(shù)研究院，廣東 廣州 510650；2.昆明理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，云南 昆明 650093

Cr20Ni80合金是一種將鉻熔于鎳且具有奧氏體組織的電熱合金[1].該合金具有電阻率穩(wěn)定、熔點高、熱膨脹系數(shù)小等諸多優(yōu)點[2-3]，被廣泛應(yīng)用于應(yīng)力應(yīng)變元件、電加熱元件以及特種儀表電子元器件的制備[4].

目前，國內(nèi)外學(xué)者對Cr20Ni80電熱合金的制備、性能與改進做了大量的研究，如潘麗霞[5-6]等人發(fā)現(xiàn)固溶時效和添加稀土元素有利于細化Cr20Ni80合金晶粒度，提高Cr20Ni80合金的力學(xué)性能；T.Hupf[7]等人在研究線狀Cr20Ni80合金中，發(fā)現(xiàn)Cr20Ni80合金的性能與純元素的平均性能有很大的不同.在實際生產(chǎn)中，Cr20Ni80合金鍛造過程中易出現(xiàn)開裂現(xiàn)象，而針對此現(xiàn)象如何控制與改善的研究較少.

隨著計算機的發(fā)展，數(shù)值模擬已被廣泛應(yīng)用于材料裂紋成因分析的研究，如Takuda[8]等人通過分析比較，發(fā)現(xiàn)韌性斷裂準(zhǔn)則中的Brozzo準(zhǔn)則、CockcroR-Latham準(zhǔn)則和Oyane準(zhǔn)則可以較好的預(yù)測材料成形過程中的斷裂情況；梁曉宇[9]等人利用Deform數(shù)值模擬及其實驗找出影響12Cr鋼鍛造開裂的主要因素，并給出控制與改善裂紋擴展的條件和方法，提高了其綜合性能；劉革[10]等人分析了42CrMo鋼在鍛造過程中的損傷演化規(guī)律，通過模擬試驗，發(fā)現(xiàn)當(dāng)速率為0.3 s-1、溫度為1150 ℃時，大鍛件在鍛造過程中的塑性最好，適于高溫鍛造.

鑒于國內(nèi)外對Cr20Ni80合金的研究現(xiàn)狀，本文利用Deform軟件對合金的鍛造過程進行模擬，并對鍛造過程中的應(yīng)力、應(yīng)變等進行分析，找出鍛造過程中產(chǎn)生微裂紋的影響因素，進而在實際生產(chǎn)中通過控制這些因素來提高鍛件的質(zhì)量，為今后對Cr20Ni80材料的研究發(fā)展奠定基礎(chǔ).

1 Cr20Ni80合金模型的建立

為了使鍛造過程的模擬更準(zhǔn)確以及縮短模擬時間，將原材料的模擬形狀和尺寸進行簡化，經(jīng)綜合考慮，本次模擬選取高50 mm、底面直徑225 mm的圓柱體作為模擬對象.將一個高1440 mm、底面直徑225 mm圓柱體形狀的Cr20Ni80合金毛坯，鍛造成底面為正方形(邊長為50 mm)的長方體棒材.用Deform軟件建立Cr20Ni80合金的初鍛模型，其鍛造前的形狀如圖1(a)所示.坯料設(shè)置為塑性體，上、下模具均設(shè)為剛體[11].上下模都導(dǎo)入后的示意圖如圖1(b)所示.鍛造前在坯料上選取3個點P1，P2，P3，如圖1(c)所示.鍛造后3個點P1，P2，P3位置的示意圖，如圖1 (d)所示.利用軟件變形體上點坐標(biāo)追蹤功能提取3個點的整個變形過程的狀態(tài)量.

圖1 鍛造前后樣品的示意圖(a) 鍛造前形狀；(b)上下模導(dǎo)入后的狀態(tài)；(c)坯料上選取3個點；(d)鍛造后樣品的3個點Fig.1 Schematic diagram of samples before and after forging (a)the shape before forging；(b) the shape of the upper and lower die introduced；(c)the 3 points on the blank；(d) three points after forging.

2 Cr20Ni80合金在鍛造過程中的應(yīng)力分布分析

Cr20Ni80合金的鍛造溫度一般為800～1200 ℃.在Cr20Ni80合金鍛造過程中，會出現(xiàn)部分位置的應(yīng)力大于Cr20Ni80合金抗拉強度650 MPa的情況，而導(dǎo)致微裂紋的產(chǎn)生.現(xiàn)將模擬過程中應(yīng)力大于抗拉強度的步驟列出來，如圖2所示.它們分別是鍛造模擬過程中第195步、225步、255步和320步的示意圖.

圖2 等效應(yīng)力大于抗拉強度的步驟示意圖Fig.2 Schematic diagram of the equivalent stress greater than the tensile strength

隨著時間延長，Cr20Ni80合金的溫度逐漸降低，鍛造應(yīng)力逐漸增大.從圖2看出，應(yīng)力大于抗拉強度的步驟，都出現(xiàn)在模擬的后階段，因此可得出這種情況與溫度下降有很大的關(guān)系.為了更清楚地說明溫度變化對鍛造應(yīng)力的影響，現(xiàn)將坯料的溫度設(shè)置為恒定的，即用等溫變形代替非等溫變形，選擇Cr20Ni80合金鍛造溫度范圍的最低溫度800 ℃和最高溫度1200 ℃分別進行等溫變形的模擬分析[12-13].

3 Cr20Ni80合金的等溫變形分析

3.1 等效應(yīng)力分布

圖3分別是800 ℃等溫鍛造時第30步、120步、210步和270步材料的等效應(yīng)力分布圖，其中左邊是等效應(yīng)力分布圖，右邊是對應(yīng)等效應(yīng)力的等高線分布圖.從圖3可看出，在800 ℃下等溫鍛造時，材料所受的等效應(yīng)力較大，并且大面積范圍的應(yīng)力都超過了Cr20Ni80材料的抗拉強度650 MPa.因此，在800 ℃下鍛造容易出現(xiàn)應(yīng)力集中而導(dǎo)致坯料大面積的變形、開裂.

圖4分別是1200 ℃等溫鍛造時第30步、120步、210步和270步材料的等效應(yīng)力分布圖，其中左邊是等效應(yīng)力分布圖，右邊是對應(yīng)等效應(yīng)力的等高線分布圖.從圖4可看出，在1200 ℃下等溫鍛造時，材料所受的等效應(yīng)力比較小，并且整個模擬過程中材料所受的應(yīng)力都小于材料的抗拉強度650 MPa.因此，在1200 ℃下進行鍛造不會出現(xiàn)因應(yīng)力過大而導(dǎo)致開裂的情況.

圖3 800 ℃等溫鍛造時合金的等效應(yīng)力分布圖Fig.3 Equivalent stress distribution of alloy under the condition of 800 ℃ isothermal forging

圖4 1200℃等溫鍛造時合金的等效應(yīng)力分布圖Fig.4 Equivalent stress distribution of alloy under the condition of 1200 ℃ isothermal forging

3.2 載荷/行程曲線分析

圖5為Cr20Ni80合金在800，1200 ℃的載荷/行程曲線.由圖5(a)、5(b)可知，材料在800 ℃等溫條件下載荷/行程曲線的z軸受力為107數(shù)量級.說明材料在溫度比較低時，容易出現(xiàn)變形抗力比較大的情況，所需的載荷也比較大，這樣便會導(dǎo)致應(yīng)力集中而出現(xiàn)裂紋.由圖5(c)、5(d)可知，在1200 ℃條件下鍛造所受的最大載荷較低.因此，Cr20Ni80合金在較高的溫度下鍛造所受的載荷較低，材料的變形抗力較小，不會因應(yīng)力集中而出現(xiàn)裂紋.

3.3 點跡追蹤分析

在800 ℃等溫鍛造過程中，選擇3個點進行受力追蹤分析，得到3個點的應(yīng)力示意圖，如圖6(a)、6(b)所示.從圖6(a)、6(b)可看出，在800 ℃下材料所受的應(yīng)力較大，并且大部分的步驟都超過了材料的抗拉強度650 MPa.因此，在800 ℃下進行鍛造會使材料嚴(yán)重變形和開裂，甚至損壞鍛件.在1200 ℃等溫鍛造過程中，選擇3個點進行受力追蹤分析，得到3個點的應(yīng)力示意圖，如圖6(c)、6(d)所示.從圖6(c)、6(d)可看出，在1200 ℃條件下材料所受的應(yīng)力較小，并且遠低于Cr20Ni8合金的抗拉強度650 MPa，比800 ℃等溫變形和非等溫變形模擬過程中所受的應(yīng)力小很多，因此在1200 ℃下進行鍛造是不會出現(xiàn)裂紋的.Cr20Ni80合金在800 ℃條件下鍛造所受的應(yīng)力較大，在這個溫度或是更低溫度下進行鍛造會使材料變形甚至開裂.因此，Cr20Ni80材料應(yīng)在高于800 ℃的溫度下進行鍛造，才能得到高質(zhì)量的鍛件.

圖5 在800 ℃和1200 ℃等溫鍛造時合金的載荷/行程曲線Fig.5 Load vs displacement curve of alloy isothermal forging at 800 ℃ and 1200 ℃

圖6 在800 ℃和1200 ℃下材料鍛造的應(yīng)力分布圖Fig. 6 Stress distribution diagram of material forging at 800 ℃ and 1200 ℃

4 Cr20Ni80合金鍛造條件的分析

4.1 Cr20Ni80合金的最佳鍛造溫度

采用Steam hammer-1000 lb(能量10304000 N·mm，落錘效率0.85，落錘質(zhì)量0.4532 N·s2/mm)，分別在850，880，890，900，910，920 ℃對合金材料進行鍛造，其第2步、7步的等效應(yīng)力分布如圖7所示.

圖7 不同溫度下鍛造第2步、7步的等效應(yīng)力分布圖Fig.7 Distribution of equivalent stress of forging under different temperatures

從圖7可看出，材料在不同溫度下鍛造所產(chǎn)生的應(yīng)力并不相同，隨著溫度的升高，坯料所受的應(yīng)力逐漸減小.圖7顯示，材料在910 ℃鍛造時產(chǎn)生的應(yīng)力值和抗拉強度非常接近，而在920 ℃時受到的應(yīng)力低于抗拉強度.材料在910 ℃以上進行鍛造可以使材料所受的應(yīng)力較小，并且與Cr20Ni80合金的抗拉強度650 MPa值非常接近.因此，在高于910 ℃溫度下鍛造可避免裂紋的產(chǎn)生，得到高質(zhì)量的鍛件.

4.2 鍛錘的能量分析

選擇Deform軟件中自帶的Steam hammer-1000 lb，Steam hammer-6250 lb，Steam hammer-10000 lb這三種蒸汽錘分別在溫度為900，910，920 ℃時對合金材料進行鍛造，其第6步的應(yīng)力分布如圖8～10所示.

圖8 900 ℃時不同鍛錘鍛造第6步的應(yīng)力分布圖 (a)Steam hammer-1000 lb; (b)Steam hammer-6250 lb; (c)Steam hammer-10000 lbFig.8 Different hammer forging force at 900 ℃

圖9 910 ℃時不同蒸汽錘鍛造第6步的應(yīng)力分布圖(a)Steam hammer-1000 lb；(b)Steam hammer-6250 lb；(c)Steam hammer-10000 lbFig. 9 Different hammer forging force at 910 ℃

圖10 920 ℃時不同蒸汽錘鍛造第6步的應(yīng)力分布圖(a)Steam hammer-1000 lb；(b)Steam hammer-6250 lb；(c)Steam hammer-10000 lbFig.10 Different hammer forging force at 920 ℃

從圖8～10可看出，蒸汽錘能量不同時鍛造所產(chǎn)生的應(yīng)力也是不相同的，但是最大應(yīng)力值與所用蒸汽錘的能量大小并沒有呈規(guī)律的變化，說明應(yīng)力的大小與鍛造能量的大小沒有太大的關(guān)系.從圖8可看出，在900 ℃鍛造時應(yīng)力值都高于Cr20Ni80合金的抗拉強度650 MPa.從圖9可看出，在910 ℃鍛造時，其最大應(yīng)力值與Cr20Ni80合金的抗拉強度650 MPa很接近.從圖10可看出，在920 ℃鍛造時，其最大應(yīng)力值都遠低于Cr20Ni80合金的抗拉強度650 MPa.這說明在鍛造Cr20Ni80合金時為了避免微裂紋的產(chǎn)生，合金的鍛造溫度應(yīng)為910～1200 ℃.

從圖8～10可得出，鍛造能量與微裂紋的產(chǎn)生沒有直接的關(guān)系.雖然模擬結(jié)果中沒有體現(xiàn)變形量與應(yīng)力之間的關(guān)系，但是從理論上應(yīng)力的大小和變形量的大小是有關(guān)系的，材料鍛造時抵抗變形的應(yīng)力值隨著變形量的增大而增大.當(dāng)變形量過大時，容易出現(xiàn)應(yīng)力集中，甚至產(chǎn)生裂紋[14].因此，在鍛造過程中應(yīng)注意控制變形量的大小，否則會因為變形量過大而使鍛件的表面出現(xiàn)微裂紋.

5 結(jié) 論

Cr20Ni80合金在鍛造過程中，隨著時間的推移，溫度逐漸降低，鍛造應(yīng)力逐漸增大，會出現(xiàn)應(yīng)力大于抗拉強度650 MPa，從而導(dǎo)致微裂紋的產(chǎn)生.Cr20Ni80合金在800 ℃等溫條件下鍛造時，其應(yīng)力最大值大于Cr20Ni80合金的抗拉強度650 MPa，會出現(xiàn)微裂紋；在1200 ℃等溫條件下鍛造時，其應(yīng)力最大值遠低于其拉強度650 MPa，可以得到高質(zhì)量鍛件.為了避免微裂紋的產(chǎn)生，其鍛造溫度應(yīng)該為910～1200 ℃.

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