栗文鋒 韓笑宇

(天津重型裝備工程研究有限公司，天津300457)

型鋼軋輥及立輥因長期處于惡劣的工況條件下，時常經(jīng)受高溫、高載荷的沖擊，因此需要具有良好的抗熱裂性、耐磨性、耐腐蝕性等性能。具有良好綜合力學(xué)性能的鍛造半鋼，是制造型鋼軋輥及立輥的重要材料，但材質(zhì)本身碳合金含量高，在熱成形過程中極易產(chǎn)生裂紋，即韌性斷裂。韌性斷裂是指材料在斷裂前產(chǎn)生了明顯的宏觀變形的斷裂。在塑性成形過程中，金屬內(nèi)部損傷會不斷積累，最終達(dá)到一個臨界值，材料產(chǎn)生裂紋，該臨界值即為材料的臨界損傷值[1]。

國內(nèi)外專家學(xué)者對臨界損傷值都有不同程度的研究[2]，并建立多種損傷模型，通過計算機(jī)軟件模擬與物理實驗相結(jié)合，來預(yù)測實際生產(chǎn)中裂紋的形成。這些斷裂準(zhǔn)則主要是基于應(yīng)力、應(yīng)變或應(yīng)變速率綜合考慮提出的，例如Freudenthal以單位體積塑性為參數(shù)建立的材料發(fā)生大變形時的韌性斷裂準(zhǔn)則；Cockcroft & Latham損傷模型；Oyane韌性斷裂模型；McClintock材料韌性斷裂判斷準(zhǔn)則以及Rice和Tracey共同提出的三向應(yīng)力作用下材料的韌性斷裂準(zhǔn)則等。

半鋼材質(zhì)熱態(tài)成形過程中容易產(chǎn)生裂紋缺陷，在實際生產(chǎn)中，不同的變形溫度和應(yīng)變速率又會對材料的塑性造成影響，導(dǎo)致臨界損傷值的變化。為采用有限元數(shù)值模擬軟件對軋輥及立輥鍛造過程中裂紋的形成進(jìn)行預(yù)測，需要得到不同溫度和應(yīng)變速率下的臨界損傷值。本實驗基于Normalized Cockcroft & Latham損傷模型，對臨界損傷值的實驗測定方法進(jìn)行了理論分析與研究。并引入一種基于Normalized Cockcroft & Latham損傷模型和Gleeble Fracture Limit試驗結(jié)合的臨界損傷值測定方法，得到了在變形溫度為750～1200℃、應(yīng)變速率為0.01 s-1條件下材料DT14鋼的臨界損傷值。并通過計算機(jī)模擬，對鍛造過程中裂紋產(chǎn)生的傾向進(jìn)行了預(yù)測。

1 高溫拉伸實驗

1.1 實驗方案

實驗材料為我公司為立輥開發(fā)的DT14鍛造半鋼材質(zhì)，化學(xué)成分如表1所示。

表1 DT14鋼的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)Table 1 Chemical composition of DT14 steel (Mass, %)

圖1 試樣及其尺寸示意圖Figure 1 Schmatic diagram of sample and its dimension

拉伸試樣尺寸如圖1 所示。實驗前在試樣中心位置進(jìn)行標(biāo)記，距離為25 mm。

高溫拉伸實驗在Gleeble-3500熱模擬實驗機(jī)上進(jìn)行。試驗過程中，試樣在Gleeble-3500熱模擬實驗機(jī)上以恒應(yīng)變速率進(jìn)行等溫高溫拉伸變形，試驗以10℃/s的速度將試樣加熱到750～1200℃，保溫180 s后，以0.01 s-1的應(yīng)變速率進(jìn)行拉伸，其高溫拉伸工藝如圖2所示。拉伸過程中，Gleeble試驗機(jī)自動采集記錄數(shù)據(jù)，試驗結(jié)束后，根據(jù)采集的數(shù)據(jù)繪制DT14半鋼的工程應(yīng)力-應(yīng)變曲線和真實應(yīng)力-應(yīng)變曲線。

圖2 高溫拉伸工藝Figure 2 Stretching process at high temperature

1.2 實驗結(jié)果

Normalized Cockcroft & Latham損傷模型，或稱韌性斷裂準(zhǔn)則。該準(zhǔn)則認(rèn)為，對于韌性金屬材料，當(dāng)積累損傷達(dá)到一個臨界值C時，即當(dāng)塑性變形中的拉伸應(yīng)力達(dá)到一個極限值時，斷裂發(fā)生。C值也稱損傷因子，計算如下式：

(1)

張菁麗等人研究[3]認(rèn)為，在拉伸過程中，裂紋是由拉伸方向的真應(yīng)變造成的，因此上式中的等效應(yīng)力和等效應(yīng)變可以做簡化處理，即用拉伸的真應(yīng)變代替等效應(yīng)變，用最終拉伸強(qiáng)度代替等效應(yīng)力，得到最終的公式為：

(2)

其中，σlimit為極限應(yīng)力；σUTS為材料的拉伸強(qiáng)度；εlimit為極限應(yīng)變。

對高溫拉伸的實驗數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，得到DT14鋼不同溫度的工程應(yīng)力-應(yīng)變曲線及真應(yīng)力-應(yīng)變曲線。根據(jù)簡化后的計算公式(2)，計算材料的損傷值C，得到變形溫度為750～1200℃、應(yīng)變速率為0.01 s-1條件下DT14鋼的臨界損傷值，結(jié)果如表2所示，損傷值隨溫度變化曲線如圖3所示。

表2 不同溫度下的臨界損傷值Table 2 Critical damage value at different temperature

圖3 損傷值隨溫度變化曲線Figure 3 Curve of damage vaule versus temperature

2 計算機(jī)模擬分析

通過高溫拉伸試驗與該模型結(jié)合可以測定材料在不同溫度的臨界損傷值C。在DEFORM-3D模擬軟件中，我們可以通過下式得到C值的分布云圖，從而利用有限元模擬軟件預(yù)測半鋼材質(zhì)鍛件在鍛造過程中的開裂情況。損傷模型進(jìn)行離散化處理，公式如下：

Deform-3D模擬軟件用戶子程序USRUPD是一個用戶定義節(jié)點和單元變量的子程序，用戶可以通過定義特殊的節(jié)點或單元變量實現(xiàn)后處理中不具備的參量的計算功能。為了計算C值，我們對用戶子程序USRUPD進(jìn)行處理，以下為計算C值的部分語句：

IF(ISTATUS.EQ.1.AND.KELE.GT.0) THEN

USRE2(1)=USRE1(1)

USRE2(1)=TEPSE

CALL MAXPRN(STSE,PRNSTS,IFLG)

IF(IFLG.EQ.0)D=PRNSTS

USRE2(2)=USRE1(2)

USRE2(2)=USRE2(2)+(TEPSE-USRE1(1))*D/EFSTSE

ENDIF

2.1 模擬方案及建模

根據(jù)我公司輔具尺寸及鋼錠大小在Pro/E里建模，如圖4所示。鐓粗輔具采用上凹面鐓粗板+下漏盤。KD拔長選用我公司1200 mm寬上、下V型砧。拔長出成品先用400 mm上平下V型砧。選取鐓粗比2.5，壓下速度為5 mm/s，鋼錠選

用我公司36 t下注錠，煉鋼方式采用LH+MBC。鍛造工藝為：壓鉗口→鐓粗→KD拔長→出成品。

2.2 模擬結(jié)果分析

利用Deform-3D軟件進(jìn)行計算機(jī)模擬，對比分析坯料在鐓粗、KD拔長以及出成品過程中各處C值的大小以及開裂傾向。圖5(a)所示為鐓粗及KD拔長時損傷值C在坯料內(nèi)部的分布情況。在鐓粗時，可以看出，C值主要分布在表層，從內(nèi)部向外逐漸降低，這與坯料在鐓粗過程中表面受拉應(yīng)力相符。從模擬結(jié)果來看，表面C值最大達(dá)到0.397，小于我們通過高溫拉伸實驗測得的結(jié)果，可以認(rèn)為鐓粗時，坯料的高溫?fù)p傷值處于安全范圍內(nèi)。

圖5(b)所示為坯料在KD拔長時損傷值C的分布云圖?？梢钥闯?，在圖中箭頭所示位置C值高于0.54，材料開裂的傾向比較大，這主要是因為鉗把與坯料錠身的圓角處在拔長過程中容易產(chǎn)生應(yīng)力集中，錠身底部末端損傷值也比較高的位置，這主要是KD拔長效率比較高，如壓下量過大，端部所受拉應(yīng)力較大，也會造成材料達(dá)到臨界C值，最終塑性開裂。

圖4 計算機(jī)模擬建模Figure 4 Computer simulation modeling

圖5 鐓粗及KD拔長過程中C值的分布情況Figure 5 Distribution of value C at process of upsetting and KD drawing

圖6 出成品時C值和等效應(yīng)變的分布情況Figure 6 Value C and distribution of equivalent strain at time of producing finished product

圖6(a)所示為軋輥成品在鍛造終了時損傷值C的分布云圖。從圖6可見，在小輥頸處，特別是輥身與輥頸相接處的C值比較大，開裂傾向也最大。圖6(b)是軋輥對應(yīng)的等效應(yīng)變分布圖，等效應(yīng)變云圖較大的區(qū)域相應(yīng)C值也比較大，可見C值與等效應(yīng)變有一定的關(guān)系。

3 結(jié)論

(1)通過Gleeble Fracture Limit物理試驗，測得了在變形溫度為750～1200℃、應(yīng)變速率為0.01 s-1條件下材料DT14鋼的臨界損傷值。

(2)通過計算機(jī)模擬研究分析，在鐓粗時材料的損傷值最大為0.397，材料處于安全范圍內(nèi)。在KD拔長時，在坯料的鉗把與錠身圓角處及錠身底部區(qū)域有發(fā)生開裂的傾向，在最后出成品火次，輥頸與輥身的圓角處損傷值超過了材料的臨界值，材料開裂的傾向較大。

[1] 張菁麗，陳學(xué)文，劉澤虎. 支承輥材料45Cr4NiMoV鋼高溫臨界損傷值測定方法與試驗[J]. 塑性工程學(xué)報，2012，19(3)：44-47.

[2] 方剛，雷麗萍，曾攀. 金屬塑性成形過程韌性斷裂的準(zhǔn)則及其數(shù)值模擬：海內(nèi)外青年設(shè)計與制造科學(xué)會議[C]. 2002．

[3] 鄧冬梅. 大型鍛件鍛造新理論與新工藝的數(shù)值模擬[D]. 秦皇島：燕山大學(xué)，2000．

[4] Jing Guo, Bo Liao, Li-Gang Liu, et al. Forging limit of a novel high-speed-steel cold work roll based on ductile fracture criteria by finite element model[J]. Materials and Design，2013，52(24)：1027-1034．

[5] 賈薇. 大型鍛件鐓粗工藝?yán)碚摰难芯縖J]. 大型鑄鍛件，2005(2)：4-5．

[6] 曾志朋. DEFORM軟件的二次開發(fā)與大型鍛件鍛造工藝優(yōu)化[D]. 北京：機(jī)械科學(xué)研究院，2002.