1引言镦粗是自由锻最基本的工序,也是最典型的压缩变形过程,不仅一些锻件(如饼块锻件、空心 锻件)必需采用镦粗成形,而且在其他锻造工序(如拨长、冲孔等)中也都包含镦粗因素。因此镦 粗变形对实际锻造生产具有重要意义。在镦粗过程中金属的流动行为不仅影响金属的变形抗力而且 影响镦粗成品率,也会影响镦粗工艺和模具设计。同样钢中的夹杂物对镦粗过程有非常重要的影响 ,夹杂物存在于钢中的数量虽然不多,但对钢及其产品的质量却起着极大的作用。它作为独立相存 在于钢中的第二相,大大降低了材料的力学性能,破坏了钢基体的连续性、均一性,使应力集中, 裂纹的敏感性增大,严重影响镦粗变形<1>。目前有限元法已经广泛应用到金属塑性成形加工过 程的数值模拟之中。采用三维有限元数值模拟,可得到金属塑性变形过程的金属流动、应力应变、 温度分布等规律。但是,目前有限元方法在镦粗试验中关于金属和金属中夹杂物流动的问题,至今 不是很清楚。最典型的有限元应变分析结果认为,各个单元经过相似的变形而形成鼓肚形(见图1 和图2)。这就是说金属中的夹杂物的运动是相似的,但是从试验中得到的夹杂物流动情况却并非 如此。2关于镦粗时钢中夹杂物流动行为的有限元分析2.1有限元方法的基本思路有限元方法的 基本思路是将连续体离散化,用有限个容易分析的单元来表示复杂的对象,单元之间通过有限个节 点相互连接,然后以结点上的位移(或速度)作为未知量,利用最小能量原理,并解相应的方程组 确定此未知量,按结点位移(速度)与单元内的应变以及与单元内的应力之间的关系确定各单元的 应力和应变的分布。总之,有限元法的研究有两方面:第一是单元的研究;第二是单元集合体的研 究。根据假定的材料不同,应用于塑性加工的有限元分析方法可分为弹-塑性有限元法,刚-塑性 有限元法,粘-塑性有限元法。对金属镦粗问题的研究一般选用刚-塑性有限《热处理》2006年第21卷第1期?41?元法来分析。刚-塑性有限元法是1973年由小林史郎(ShiroKabayashi)和李(Lee.C.H)提出的。十几年来大量用于塑性加工问题的解析。刚 _塑性有限元法的步长可以取大些,而且计算每步的应力时不是靠应力叠加而得的;此法每步变形 增量仍然是很小的(镦粗时每步压下率为1%￣2%),下一步计算是在材料以前累加变形的几何 形状和硬化的基础上进行的,因此可用小变形计算法来处理塑性加工的大变形问题,并且计算模型 也比较简单,所以能用较短的时间计算较大的变形。其基础是刚_塑性材料的变分原理。2.2关 于金属镦粗过程的有限元分析由表面呈现鼓状变形(如图1所示)。下面是用刚_塑假设模具和圆 柱体都为轴对称,而且模具为刚性,并假定金属基体的连续性,用平砧镦粗时,随着高度的下降,金属向周围流动。镦粗后圆柱的自性有限元法分析其变形过程的结果。图1镦粗变形Fig.1Schematic drawing of upsetting首先对圆柱体在平砧间镦粗前和镦粗后进行有限网格划分,一般用矩形双线性等 参数单元来对变形体进行网格划分。由于模具和变形体的对称性,故只研究圆柱体的四分之一部分 ,其有限元网格的划分如图2所示。从此图可以看到整个镦粗过程的变形是极不均匀的。最典型的 有限元应变分析结果说明,各个单元经过相似的变形,形成鼓肚形,但是各个网格单元的变形程度 是不一样的。在圆柱体镦粗过程中,各个单元上的力和力矩通过节点传递给相邻单元,使各个单元 的形状和位移发生改变;而单元内的金属质点也将在这些结点上的力的作用下,从一个单元连续流 向另一个单元,大量单元运动和变形的结果导致整个变形体的形态发生改变。变形体内部的单元变 形情况可以从试样的等效应变图上看出,例如图3所示为原始高径比为2.33的圆柱形试样的右 上方1/4部分在压下量为50%时的等效应变分布图<2>图2圆柱变形体的初始网格图和变形网格图Fig.2First and deformed grid pattern for column图3压下量为50%时的等效应变分布图(原始高径比2.33)Fig.3 Equivalent effective strain diagram at reduction of 50%(height-to-diameter ratio of 2.33)从此图可以看出,圆柱体在两平板间镦粗时,圆柱体的内部变形极不均匀,刚性区的变形 很小,等效应变小于0.1,而心部的应变则达1.0。这种变形分布不均匀的现象主要是由于变 形体与模具接触面间的摩擦造成的。但是我们可以看到各个变形区内的等值线是连续分布的,并且 各个等值线没有交叉和重叠现象,从而可知有限元分析方法中的一系列单元格只是互相挤压或拉伸 变形,而不产生相邻单元的相对位置发生变化的现象,但是实际情况并非如此。3镦粗过程中金属 流动情况的试验研究本试验采用20MnSi钢圆柱形试样,原始高径比为20/8。在万能材料 试验机和Gleeble试验机上对其进行不同工艺规程的镦粗试验,其压下量为20%￣80% 。然后对镦粗的试样首先在砂轮上沿轴向打磨掉试样的1/3￣1/2部分,并对剩余部分进行打 磨、抛光,用3%硝酸酒精溶液对其进行腐蚀处理,在显微镜下观察其显微组织。3.1夹杂物的 流动变形?42?《热处理》2006年第21卷第1期我们沿圆柱体轴向(水平方向为轴向)观 察到的圆柱形试样的原始组织中长条状夹杂物和镦粗后夹杂物形态如图4和图5所示。图5两侧的 箭头方向为镦粗方向。用3%硝酸酒精溶液对其进行轻微的腐蚀处理。该图表示长条形夹杂物经过 镦粗变形后的形态变化。从图4我们可以看到,圆柱形试样原始组织中的夹杂物形状是长条形;而 在镦粗试验过程中,随着金属基体的变形和运动,试样中的夹杂物也发生运动,从而使原来的长条 状夹杂物的形态和分布发生变化。图(5a)是长条形夹杂物的两端在镦粗后变成了小块状;图( 5b)中箭头1表示长条形夹杂物的一端在镦粗后,由原来的水平方向经过流动变形变成竖直方向 ;图(5c)是在压下量为80%的情况下夹杂物的变形。从图中可以看到,在较大的压下量下, 长条形夹杂物发生了很大的流动变形,由原来水平方向变成了垂直方向。3.2金属基体的流动变 形情况图6和图7是圆柱形试样镦粗后的轴向显微组织。图6中的黑线是镦粗时产生的裂纹。我们 可以看到,在裂纹的两边金属基体的变形有非常大的差异,裂纹上方基体有很大变形,而裂纹下方 基体变形很小。而裂纹恰恰在两个变形区的分界线处产生。说明金属在镦粗过程中存在很大的变形 不均匀性,以及基体的流动不是连续的均匀流动。图7中的显微组织也显示出相似的情况。应该说 金属基体变形的同时,夹杂物也同样发生了流动和变形。对夹杂物的分析结果说明,在很多情况下 金属的流动和变形不像在有限元分析中得到的那样,相邻部分之间保持着相互连接状态,而是经过了非常复杂的流动变化过程。夹杂物的形态变化揭示出了基体金属流动变形的方式和途径。图4试样原始组织中长条状夹杂物的分布形态Fig.4Pattern of streaky inclusions in original structures ofspecimens图5圆柱形试样镦粗前后夹杂物的形态变化Fig.5 Patterns of inclusions in upsetted and unupsetted cylindrical specimens图6试样镦粗后显微组织Fig.6 Microstructure of upsetted specimen图7试样镦粗后显微组织Fig.6 Microstructure of upsetted specimen4结论《热处理》2006年第21卷第1期?43?(1)镦粗后试样的显微组 织中的长条状夹杂物的变形显然不能满足有限元的单元格运动方式,夹杂物折叠、分离、交错情况 非常普遍。(2)显微组织中的折叠状夹杂物的出现,说明单元格在运动过程中发生了重叠或交错 ,此现象不能用现今的有限元分析方法解释。(3)夹杂物的变形特征也代表了基体金属的变形情 况,对压缩变形过程的金属流动问题的有限元处理尚有待进一步完善。钢中夹杂物在镦粗过程中的运动行为@李莎$河北理工大学!河北唐山063009
@那顺桑$河北理工大学!河北唐山063009在镦粗变形中金属的流动行为不仅影响变形抗力的 大小,而且会影响变形工艺设计的准确性。目前,在钢的镦粗试验方法中,关于金属夹杂物流动问 题的有限元分析法尚不完善,本文提供了由试验得到的金属夹杂物流动行为的资料。试验证明,在 镦粗过程中金属的流动并不是有限元解出的变形单元的连续移动。夹杂物;;镦粗;;有限元<1 >杨桂荣,等.钢中非金属夹杂物的金相鉴定
.河北理工学院学报,1999(2):21-26.
<2>聂绍珉,等.圆柱体平板镦粗应力场的有限元分析.锻压技术,1997(5):3- 6.如图4和图5所示。图5两侧的箭头方向为镦粗方向。用3%硝酸酒精溶液对其进行轻微的腐 蚀处理。该图表示长条形夹杂物经过镦粗变形后的形态变化。从图4我们可以看到,圆柱形试样原 始组织中的夹杂物形状是长条形;而在镦粗试验过程中,随着金属基体的变形和运动,试样中的夹 杂物也发生运动,从而使原来的长条状夹杂物的形态和分布发生变化。图(5a)是长条形夹杂物 的两端在镦粗后变成了小块状;图(5b)中箭头1表示长条形夹杂物的一端在镦粗后,由原来的 水平方向经过流动变形变成竖直方向;图(5c)是在压下量为80%的情况下夹杂物的变形。从 图中可以看到,在较大的压下量下,长条形夹杂物发生了很大的流动变形,由原来水平方向变成了 垂直方向。3.2金属基体的流动变形情况图6和图7是圆柱形试样镦粗后的轴向显微组织。图6中的黑线是镦粗时产生的裂纹。我们可以看到,在裂纹的两边金属基体的变形有非常大的差异,裂
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