材料特性对锆合金带材冲压成形影响的数值模拟研究

2020-10-27李烨琪刘劲松邓偲瀛宋鸿武张士宏杨志刚

沈阳理工大学学报 2020年3期

李烨琪，刘劲松，邓偲瀛，宋鸿武，张士宏，杨志刚

(1.沈阳理工大学材料科学与工程学院，沈阳 110159；2.中国科学院金属研究所，沈阳 110016；3.中国科学技术大学材料科学与工程学院，合肥 230026；4.沈阳铸造研究所有限公司(南区)，沈阳 110141)

锆合金以较低的热中子吸收截面、优异的耐腐蚀性以及良好的综合性能，被广泛应用于核反应堆包壳材料和结构材料[1]。锆合金典型成分为大于95%的锆和不足2%的锡、铌、铁、铬、镍和其他金属，其中Zr-4合金是锆合金中最常用的，其成形及性能上国内外都进行了不少研究。

建立FLC的方法一直是各种金属研究的焦点，潘金勇[2]进行了锆合金成形极限曲线的理论预测。Minsoo Kim等[3-4]是通过实验探究Zirlo和Zr-4的性能和各向异性比，得到了实验FLC，验证了Swift和Hill的成形极限模型的可行性。由于锆合金为密排六方结构，具有较少的滑移系，晶粒间协调变形能力差，在板材成形过程中容易出现开裂、缺陷等。在冲压工艺上，很多是以盒形、半盒形件为例进行研究[5-6]，有限元模拟的方法也是较为有效的研究方法。在对锆合金板材冲压成形分析的过程中，有限元模拟的方法能更形象的看出应力应变分布和壁厚变化，蒋朋松等[7]通过有限元模拟探究屈强比和硬化指数对锆合金板材冲制的影响，得出在安全裕度为10%的条件下，锆合金稳定冲制的关键性能参数范围为硬化指数n≥0.18、屈强比≤0.68的结论。袁佳健等[8]使用Deform-2D有限元软件进行冲裁模拟，研究发现厚度为0.47mm的锆合金板料的合理冲裁间隙为0.035mm，且各向异性系数的变化对合理冲裁间隙的取值没有明显影响。海争平等[9]采用Dynaform软件模拟Zirlo薄板拉深，探究了摩擦系数、板厚、区域和压边力对凸耳率的影响。徐滨等[10]发现影响Zr-4合金板带材织构的关键工艺参数是板材热轧变形量。目前，在对锆合金的研究中，宏观成形方面不多，更多的是对微观织构及材料热处理的研究，板材成形性能研究不够全面。

本文以实际0.457mm厚度带材为基础，模拟S-1(r值大)、S-2(r值小)两种带材冲压过程，改变参数对其性能进行对比研究，探究影响锆合金带材冲压性能的影响因素，为实际生产提供理论参考。

1 薄板带材冲压有限元模型

1.1 有限元模型建立

在有限元模拟软件Dynaform中根据实际工件尺寸建立有限元模型，模型包括凸模、凹模、压边圈，带材冲压过程采用双动模型，压边圈下行将带材压到凹模后凸模下行完成冲压过程。模型均采用壳单元，带材网格单元尺寸为0.1mm，凹模单元格最小尺寸0.5mm，共计1935个单元；凸模边界条件单元最小尺寸0.5mm，共计511个单元；压边圈单元最小尺寸0.5mm，共计1002个单元。网格划分后进行检查，计算的控制参数选用网格细划分，最大自适应等级为4，最小单元尺寸为0.05mm。设定压边圈速度为1000mm/s，凸模速度为500mm/s，压边力为2kN，有限元模型如图1所示。

图1 有限元模型示意图

1.2 材料模型

Dynaform软件中材料模型采用的是Barlat’89三参数屈服准则和Swift 硬化模型，36*MAT_3-PARAMETER_BARLAT。该屈服准则适合于平面应力条件下面内各向异性的材料，其屈服函数表达式为[11]

(1)

式中：σe为等效应力；σxx、σyy、σxy分别为x、y平面内3个应力分量；材料常数M与晶体结构有关，r0、r90分别为与轧制方向成0°和90°时的各向异性值；σp为单向拉伸屈服应力；σb双向等拉屈服应力；K1、K2为应力张量的不变量；a、c、h和p为与材料相关的常量，可由各向异性指数r0、r45和r90计算得到。

材料的流动应力曲线是有限元模拟时的另一个重要参数。本次模拟采用比较常用的，也是Dynaform软件中内置的Swift 硬化模型，其理论公式为[12]

σ=C·(εp1+ε0)n

(2)

式中：σ为等效应力；εp1为塑性应变；ε0称为屈服应变，为屈服强度点对应的塑性应变；n为加工硬化指数；C为材料硬化系数。

为了获得仿真所需的基本力学性能参数，对两种锆合金S-1、S-2带材进行了单向拉伸试验，分别按照与轧制方向成0°、45°、90°线切割截取拉伸试样，得到拉伸曲线如图2所示。

图2 试样室温拉伸应力-应变曲线

用数据拟合的方法得到两种锆合金带材硬化系数、硬化指数和各向异性系数等值，如表1和表2所示。经试验测得泊松比为0.34，质量密度6.49kg·m-3，杨氏模量98.3GPa。

从表1、表2的力学性能对比不难发现，S-1带材在面内从0°到90°单轴加载方向的变化时，屈服强度逐渐增大但增加幅度不大；抗拉强度逐渐降低同样降低幅度不大；n值逐渐降低。S-2带材在面内从0°到90°单轴加载方向的变化时，屈服强度也逐渐增大；抗拉强度0°方向比其他两个方向大，45°方向抗拉强度略低于90°方向；n值同样逐渐降低。两种带材沿轧制方向的硬化能力较强，而S-2在各个方向上硬化能力均强于S-1。

表1 两种锆合金S-1、S-2带材的材料参数

表2 两种锆合金S-1、S-2带材的各向异性参数

(3)

(4)

式中Δr为塑性应变比各向异性度，可由各向异性指数r0、r45和r90计算得到。

2 模拟结果分析

影响带材的冲压性能的因素有很多，除了冲制工艺和模具设计以外，材料的性能是影响冲压性能重要的因素之一。为了研究锆合金带材冲压成形过程中不同材料因素对成形性能的影响，找出影响冲制的关键性能因素，为后续实际生产锆合金带材提出调整指导，设计了几种模拟研究方案，如表3所示。

表3 研究方案

2.1 有限元模型的实验验证

首先开展了方案3条件下的冲压过程模拟和实际冲压实验。图3为体式显微镜下实际工件裂纹与金相显微镜下拍的实际工件裂纹剖面图，可以看出在纵向的方向上裂纹不是竖直的，而是近似斜45°的裂纹。

图3 裂纹形貌

图4为模拟结果，由图4b应变路径可以看出，在凸模圆角处(点1)的应变路径介于双向拉伸与平面应变之间；在凹模圆角处(点3)介于纯剪切与单向拉伸之间；在近凸模圆角位置(点2)为单向拉伸而后转为平面状态，到达图4a所示红色破裂区。可以看出模拟结果与实际冲压件破裂位置一致。上述结果表明，所建立的有限元模型可以较好地反应锆合金带材的冲压成形性。

图4 方案3模拟结果

2.2 硬化指数对带材冲压成形性的影响

利用上述有限元模型，模拟计算方案1～6条件下冲压成形过程，研究各向异性参数固定的情况下，硬化指数n值的影响。图5为不同n值下的成形极限图，虽然选用的是默认的FLD曲线，但可以明显看出n值小的破裂风险更高。

图5 成形极限图

从图6所示的位置和应力、壁厚数值模拟曲线可知，两侧应力峰的位置为顶部圆角处，此处变形比较剧烈，应力集中，壁厚在底部减少最多。还可知n值对模拟结果影响比较大，n值较小的方案1(n=0.12)，应力峰值较大，且应力和壁厚的分布都不均匀，在应力变化大的位置容易发生开裂；而n值较大的方案6(n=0.2)，试件底部和顶部圆角位置的力较低，壁厚分布较均匀。随着n值的增加，应力峰值降低，壁厚分布也更加均匀，提高了材料局部位置的变形能力，降低了破裂的风险。

图6 不同硬化指数下应力与壁厚数值曲线

2.3 各向异性r值对带材冲压成形性的影响

假设材料的n值相同，均为0.14时，研究各向异性r值对锆合金带材冲压成形性能的影响，以方案3和方案7为例。不同的r值选用表2所示两种不同锆合金带材的各向异性系数，从图4 (方案3)和图7(方案7) Dynaform模拟结果对比可以看出，方案7模拟结果没有明显的破裂区，取图7a所示1、2、3点的应变路径对比发现，各向异性对于凸模圆角，凹模圆角以及近凸模圆角的应变路径影响较小，但方案7的3个点应变路径均未到达破裂区。