熱芯大壓下軋制過(guò)程對(duì)某軸承鋼變形滲透性影響分析案例目錄TOC\o"1-3"\h\u13490熱芯大壓下軋制過(guò)程對(duì)某軸承鋼變形滲透性影響分析案例 122341.1熱加工過(guò)程變形滲透性評(píng)價(jià)方法 14261.2軋制過(guò)程的有限元建模 4237941.3工藝參數(shù)對(duì)變形滲透性的影響分析 5187511.3.1壓下量對(duì)變形滲透性影響分析 5226831.3.2溫度場(chǎng)對(duì)變形滲透性影響分析 7在完成了連鑄坯連鑄過(guò)程模擬后，得到了需要的溫度場(chǎng)。在此及基礎(chǔ)上完成進(jìn)一步的軋制過(guò)程。想要分析材料的均勻性，可以通過(guò)觀察材料變形后的微觀組織分析，也可以根據(jù)材料的變形滲透性的大小進(jìn)行分析，這里采用的是利用材料的變形滲透性來(lái)代替均勻性進(jìn)行分析。分析材料變形滲透性高低需要用到STB模型，最后根據(jù)結(jié)果，判斷在熱芯大壓下軋制過(guò)程中坯料均勻性變化的規(guī)律。1.1熱加工過(guò)程變形滲透性評(píng)價(jià)方法本文探究的時(shí)不同芯部溫度和不同壓下量對(duì)厚度變形方向均勻性的影響，為此，需要DEFORM軟件上完成了如下軋制規(guī)程如表1.1所示的12組實(shí)驗(yàn)的建模過(guò)程后，利用計(jì)算機(jī)軟件對(duì)模型進(jìn)行數(shù)值計(jì)算模擬，完成后可以在后處理界面可以看到每一分析步的溫度、應(yīng)力應(yīng)變、等效應(yīng)力的相對(duì)大小，以及整體的分布情況。但是如何具體判斷這些參數(shù)對(duì)材料變形滲透性的影響還未可知。故需要建立一套完整的軋制過(guò)程變形滲透性評(píng)價(jià)體系，對(duì)模擬所得結(jié)果進(jìn)行分析，最終判斷不同條件參數(shù)軋制情況對(duì)材料的均勻性的影響規(guī)律。表1.1軋制規(guī)程表組數(shù)材料芯部溫度(℃)壓下量(%)1Gcr15軸承鋼95072Gcr15軸承鋼950143Gcr15軸承鋼950214Gcr15軸承鋼950285Gcr15軸承鋼115076Gcr15軸承鋼1150147Gcr15軸承鋼1150218Gcr15軸承鋼1150289Gcr15軸承鋼1350710Gcr15軸承鋼13501411Gcr15軸承鋼13502112Gcr15軸承鋼135028基于有限元數(shù)值模擬技術(shù)，對(duì)連鑄坯熱芯大壓下軋制過(guò)程變形滲透性進(jìn)行了系統(tǒng)的總結(jié)。隨著研究工作的不斷深入，逐步建立了科學(xué)合理的軋制過(guò)程變形滲透性評(píng)價(jià)體系。軋制過(guò)程變形滲透性評(píng)價(jià)體系從的等效應(yīng)變?cè)u(píng)價(jià)體系變?yōu)轭A(yù)制孔洞-孔洞壓合評(píng)價(jià)體系，以及現(xiàn)階段采用的孔隙殘余率模型-孔洞壓合理論判據(jù)。等效應(yīng)變?cè)u(píng)價(jià)體系在判斷材料最后的變形滲透性時(shí)考慮的因素過(guò)于單一。只考慮了從芯部到表面的等效應(yīng)變情況，最后比較結(jié)果不準(zhǔn)確。預(yù)置孔洞-孔洞壓合評(píng)價(jià)體系通過(guò)判斷最后預(yù)制孔洞的體積殘余率來(lái)判斷材料的變形滲透性。其主要受到三個(gè)因素的影響，包括靜水壓力、等效應(yīng)力和等效應(yīng)變。在最后結(jié)果的準(zhǔn)確率上與前一種方法相比有所提高。圖1.1孔洞壓合評(píng)價(jià)體系示意圖孔隙殘余率模型-孔洞壓合理論判據(jù)評(píng)價(jià)，即在材料的芯部設(shè)置孔動(dòng)，并對(duì)其進(jìn)行網(wǎng)格劃分，最后通過(guò)判斷孔洞的大小和網(wǎng)格的變形情況來(lái)判斷材料的變形滲透性。但是這種方法在網(wǎng)格劃分時(shí)需要將細(xì)化網(wǎng)格，否者容易產(chǎn)生網(wǎng)格畸變導(dǎo)致最終結(jié)果無(wú)參考價(jià)值；當(dāng)細(xì)化網(wǎng)格后，計(jì)算量較大，計(jì)算時(shí)間長(zhǎng)，較為復(fù)雜。利用靜水壓力積分Q來(lái)判斷變形滲透性：Q=0ε式中參數(shù)Q是應(yīng)力三軸比TX本文采用的利用宏觀方法來(lái)判斷，使用的是孔隙壓合判據(jù)評(píng)價(jià)體系。目前主流的孔洞壓合判據(jù)為：?VV0=f(T式中：TX以此判據(jù)為基礎(chǔ)，由于引用參數(shù)條件不同，衍生出了幾種不同的模型，分別有：Tanaka模型、STB模型、Zhang模型等。本文采用了STB模型[34]作為判據(jù)對(duì)材料的變形滲透性進(jìn)行分析。它是基于線性應(yīng)力三軸度的模型，將力學(xué)參數(shù)與空隙體積聯(lián)系起來(lái)。STB模型的公式如下：?VV0=K即假設(shè)在每個(gè)增量步驟中孔隙體積分?jǐn)?shù)的變化與應(yīng)力三軸比和增量應(yīng)變的乘積成正比。在該式中，比例系數(shù)Kc通過(guò)有限元模擬的線性回歸來(lái)確定。在本文中取Kc=5，該值提供了圓柱形坯料壓縮過(guò)程中單個(gè)球形孔隙體積演變的第一近似值[35]0ε?V使用Kakimoto[36]等人提出的完全閉合的Q=0.21值，預(yù)測(cè)的體積減小可以計(jì)算為：1+?VV此時(shí)減少的體積與原體積相等，故最終空隙體積即孔隙殘余率等于0時(shí)，孔隙被完全封閉。符合所說(shuō)的標(biāo)準(zhǔn)。在本文中，采用方式預(yù)置孔動(dòng)，孔隙為圓柱形（或圓形），被放置咋在材料的中心處，利用其體積的變化來(lái)判斷不同條件對(duì)材料變形滲透性的影響。若體積變化較大，則變形滲透性較好，反之，則變形滲透性較差。1.2軋制過(guò)程的有限元建模對(duì)此軋制過(guò)程在DEFORM軟件上進(jìn)行模擬，其過(guò)程分別有：（1）幾何模型建立：軋制時(shí)選擇的方坯為在經(jīng)過(guò)里上文中連鑄過(guò)程模擬的GCr15軸承鋼并根據(jù)材料的成分和工藝條件按選擇合適的本構(gòu)模型及相關(guān)參數(shù)或公式；軋輥為中空?qǐng)A柱，外直徑為750mm，內(nèi)直徑為200mm，給予軋件一個(gè)初速度以便于軋件與軋輥咬合，故需要設(shè)置一個(gè)推板，給與極小速度，其大小為100mm×100mm×10mm。圖1.2幾何模型定義以及本構(gòu)模型參數(shù)設(shè)定（2）網(wǎng)格劃分；圖1.3網(wǎng)格劃分（4）設(shè)置軋件工藝參數(shù)——由于鑄坯在連鑄設(shè)備上的拉坯速度為0.9m/min，鑄坯在連鑄過(guò)程種運(yùn)動(dòng)的速度大小即為拉坯速度大小，故設(shè)置軋輥速度為0.9m/min、推板速度（使軋件和軋輥有初始接觸）、設(shè)定壓下量（分別為6.7%、13.5%、20%、26.7%）；（5）熱交換設(shè)置：在軋制時(shí)，軋件與外部空氣之間有熱交換圖1.4設(shè)置熱交換（6）對(duì)象間關(guān)系設(shè)定，例如摩擦，在軋制過(guò)程中，摩擦為剪切摩擦，且數(shù)值隨溫度的變化而變化[37]，軋件與軋輥之間的導(dǎo)熱系數(shù)設(shè)置為5.8；設(shè)定分析步數(shù)及模擬速度控制。圖1.5對(duì)象間關(guān)系設(shè)定1.3工藝參數(shù)對(duì)變形滲透性的影響分析1.3.1壓下量對(duì)變形滲透性影響分析對(duì)于壓下率對(duì)鑄坯厚度方向變形的影響，主要研究在相同溫度場(chǎng)1150℃時(shí)，討論不同的壓下率下厚度方向變形的情況。分別在有限元軟件上模擬了壓下量為7%、14%、21%、28%這四種條件下的軋制過(guò)程。下圖為在不同壓下量條件下的等效應(yīng)變?cè)茍D1.6和芯部一點(diǎn)全過(guò)程等效應(yīng)變曲線圖1.7。（a）（b）（c）（d）圖1.6溫度1150℃時(shí)不同壓下率等效應(yīng)變?cè)茍D（a）壓下率7%；（b）壓下率14%；（c）壓下率21%；（d）壓下率28%；圖1.7芯部一點(diǎn)在不同壓下等效應(yīng)變圖根據(jù)云圖，可以明顯看出壓下量越大，芯部的等效應(yīng)變?cè)酱?，曲線圖也滿足以上規(guī)律。根據(jù)等效應(yīng)變?cè)u(píng)價(jià)，可以得這一結(jié)論，但是，其結(jié)果由于只考慮了這一因素，可能得出的結(jié)論有誤差，還是需要對(duì)結(jié)果進(jìn)行定量分析。通過(guò)靜水壓力積分對(duì)這四個(gè)工藝流程結(jié)果進(jìn)行計(jì)算，下圖1.8是不同壓下量情況下等效應(yīng)變?cè)隽颗c應(yīng)力三軸度曲線圖。（a）（b）（c）圖1.8不同壓下量不同參數(shù)曲線圖（a）等效應(yīng)變?cè)隽?；（b）應(yīng)力三軸度；（c）應(yīng)力三軸度與等效應(yīng)變由圖可知：隨著壓下率的增加，等效應(yīng)變的增量增加，其增量集中在某一時(shí)間段，且變化趨勢(shì)較大。在等效應(yīng)變不為零的時(shí)間段，應(yīng)力三軸度也跟著增加。由于最后Q值為兩者乘積之和，那最后可以定性判斷出隨著壓下率的增加，Q值變大。定量分析不同工藝之間的壓合效果如下：壓下量為7%時(shí)：Q7%=0.0516；壓下量為14%時(shí)：壓下量為21%時(shí)：Q21%=0.3375；壓下量為28%時(shí)：可以看出在壓下量不同時(shí)，隨著壓下量的提高，Q值變大，則變形滲透性提高，壓下量越大，壓合效果越好，但是否完全壓合無(wú)法判斷。僅僅通過(guò)靜水壓力的積分Q不能直觀清晰的分析壓合的最終效果。故最后用STB模型來(lái)描述壓合效果。將上述Q值帶入式(1.4)、(1.5)可以得到：壓下量為7%時(shí)：孔隙殘余率為0.712；壓下量為14%時(shí)：孔隙殘余率為0.1815；壓下量為21%時(shí)：孔隙殘余率為-0.6875；壓下量為28%時(shí)：孔隙殘余率為-1.973。通過(guò)計(jì)算孔隙殘余率，可以看出，壓下量越大，殘余率越小，直到值為負(fù)值。當(dāng)剛好完全壓合時(shí)，其壓下率應(yīng)該在14%到21%之間。當(dāng)殘余率為負(fù)值時(shí)，壓合也已經(jīng)完全完成，應(yīng)當(dāng)比較Q值得大小，Q值越大，壓合效果越好。那么可以看出：當(dāng)溫度一定時(shí)，壓下率越大，壓合效果越好，變形滲透性越好，厚度方向上的均勻性也越好。1.3.2溫度場(chǎng)對(duì)變形滲透性影響分析對(duì)于溫度場(chǎng)對(duì)軸承鋼變形均勻性的影響，主要研究在相同壓下不同的初始溫度場(chǎng)下厚度方向變形的情況。在圖3.11中溫度為1350℃、1150℃、950℃位置將軋件進(jìn)行壓下，選擇的壓下率為14%。在有限元軟件上模擬這三種條件下的軋制過(guò)程。下圖為在不同芯部溫度條件下的等效應(yīng)變?cè)茍D1.9和芯部一點(diǎn)全過(guò)程等效應(yīng)變曲線圖1.10。（a）（b）（c）圖1.9壓下率為14%時(shí)不同溫度場(chǎng)等效應(yīng)變?cè)茍D（a）芯部溫度950℃（b）芯部溫度1150℃（c）芯部溫度1350℃根據(jù)云圖，可以看出溫度越大，芯部的等效應(yīng)變?cè)酱?，其變形的均勻性也理有提高，但在溫度?150℃和溫度在1350℃部分變形情況不明顯。曲線圖也滿足以上規(guī)律。根據(jù)等效應(yīng)變?cè)u(píng)價(jià)，可以得這一結(jié)論，但是，其結(jié)果由于只考慮了這一因素，可能得出的結(jié)論有誤差，還是需要對(duì)結(jié)果進(jìn)行定量分析。圖1.10不同芯部溫度等效應(yīng)變圖通過(guò)靜水壓力積分對(duì)這三個(gè)工藝流程結(jié)果進(jìn)行計(jì)算，下圖1.11是不同溫度場(chǎng)情況下等效應(yīng)變?cè)隽颗c應(yīng)力三軸度曲線圖。（a）（b）（c）圖1.11不同壓下量不同參數(shù)曲線圖（a）等效應(yīng)變?cè)隽?；（b）應(yīng)力三軸度；（c）應(yīng)力三軸度與等效應(yīng)變由圖可知：隨著溫度場(chǎng)的增加，等效應(yīng)變的增量增加，在等效應(yīng)變不為零的時(shí)間段，應(yīng)力三軸度也跟著增加。由于最后Q值為兩者乘積之和，那最后可以定性判斷出隨著芯部溫度的增加，Q值變大。定量分析不同工藝之間的壓合效果如下：芯部溫度為950℃時(shí)：Q950℃芯部溫度為1150℃時(shí)：Q1150℃芯部溫度為1350℃時(shí)：Q1350℃可以看出隨著溫度場(chǎng)的升高，Q值變大，則變形滲透性提高，溫度場(chǎng)越高，壓合效果越好，但是否完全壓合無(wú)法判斷。僅僅通過(guò)靜水壓力的積分Q不能直觀清晰的分析壓合的最終效果。故最后用STB模型來(lái)描述壓合效果。將上述Q值帶入式(1.4)、(1.5)可以得到：