合金钢表面热锻开裂行为的物理模拟研究

郝鹏?金艳阳

摘 要：为解决大尺寸合金钢表面热锻开裂力学性能达不到要求，本文通过物理模拟方法和显微组织观察对数值模拟结果进行了验证，分析裙试样和圆柱试样在热压变形时的开裂倾向，并讨论裙状试样形状尺寸对其侧表面热变形开裂难易程度的影响。

关键词：计算机模拟;开裂;力学性能

近年来，大型锻件工艺塑性常用试验方法，如热拉伸、热扭转和热压缩等。实践表明在热变形工艺参数相同条件下，与圆柱试样相比裂纹更易于在裙状试样侧表面半高处产生。将适于冷变形开裂的损伤标准与热变形过程中的动态组织变化结合起来，可以较好地预测高合金钢表面热锻开裂行为。采用尺寸优化后的裙状试样能够更方便地模拟出高合金钢表面热锻开裂情况。

1.热变形时圆柱试样开裂模拟

将两种形状18Mnl8Cr0.5N钢试样在l000℃以O.1S-1分别压缩至真应变1.0（轴向压缩应变总量），发现圆柱试样侧表面没有出现开裂，而裙状试样的侧表面则有裂纹产生，且裂纹方向平行于压缩方向，其中横向条纹为机械加工刀痕），这与裙状试样冷变形时的开裂方式大体相同。由此可见，在热变形工艺参数相同条件下，裙状试样表面比圆柱试样表面更容易产生开裂。将上述热变形后的两种试样在其半高处垂直于变形轴线方向切开，该切面上靠近侧表面附近的显微组织（视场距表面约200谬m）。其中，照片左侧靠近试样侧表面，右侧则靠近试样内部。对于裙状试样，晶粒由于变形而被拉长，晶界多为锯齿状，个别位置还出现了细小的再结晶晶粒，而且微裂纹分布在晶界和三岔晶界上，表明裂纹优先萌生于晶界;对于圆柱试样，在变形晶粒的晶界附近出现了大量细小的再结晶晶粒，表明动态再结晶已经发生，但是在晶界上没有发现显微裂纹，这与数值模拟的结果符合很好。将数值模拟的损伤积累和材料的动态组织变化综合到一起考虑，就可以对热变形中的开裂情况进行定性预测。

2.热变形时圆柱试样开裂数值分析

用Defom.3D软件对上述两种试样的变形过程进行有限元分析，采用Normalized Cockcrofi & Latham损伤标准确定两种试样内的损伤度分布规律和等效应变分布规律，从结果可以看出，两种试样内部和端面的损伤值都比较低，损伤主要集中在试样侧表面半高处附近。圆柱试样的损伤值较小，仅局部最高达到0.2，而在裙状试样中最高则达到了0.3，并且分布区域较圆柱试样要大很多。从等效应变的分布情况来看，两种试样中，等效应变的最高值主要分布在试样心部和截面对角线端点区域，其次为试样侧面附近，而试样端面附近的等效应变都比较小。此外，在试样半高处的侧表面附近，裙状试样的等效应变较小，仅有0.3左右，而圆柱试样的则接近0.7。由此可见，在试样侧表面半高处，在给定的热变形条件下，裙状试样的损伤值要大于圆柱试样，即这些区域在变形过程中更容易发生微孔的形核以及长大。然而，热变形时当材料的变形量一旦超过某一临界值，就要发生动态再结晶，故在研究材料热变形开裂时应该而且必须将材料的动态组织变化考虑进去。在材料的变形速率差异不大的情况下，通常认为变形温度相同时，等效应变越大，材料越容易发生动态回复或动态再结晶。对于损伤值较高的裙状试样，其侧表面半高处等效应变却较圆柱试样更小。或者说，对于圆柱试样，该位置本身就不容易发生微孔的形核和长大，而动回复或动态再结晶却容易发生，导致大量塞积的位错被消耗，从而大大降低了试样表面应力集中的程度并抑制了裂纹的产生。因此，在热变形时，裙状试样较圆柱试样更容易开裂，而这恰恰是评估材料热加工工艺塑性好坏（即热锻开裂难易程度）所期望的。

3.实验结果及结论分析

在热拉伸试验中，试样发生缩颈后，缩颁心部在三向拉应力的作用下所产生的空洞会合并长大，最终导致材料断裂。对于热扭转试验，试样发生纯剪切变形且当剪切应变达到极限后发生断裂。显然，这两种试验试样无论在受力状态还是失效方式方面均与大型锻件的侧裂（在表面周向拉应力作用下产生）有很大差异。热压缩时，圆柱试样侧表面的应力状态以及变形方式与实际锻造过程尤其是镦粗过程最为接近。因此，热压缩试验更适合用来模拟大型锻件的侧表面开裂问题。

然而，圆柱状金属试样在热压缩时很难发生表面开裂，只有当两端摩擦力非常大，试样产生严重鼓凸时，其表面裂纹才能产生，或者说只有当圆柱试样变形量达到相当大以后才可能出现开裂，这对长径比通常在2以下的圆柱形压缩试样来讲，实现模拟开裂很不容易。裙状试样相当于使圆柱试样预先产生鼓凸，故变形时裙状试样的侧表面比圆柱试样的柱面更容易发生开裂。尽管用试验和数值模拟都证明，冷变形时裙状试样比圆柱试样更容易开裂，但在热变形时会涉及到动态回复、动态再结晶和析出等问题，此时裙状试样是否还更容易开裂，迄今还不十分清楚。本文模拟材料表面冷变形开裂的Normalized Cockcroft& Latham准则与材料动态组织变化相结合，用物理模拟和数值模拟对一种高氮铬锰奥氏体不锈钢热变形条件下的表面开裂问题进行系统研究，分析将采用裙试样进行热物理模拟作为一种热塑性评价方法的可行性，并对裙试样的尺寸进行优化，为高合金钢大型锻件的工艺塑性研究及热加工工艺的优化提供理论依据。大型锻件（尤其是高合金钢锻件）在热锻过程中很容易发生侧表面开裂，从而严重影响这类产品的生产成本和生产效率。由于大型锻件尺寸大、造价高且生产周期长，通过实物锻造来获得合适的锻造工艺往往很难实现。因此，如何利用物理模拟和数值模拟方法评估材料热变形过程中产生开裂的工艺条件和工艺塑性，对于提高大锻件特别是高合金钢大锻件生产效率和效益具有重要意义。

参考文献：

[1]王正则.炼油设备中的湿硫化氢腐蚀[J].炼油设计，2014

[2]柯伟.炼油工业中腐蚀研究的进展[J].石油化工腐蚀与防护，2013