摩擦作用对铝合金热变形的影响研究

卜春阳，袁战伟，李 晶，何 凯

(1.金堆城钼业股份有限公司技术中心，陕西 西安 710077)(2.长安大学材料科学与工程学院，陕西 西安 710061)

0 引 言

金属材料的热加工是材料加工的重要方式，在成型过程中，变形温度、加载速率、变形程度等均有显著的影响[1，2]，合理的变形条件最终决定了材料成型的质量，材料热加工工艺是材料热成型的基础，一直以来也是材料研究热点[3-6]。此外，在变形过程中，摩擦作用对材料的变形也有着重要的影响，一方面影响变形过程中加载载荷，而另一方面也对成型质量有影响[7-9]。

对于摩擦作用对材料变形的影响，已有不少学者做了研究。李达人等[7]通过数值模拟方法确定了W-40%Cu粉末烧结材料在热加工数值模拟过程中的摩擦因子。邓华红等[8]通过数值模拟研究了叶片精锻过程中摩擦的作用，发现摩擦对温度场和载荷形成曲线均有较大影响。马勇等[9]采用有限元软件分析了不同摩擦条件对7075铝合金等通道角挤压过程的影响，发现随着摩擦因数增大，载荷峰值明显增大甚至成倍增长，且载荷值波动加剧，等效应力应变分布不均匀。本文结合Deform 3D有限元软件，研究了摩擦系数对2024铝合金的热模拟压缩过程的影响。

1 有限元模型

本研究根据实际热模拟压缩过程采用Deform 3D有限元软件建立模型，在模型中分别建立了上砧板、下砧板和试样几何模型，其中试样大小为φ10×15 mm，材料为2 024铝合金，试样上的网格采用四面体单元，单元数量为11 200，画网格后的模型如图1所示。在加载过程中，上砧向下加载，下砧固定不动，加载位移为9 mm。

图1 有限元分析模型

在实际热模拟压缩试验过程中，采用石墨片作为润滑剂置于两个砧子和试样之间以减少摩擦作用，然而由于摩擦作用的存在，坯料变形后不可避免出现鼓肚，因此有必要对摩擦的作用进行进一步研究。在本研究中，为了研究摩擦作用对热变形的影响，将摩擦系数f分别设为0.2、0.3、0.4和0.5，其他设置保持一致。

材料中的损伤用Deform 3D软件中所带的Cockcroft-Latham准则损伤参数进行表征，其表达式为[10]：

(1)

(2)

式中σ1，σ2，σ3三主应力。

2 结果与分析

2.1 模拟结果云图

整个模拟过程91步完成，下面以摩擦系数为0.2的模型结果为例，分别对第30、60和91步的结果进行分析。图2为模拟后不同压下量下的等效应力分布云图，整个变形过程中等效应力分布在66.8～83.0 MPa之间。从图2(a)可以发现，在第30步时，试样出现了一定程度的鼓肚，上下端面位置应力较大，心部最小，在试样鼓肚位置应力均匀分布。图2(b)中的应力分布和图2(a)中的分布相似，只是最小和最大应力值有所提高。在图2(c)中，试样中的最小等效应力分布在试样鼓肚位置，与图2(a)、(b)存在明显差别，端面处的等效应力有所提高，心部的应力分布相对较高。

图3为模拟后不同压下量下的等效应变分布云图，从图3(a)可以发现，在第30步时，上下端面位置应变较大，心部最小，在试样鼓肚位置应力均匀分布。图3(b)中的应变分布有所增加，其最小和最大应变值均有所提高。在图3(c)中，试样中应变分布与图3(b)相似，应变值进一步增加。

图2 不同分析步下的等效应力分布云图(a)第30步；(b)第60步；(c)第91步

图3 不同分析步下的等效应变分布云图(a)第30步；(b)第60步；(c)第91步

图4 不同分析步下的损伤分布云图(a)第30步；(b)第60步；(c)第91步

图5 不同摩擦作用下的结果(a)鼓肚；(b)等效应力；(c)等效应变；(d)损伤最大值

图4为不同压下量的Cockcroft-Latham损伤结果，对比3个不同压下量下结果可以发现，在试样鼓肚及附近位置出现明显损伤，特别是鼓肚位置的损伤值较大，而坯料上下端未见明显损伤。随着压下量的增加，鼓肚位置的损伤值不断增加。分析其原因，是由于在鼓肚位置由于没有约束，处于自由变形状态，在正的应力三轴度的作用下，此处的损伤将不断增加。当达到材料的临界损伤值时，试样中将出现明显的裂纹。

2.2 结果分析

通过后处理，将变形过程不同阶段下的鼓肚(试样上下端面直径平均值d1和中间鼓肚位置的最大直径d2之间的差值)、等效应力、等效应变及损伤结果进行分析，具体结果如图5所示。从图5(a)所示结果可以发现，随着加载的进行，不同摩擦作用下的鼓肚变化趋势基本一致，均是先增大后趋于平衡；而不同摩擦系数之间的差异在于，摩擦系数越高，所引起的鼓肚幅值也越大，分析原因，主要是鼓肚位置为径向自由变形，而由于摩擦作用的存在，使得坯料和砧板结合处材料径向流动受阻，摩擦作用越大，材料受阻越严重，与鼓肚位置材料流动差异也就越大，鼓肚就越明显。图5(b)中为试样中平均值变化，误差棒表示试样中的最大值和最小值，可以发现不同摩擦作用下，平均应力的变化不大，而摩擦作用越大，最大值和最小值之间的差异越大，试样中的应力均匀性相对降低。在图5(c)中，随着加载的进行，试样中的等效应变逐渐增加，等效应变最大值和最小值(误差棒中的最大值和最小值)的差异也逐渐增大，说明试样中应变均匀性也逐渐降低，且摩擦系数越大，应变均匀性越差。图5(d)中给出了基于Cockcroft-Latham准则的损伤最大值结果，随着变形的进行，试样中损伤最大值不断增加，且摩擦的作用影响非常明显，摩擦系数越大，损伤最大值越大。因此，从以上结果分析，可以发现，由于摩擦作用的存在，对材料变形、等效应力、等效应变及损伤均不同程度有影响，为了使得材料变形均匀及避免损伤，应当减少摩擦作用的影响。

3 结 论

为了分析摩擦作用对材料在热变形过程中的影响，本文结合Deform 3D有限元软件对其进行研究，分别设置摩擦系数f为0.2、0.3、0.4和0.5，对变形过程中的变形鼓度、应力、应变及Cockcroft-Latham损伤结果进行分析，发现随着加载压下量的增加，不同摩擦系数条件下试样中的鼓度、应力、应变和损伤值均逐渐升高；而随着摩擦系数的增加，所引起的鼓肚幅值也越大，应力和应变的最大值和最小值之间的差异越大，应力应变均匀性相对降低，且损伤最大值越大。