劉雨桐　袁朝龍　吳任東　焦　瑋　強(qiáng)　浩

清華大學(xué)先進(jìn)成形制造技術(shù)教育部重點實驗室，北京，100084

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基于壓縮試驗法的P91韌性斷裂行為研究

劉雨桐袁朝龍吳任東焦瑋強(qiáng)浩

清華大學(xué)先進(jìn)成形制造技術(shù)教育部重點實驗室，北京，100084

金屬塑性加工中發(fā)生的斷裂多為韌性斷裂，測定材料韌性斷裂時的臨界損傷值是對切底、沖裁等包含斷裂行為的塑性加工過程進(jìn)行數(shù)值模擬的關(guān)鍵。采用壓縮法進(jìn)行了材料試驗，并利用數(shù)值模擬解決了鐓粗過程中應(yīng)力積分較為復(fù)雜的問題，得到了Normalized C-L準(zhǔn)則下耐熱高強(qiáng)合金P91的臨界損傷值，在此基礎(chǔ)上，采用單元刪除法對P91無縫鋼管切底制坯過程進(jìn)行了模擬，模擬結(jié)果與實際工程結(jié)果基本吻合。

韌性斷裂；P91合金(9Cr1Mo)；壓縮法；切底；歸一化C-L準(zhǔn)則

0　引言

金屬塑性加工工藝可分為兩類：第一類利用材料的塑性變形進(jìn)行加工，如擠壓、拉深和鍛造等，斷裂是這些工藝必須避免的主要缺陷；第二類則包含了斷裂過程，如沖裁、剪切、切底等。這一類工藝除了涉及金屬非線性的彈塑性變形，還涉及材料的斷裂分離過程，合理利用斷裂對于工藝的實現(xiàn)至關(guān)重要[1]。金屬塑性加工中發(fā)生的斷裂大多是延性斷裂，很少發(fā)生脆性斷裂[2]。針對金屬材料的韌性斷裂性能，國內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了一系列的研究，包括對鎂合金[3]、鋁合金[4]和合金鋼[5-6]等金屬材料展開的實驗和數(shù)值模擬研究。

P91(9Cr1Mo)是一種新型耐熱高強(qiáng)合金鋼，是高參數(shù)火力發(fā)電機(jī)組高溫蒸汽管道和鍋爐受熱面管道的首選主流鋼種。采用熱擠壓方法生產(chǎn)的P91無縫鋼管避免了熱軋工藝中可能出現(xiàn)的心部缺陷，力學(xué)性能較好。熱擠壓法工藝通常包括制坯、擠壓和后處理幾道工序，既涉及擠壓工藝中對材料塑性的利用，也涉及切底過程中對材料斷裂性能的利用。因此，對P91斷裂性能的研究對無縫鋼管擠壓的缺陷控制和切底工藝的參數(shù)計算無疑都有著重要意義。而目前國內(nèi)外文獻(xiàn)雖然對P91的高溫力學(xué)性能[7]、蠕變性能[8]、焊接性能[9]等進(jìn)行了一系列研究，但卻鮮有對P91的韌性斷裂性能的報道。

1　材料斷裂準(zhǔn)則以及有限元模擬原理

自20世紀(jì)60年代以來，國內(nèi)外學(xué)者從宏觀和細(xì)觀角度對金屬韌性斷裂現(xiàn)象進(jìn)行了研究，提出了多種半經(jīng)驗型的斷裂準(zhǔn)則。這些準(zhǔn)則大多根據(jù)損傷理論，采用閾值控制的方法，即當(dāng)某處損傷值達(dá)到臨界值時，材料發(fā)生斷裂[10]。按照時間順序，比較重要的斷裂準(zhǔn)則包括Freudenthal[11]提出的能量判據(jù)、Cockcroft等[12]提出的最大拉應(yīng)力準(zhǔn)則、Oh等[13]在C-L準(zhǔn)則基礎(chǔ)上提出的Normalized C-L準(zhǔn)則，以及Oynae[14]在多孔材料塑性理論的基礎(chǔ)上提出的Oyane模型等。Normalized C-L準(zhǔn)則可以對金屬材料(尤其是負(fù)的應(yīng)力三軸度狀態(tài)下)的斷裂進(jìn)行較好的預(yù)測[15-17]，其表達(dá)式為

材料斷裂的臨界損傷值C可以通過拉伸、扭轉(zhuǎn)、剪切、壓縮等試驗方法來確定。不同的試驗方法所得到的C值往往有所差異。Goijaerts等[18]指出，對于普通的斷裂準(zhǔn)則，若想使某種斷裂準(zhǔn)則得到較好的預(yù)測結(jié)果，則為確定C值而進(jìn)行的宏觀試驗要和所預(yù)測的工藝相接近。壓縮試驗由于對設(shè)備噸位要求高，應(yīng)力狀態(tài)較為復(fù)雜，目前較少采用，但壓縮狀態(tài)下材料的力學(xué)狀態(tài)與實際情況更為接近。壓縮試驗中，坯料的應(yīng)力狀態(tài)分區(qū)如圖1所示。在區(qū)域Ⅲ，材料外側(cè)為自由表面，應(yīng)力狀態(tài)近似于單向壓縮。Ⅱ區(qū)變形較大，金屬向外流動時有徑向壓應(yīng)力σ2，使區(qū)域Ⅲ金屬受到切向拉應(yīng)力σ1。區(qū)域Ⅲ是鐓粗過程中損傷值最大的區(qū)域，即裂紋發(fā)生區(qū)，其兩向受壓、一向受拉的應(yīng)力狀態(tài)相比于拉伸試驗(單向拉伸)和扭轉(zhuǎn)試驗(純剪切)，更為接近實際沖裁、切底過程中斷口的應(yīng)力狀態(tài)。因此，本文采用壓縮法測定P91的臨界損傷因子。鐓粗過程中的應(yīng)力復(fù)雜問題，則借助數(shù)值模擬技術(shù)來解決。

圖1　鐓粗過程各區(qū)域應(yīng)力情況

NormalizedC-L準(zhǔn)則下?lián)p傷值的計算采用的是將最大拉應(yīng)力與等效應(yīng)力的比值沿塑性應(yīng)變路徑積分的方法。在有限元數(shù)值模擬中，NormalizedC-L準(zhǔn)則下，損傷值C的計算由積分表達(dá)轉(zhuǎn)變?yōu)殡x散化的表達(dá)[19]：

2　壓縮試驗及結(jié)果分析

P91是一種強(qiáng)度較高的材料，考慮到不同廠家產(chǎn)品性能可能有所差異，因此本文選取了擠壓鋼管用的鋼坯的同爐坯料。圓柱體鐓粗試樣高徑比為1.5，尺寸為φ8mm×12mm。對P91的壓縮試驗在630kN四柱液壓機(jī)上進(jìn)行，下壓速度約為5mm/s，對7個試樣分別進(jìn)行不同變形量(7種不同壓縮率)的鐓粗，如圖2所示。

圖2　不同壓縮率下的鐓粗試樣

為了確定試樣出現(xiàn)裂紋的壓縮量，首先將試樣壓縮約一半，使用游標(biāo)卡尺從不同角度對試樣剩余高度進(jìn)行測量，確定壓縮率為52.7%，在此壓縮率下試樣表面未出現(xiàn)裂紋。增大壓縮率至57.8%、65.2%、71.2%后，試樣表面均未出現(xiàn)裂紋。壓縮率達(dá)到82.5%時，試樣表面出現(xiàn)細(xì)小裂紋。為精確判斷裂紋出現(xiàn)時刻，補(bǔ)充進(jìn)行壓縮率為79.6%和80.8%的兩組試驗，對試樣表面進(jìn)行放大觀察，并未出現(xiàn)裂紋。根據(jù)試驗結(jié)果對壓縮過程進(jìn)行數(shù)值模擬，得到壓縮率為82.5%時，材料各部分的損傷值分布，如圖3所示，損傷最大值0.687出現(xiàn)在赤道面。對其他幾組不同壓縮率試樣進(jìn)行模擬，繪制出壓下量-最大損傷值曲線，如圖4所示。并采用圓環(huán)鐓粗法測得試驗條件下摩擦因數(shù)μ=0.25。

圖3　82.5%壓縮率下試樣損傷分布模擬

圖4　不同壓下量試樣最大損傷值

根據(jù)試驗結(jié)果，臨界斷裂的試樣壓縮率在80.8%～82.5%之間，對應(yīng)損傷值為0.654～0.687。壓縮率為82.5%時，試樣赤道面裂紋形貌如圖5所示。宏觀裂紋的產(chǎn)生包括裂紋產(chǎn)生和裂紋擴(kuò)展。壓縮率為82.5%時，肉眼觀察到的裂紋不明顯，而在顯微鏡下可見完整的沿45°方向的表面裂紋，裂紋尺寸在0.2mm以內(nèi)，可以認(rèn)為此時材料赤道面的損傷值近似達(dá)到臨界值，材料發(fā)生斷裂。結(jié)合壓縮試驗結(jié)果和數(shù)值模擬結(jié)果，得到在NormalizedC-L準(zhǔn)則下，P91的斷裂臨界損傷因子C為0.687。

(a)發(fā)生裂紋部分

(b)無裂紋部分圖5　試樣赤道面形貌

3　切底過程模擬及與工程結(jié)果對比

圖6　切底時材料受力樣

切底過程是大型無縫鋼管垂直擠壓工藝制坯的最后一道工序，切除壓余后得到的中空圓柱形坯料將被送入工模具進(jìn)行擠壓。切底過程中，材料斷口處的受力狀態(tài)如圖6所示。雖然在受力情況方面，切底工藝與板料沖裁有一定相似性，但切底工藝的坯料尺寸遠(yuǎn)超沖裁工藝。因此，不能將常用的沖裁力經(jīng)驗公式應(yīng)用于切底力計算，對切底力的計算應(yīng)通過數(shù)值模擬的方法進(jìn)行。

對切底過程中材料斷裂的模擬可以采用節(jié)點分裂法或單元刪除法。DEFORM-2D中對此主要是通過單元刪除法實現(xiàn)的，即當(dāng)單元的某一物理量達(dá)到臨界值時，就認(rèn)為該單元處材料已經(jīng)斷裂，將其刪去。這種方法可以很好地對材料的韌性斷裂進(jìn)行模擬，并且如果斷裂區(qū)域網(wǎng)格數(shù)量足夠多，由刪除網(wǎng)格帶來的體積影響可以忽略不計[2, 20]。在DEFORM-2D中，網(wǎng)格的最大數(shù)量為10 000，為了減小計算誤差，除了增加網(wǎng)格數(shù)量外，網(wǎng)格密度的合理分布更加重要，對于變形嚴(yán)重的部位，網(wǎng)格應(yīng)該得到加密，而其他部位可以相應(yīng)稀疏一些。在模擬中對于局部網(wǎng)格密度的改變可通過DensityWindows加以實現(xiàn)。切底過程中，斷口附近變形嚴(yán)重且發(fā)生網(wǎng)格刪除，因此在劃分網(wǎng)格時將此處網(wǎng)格加密。

模擬中P91采用Arrhenius動態(tài)回復(fù)本構(gòu)關(guān)系，利用Gleeble1500通過熱壓縮試驗獲得[3]：

5.1655×105/(RT)

模擬中采用的參數(shù)如表1所示。

表1　有限元模擬中使用的工藝參數(shù)

在動梁下壓的作用下，坯料首先承受一定塑性變形而不破裂。當(dāng)動梁下壓量達(dá)到22mm時，穿孔針附近的材料首先出現(xiàn)裂紋(圖7a)；當(dāng)下壓量達(dá)到52mm時，動梁附近出現(xiàn)裂紋(圖7b)；此后隨著動梁下壓，材料繼續(xù)發(fā)生斷裂(圖7c)；在壓下量達(dá)到173mm時完全分離(圖7d)。

(a)壓下量22 mm

(b)壓下量52 mm

(c)壓下量110 mm

(d)壓下量173 mm圖7　切底過程中材料斷裂情況

切底工序在青?？堤?60MN多功能模鍛機(jī)上進(jìn)行(圖8)。坯料在260MN多功能模鍛機(jī)上完成鐓粗、穿孔、切底工藝，轉(zhuǎn)入680MN多功能壓機(jī)上完成擠壓工序。

圖9所示為動梁載荷-動梁行程曲線。由于實際生產(chǎn)條件所限，只記錄下了P91切底過程前20s的油缸壓力。從曲線可以看出動梁載荷的變化趨勢，隨著材料塑性變形程度增大，載荷先上升，后由于材料出現(xiàn)裂紋而下降，這種趨勢在模擬結(jié)果中也得到了很好的體現(xiàn)。模擬結(jié)果與實際結(jié)果中，載荷快速下降開始出現(xiàn)時所對應(yīng)的動梁行程基本一致。模擬值與實測值最大載荷的誤差為12.8%?？紤]到坯料溫度分布不均以及動梁運動速度波動等帶來的影響，可通過數(shù)值模擬技術(shù)很好地對實際工況進(jìn)行模擬。

(a)切底后的坯料

(b)切底后的余料圖8　切底現(xiàn)場照片

圖9　動梁載荷-行程曲線

4　結(jié)語

為研究金屬材料的韌性斷裂行為，在傳統(tǒng)的拉伸、扭轉(zhuǎn)試驗基礎(chǔ)上，本文采用壓縮試驗法，使得材料試驗中的應(yīng)力狀態(tài)與真實工況更為接近，并利用有限元方法得到了耐熱高強(qiáng)合金P91在NormalizedC-L準(zhǔn)則下的臨界損傷因子。利用此參數(shù)對大型無縫鋼管切底制坯過程進(jìn)行了模擬，結(jié)果表明，引入材料的韌性斷裂模型可以很好地對涉及斷裂的塑性加工過程進(jìn)行仿真，對實際生產(chǎn)過程的工況進(jìn)行預(yù)測。

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(編輯張洋)

Study on P91 Alloy Ductile Fracture Behavior Based on Compressing Experiment

Liu YutongYuan ChaolongWu RendongJiao WeiQiang Hao

Key Laboratory for Advanced Material Processing Technology,Ministry of Education,Tsinghua University,Beijing，100084

Ductile fracture was the main fracture form in plastic processing of metal, and obtained material’s critical damage value was the key to numerical simulation of plastic processing, which involved fracture behaviors. Compressing experiments were employed and the complex stress integration in upsetting process was calculated with numerical simulation herein. Under normalized C-L criteria, the critical damage value of P91, a kind of heat resisting & high tensile alloy, was obtained. Based on the calculation results, bottom-cutting process, a preforming process used in seamless steel tube production was simulated. The simulation results agree with the real engineering ones.

ductile fracture; P91 alloy(9Cr1Mo); compressibility method; bottom-cutting; normalized C-L criteria

2015-09-25

TG111.91

10.3969/j.issn.1004-132X.2016.16.022

劉雨桐，女，1993年生。清華大學(xué)機(jī)械系碩士研究生。主要研究方向為材料加工中的力學(xué)問題與數(shù)值模擬、重型鍛壓設(shè)備、液壓機(jī)液壓系統(tǒng)與控制。袁朝龍，男，1974年生。清華大學(xué)機(jī)械系副教授。吳任東，男，1972年生。清華大學(xué)機(jī)械系副教授。焦瑋，女，1966年生。清華大學(xué)機(jī)械系高級工程師。強(qiáng)浩，男，1991年生。清華大學(xué)機(jī)械系碩士研究生。