锻造过程中孔洞缺陷的闭合过程模拟分析

王建军，郝素兰，潘　露，吴永强

(1.安徽机电职业技术学院 机械工程系，安徽 芜湖　241002；　2.太原科技大学 材料工程学院，山西 太原　030024)



锻造过程中孔洞缺陷的闭合过程模拟分析

王建军1，郝素兰1，潘露1，吴永强2

(1.安徽机电职业技术学院 机械工程系，安徽 芜湖241002；2.太原科技大学 材料工程学院，山西 太原030024)

摘要：首先对锻造过程中孔洞闭合的演化方式进行研究，找出缺陷闭合的条件，采用Deform-2D数值模拟的方法进行模拟分析，得到所建立的模型内部缺陷闭合的规律，为消除孔洞缺陷提供理论依据。

关键词：锻造；镦粗；孔洞缺陷闭合；Deform-2D

在金属材料制品的内部，都或多或少存在着各种各样的缺陷，比如孔洞和疏松。带有孔洞缺陷的金属材料在塑性成形过程中，当施加的外载荷达到一定程度时，由于受到应力应变场，在有孔洞缺陷的晶界处会因为位错塞积或孔洞缺陷本身的分裂形成微观的孔洞，这些孔洞会随着外载荷的增大而长大、聚集，最终会形成裂纹，而且裂纹还可能和主裂纹连接使裂纹扩展，从而导致金属件的破坏。

一孔洞缺陷的形成和闭合

孔洞缺陷的产生是由于在炼钢过程中钢水中有空气的溶入，当温度降低时钢水中的气体溶解度也随之下降，当温度下降到一定程度分离出来的气体会析出形成孔洞缺陷，所以制定合理锻造工艺的目的就是消除大钢锭内部存在的孔洞等缺陷，使钢锭内部组织致密。钢锭内部存在的孔洞缺陷使金属的连续性破坏了，孔洞缺陷的邻域存在大量应力应变集中的显著现象，这样的大型锻件在使用过程中孔洞缺陷易演化成裂纹，发展下去的话则会使工件报废，造成生产的停滞和经济的损失。这些孔洞可能通过高温下形变使细观组织发生再结晶变化和原子扩散而闭合以便得到产品性能优良的工件。大型锻件内部疏松型缺陷在镦粗过程中闭合是指在塑性变形过程中疏松压实锻合即形成物理型接触。本文通过研究疏松缺陷闭合规律首先对锻造过程中疏松闭合的演化方式进行研究，得出疏松缺陷闭合的主要影响因素，为合理制定大型锻件内部疏松闭合的锻压工艺提供依据。

二消除孔洞缺陷模拟方案的建立

图1　加载方案Fig.1　The way of Loading

为在锻造过程中消除工件内部的孔洞缺陷，采用图1的加载方案，采用Deform-2D软件进行有限元数值模拟分析，研究在不同外界环境下孔洞缺陷闭合的规律，分析各种因素对孔洞闭合的影响，为制定最佳的锻造工艺提供依据。在有限元分析软件Deform-2D中建立60mm×60mm的平面镦粗模型，材料为2.25Cr-1Mo-0.25V，摩擦系数为0.25，热交换系数为1.8，代表性特征体积元(RVE)的尺寸为1mm×1mm，根据代表性特征体积元(RVE)中疏松缺陷大小的情况，将代表性特征体积元(RVE)中孔洞缺陷的直径与代表性特征体积元(RVE)边长(1mm)的比作为参照依据，所以孔洞单元直径分别取0.2mm、0.1mm和0.05mm，在模型中心O点，温度为900℃至1200℃，应变速率选取分别为0.007、0.2和1。

三孔洞缺陷闭合过程和规律模拟结果

1．温度的影响。

图2　温度因素在不同应变速率下对压下量的影响Fig.2　The temperature influence factors at different strain rate

采用Deform-2D软件的有限元数值模拟计算进行分析得出图2，纵坐标压下量为临界相对压下量，a、b、c图的应变速率和孔洞单元直径分别为0.007、0.2、1和0.2mm、0.1mm、0.05mm。可以看出温度对对孔洞缺陷的焊合有着明显的影响，温度越高，束缚原子运动的能量越小，在材料中扩散迁移的原子数量会增多，孔洞缺陷能够紧密接触的自由面也会相对较多，这种情况下金属材料容易扩散和再结晶，孔洞缺陷闭合所需的时间就会减少。

2．孔洞缺陷尺寸的影响。

图3　孔洞缺陷直径因素影响(单位：mm)Fig.3　The effect factors of the diameter of the void closure

如图3中a、b、c图的应变速率和温度分别为0.007、0.2、1和900℃、1100℃、1200℃时的锻件压下量变化。锻件内部孔洞缺陷直径与代表性特征体积元的边长比对大型锻件内部孔洞缺陷闭合临界压下量影响非常小，也就是孔洞缺陷的尺寸对闭合临界压下量的影响特别小。孔洞缺陷相对于工件来说尺寸非常小，它的影响范围只是微小范围。孔洞属于微观缺陷，只要施加足够大的三向压应力，这些缺陷都可以闭合。

3．应变速率的影响。

图4　应变速率因素影响Fig.4　The effect factors of the strain rate

经过大量Deform-2D软件的有限元数值模拟计算分析可知，对大型锻件内部孔洞的闭合影响很大的因素是应变速率，如图：

图4中a、b、c图的温度和孔洞直径分别为900℃、1100℃、1200℃和0.2mm、0.1mm、0.05mm，可见同一位置处所含孔洞缺陷闭合时所需临界闭合相对压下量随着应变速率的升高，孔洞缺陷闭合时所需要的压下量也升高。在进行宏细观模型模拟时所采用的材料为2.25Cr-1Mo-0.25V钢，应变速率都大于10-4，则变形体变形过程属于热变形行为。当变形体发生热变形行为时，材料的塑性增强，会同时产生应变硬化和软化两种处于相反状态的过程。在相同的温度下，流变应力会随着应变速率的增加而增大，也就是说当应变速率较高时，变形体内部所产生的变形抗力较高。

四结论

对锻件采用确定的加载方案，通过利用软件Deform-2D的模拟计算，得到温度、应变速率以及锻件孔洞缺陷尺寸对大型锻件内部孔洞闭合时临界压下量的影响。

(1)当温度为900℃至1200℃时，其它外界条件都一样，应变速率越大，则同一位置处所含孔洞缺陷闭合时需要的临界压下量越大。

(2)孔洞缺陷尺寸大小即锻件内部孔洞缺陷直径与代表性特征体积元的边长比值分别为1比5、1比10、1比20时，其它外界条件都一样，则同一位置处所含孔洞缺陷闭合时需要的临界压下量随着疏松缺陷尺寸减小而略有上升趋势。

(3)应变速率对锻件内部的孔洞缺陷闭合影响非常大，而且随着应变速率的升高，孔洞缺陷的闭合所需要的压下量也会升高。

参考文献

[1]俞汉青，陈金德．金属塑性成形原理[M]．北京：机械工业出版社,1999．

[2]李妍．大锻件镦粗成形中内部空洞型缺陷的演化规律研究[D]．上海交通大学，2009．

[3]夏立芳，张振信．金属中的扩散[M]．哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社，1989．

[4]吴永强．镦粗过程中孔洞压实的细观有限元分析[D]．太原科技大学，2011．

[5]Chunhui Luo.Evolution of voids close to an inclusion in hot deformation of metals [J].Computational Materials Science, 21(2001): 360-374.

Class No.:TG316.1Document Mark：A

(责任编辑：郑英玲)

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

中图分类号：TG316.1

文献标识码：A

文章编号：1672-6758(2015)12-0052-3

作者简介：王建军，硕士，讲师，安徽机电职业技术学院。