徐寶池，楊 晨，樊黎霞，扶云峰，任青松，董雪花

(1.南京理工大學 機械工程學院,南京 210094；2.重慶建設(shè)工業(yè)(集團)有限責任公司，重慶 400054；3.南京理工大學理學院，南京 210094)

徑向鍛造是一種熱鍛或冷鍛工藝，通常在工件周圍徑向布置4個錘頭，以生產(chǎn)截面沿其長度方向恒定變化的實心或管狀工件[1]。與傳統(tǒng)的開式模鍛相比，由于錘頭的約束，材料橫向變形受到限制，成形件具有較好的晶粒組織和較少的內(nèi)部缺陷[2]。目前，我國速射武器身管制造普遍采用冷徑向鍛造工藝，徑向鍛造過程如圖1所示。

冷徑向鍛造通常會使身管材料的強度指標增加，塑性指標下降，并產(chǎn)生力學性能的各向異性。身管使用過程中需要承受一定的膛壓，其力學性能各向異性會對身管使用性能產(chǎn)生影響。因此，為了制造出性能更加優(yōu)異的身管滿足其使用要求，需要對鍛后身管力學性能各向異性進行研究。Yu等[3]對鎂環(huán)熱軋過程進行研究，發(fā)現(xiàn)鎂環(huán)厚度方向微觀結(jié)構(gòu)分布不均勻，其力學性能也呈現(xiàn)各向異性，中間層材料軋向屈服強度明顯高于橫向。劉力力[4]對鍛后身管力學性能進行實驗測定，發(fā)現(xiàn)鍛后身管呈現(xiàn)各向異性，其橫向塑性性能低于縱向。Gulsha等[5]在模擬鋯管冷軋過程中考慮毛坯材料的各向異性，發(fā)現(xiàn)模擬得到殘余應力分布與實際結(jié)果更加吻合。Hideaki等[6]在研究管件軋制時發(fā)現(xiàn)，管件毛坯材料各向異性將影響到管件成形表面質(zhì)量。鄧雨亭等[7]對β鍛TC17 鈦合金力學性能各向異性進行了研究，表明鍛后產(chǎn)生的織構(gòu)組分以及拉伸鍛后相貌特征各異共同造成了TC17鈦合金力學性能的各向異性。劉文輝等[8]究發(fā)現(xiàn)橫軋工藝可以降低板材的各向異性度。

為了得出冷徑向鍛造工藝對身管力學性能各向異性的影響規(guī)律，本文以5.8 mm口徑彈線膛同鍛身管為研究對象，分析變形量對冷徑向鍛造身管力學性能的影響。

1 實驗準備及研究方法

本實驗所選用的身管毛坯為外徑φ30.20 mm、內(nèi)徑φ11.64 mm的30SiMn2MoVA鋼厚壁管。在室溫下條件下，采用SKK-10型徑向精鍛機按四種不同的變形量對身管毛坯進行鍛打成形。變形量采用斷面收縮率公式計算：

(1)

式中：Ab為毛坯橫截面積；Af為鍛件橫截面積；Rb為毛坯外半徑；rb為毛坯內(nèi)半徑；Rf為鍛件外半徑；rf為鍛件內(nèi)半徑。

鍛打后身管尺寸如表1所示。

表1 鍛后身管尺寸

徑向鍛造后，沿鍛后身管的軸向、徑向和周向進行取樣制成壓縮試件，取樣位置如圖2所示。壓縮試樣設(shè)計成直徑為4 mm、高度為6 mm的圓柱體，試樣的外圓柱表面通過無心磨床加工成粗糙度為0.8 Ra的光滑表面。壓縮實驗儀器選用長春實驗研究所產(chǎn)CCS-44100電子萬能試驗機。實驗前，在壓縮試樣的上下表面涂上潤滑油，實驗過程中壓縮速度保持恒定，其值為5 mm/min。為了方便觀察壓縮裂紋，在壓縮試驗臺一側(cè)添加微型電子顯微鏡，用于記錄實驗過程中試樣裂紋的萌生情況，當觀察裂紋萌生或壓縮載荷達到70 kN時停止實驗。采用線切割對鍛后身管中間層進行取樣，制成表面積為13 mm×10 mm,厚度為3 mm的矩形X射線衍射試樣(如圖3)。經(jīng)過粗磨和拋光后，采用D8 ADVANCED X射線衍射儀對中間層晶粒分布情況進行分析，得到不同方向上的不完全極圖衍射數(shù)據(jù)，采用Textools軟件對試樣織構(gòu)組分進行分析。

圖2 壓縮件取樣位置示意圖

采用有限元軟件(ABAQUS)建立身管冷徑向鍛造軸對稱模型，有限元模型中毛坯尺寸、錘頭尺寸及鍛打工藝參數(shù)與實驗情況一致。建模過程中，將錘頭、芯棒和擋塊視為剛體，不考慮其變形，身管毛坯視為彈塑性材料，采用四節(jié)點減縮積分單元(CAX4R)進行劃分。采用罰函數(shù)法來模擬各部件之間的接觸行為，身管與錘頭之間的摩擦因子為0.25，與擋塊之間的摩擦因子為0.15，與芯棒之間的摩擦因子為0.05[4]。

圖3 X射線衍射試樣

2 研究結(jié)果

2.1 鍛后身管的力學性能

鍛前身管毛坯需要經(jīng)過淬火和回火處理，力學性能表現(xiàn)為各向同性，其屈服強度為927 MPa，延伸率為14.5%。通過對壓縮試驗獲得位移-載荷數(shù)據(jù)進行處理，得到鍛后身管軸向、徑向和周向的壓縮力學性能數(shù)據(jù)如表2所示。壓縮后試樣的形貌如圖4。

表2 壓縮試驗結(jié)果

圖4 壓縮后的試樣形貌

從表2可以看出，經(jīng)冷徑向鍛造后，身管材料強度性能得到提升且呈現(xiàn)出明顯的各向異性，徑向強度最高，軸向強度明顯低于徑向和周向。從圖4中可以看出，4種不同變形量身管的壓縮試樣壓縮后徑向和周向均出現(xiàn)45°裂紋，而其軸向均未出現(xiàn)明顯破裂現(xiàn)象，說明鍛后身管材料軸向塑性明顯優(yōu)于徑向和周向。

表3 強度各向異性系數(shù)

2.1.1變形量對身管強度性能各向異性的影響

從實驗結(jié)果可以看出，鍛后身管強度性能呈現(xiàn)出明顯的各向異性，為了方便表征變形量對身管材料屈服強度各向異性的影響程度，引入強度各向異性系數(shù)α：

(1)

式中：σmax、σmin和σAvg分別代表鍛后身管材料三向(軸向、徑向和周向)屈服強度的最大值、最小值和平均值。不同變形量條件鍛打成形身管的強度各向異性系數(shù)α的計算結(jié)果列于表3。從表中可以看出，當變形量為27%時，身管材料屈服強度各向異性系數(shù)α數(shù)值最大為13.45%，此變形量時，身管內(nèi)壁剛與芯棒接觸，整個鍛打過程處于減徑過程。隨著變形量增大，身管內(nèi)壁開始與芯棒接觸進入鍛造段，變形過程以減壁厚為主，身管屈服強度各向異性系數(shù)有所減小，即當變形量為34%和38%時，身管材料各向異性系數(shù)分別為12.68%和10.84%。當變形量達到41%時，身管材料各個方向屈服強度有所下降而各向異性系數(shù)有所上升，其數(shù)值為11.73%。

2.1.2變形量對身管延伸率各向異性的影響

為了更直觀表征鍛后身管不同方向的延伸率，引入代表可壓縮性能的臨界壓縮系數(shù)φc

(2)

式中：H和h分別代表壓縮試件初始高度和裂紋萌生時壓縮試樣的高度。

從式(2)可以看出，φc值越大，材料的延伸率越高。實驗過程中，軸向試件均未出現(xiàn)裂紋，其臨界壓縮系數(shù)φc均大于1。針對身管周向和徑向壓縮試件裂紋萌生情況，作出臨界壓縮系數(shù)φc隨著身管變形量變化曲線，如圖5所示。從圖中可以看出，在變形量為27%～38%時，身管材料徑向和軸向的臨界壓縮系數(shù)變化不大，其值均在1附近，軸向延伸率能略高于徑向；當變形量為41%，身管材料周向臨界壓縮系數(shù)明顯下降，比變形量為38%時下降了21.4%。因此，當變形量較小時(27%～38%)時，變形量對身管材料延伸率各向異性程度影響不大，當變形量達到41%時，身管材料的各向異性程度明顯增大。

2.2 鍛后身管的織構(gòu)

從圖6可以看出，鍛后身管主要存在兩種類型的織構(gòu)，即軋制織構(gòu)({112}〈110〉、{111}〈110〉和{001}〈110〉)和剪切織構(gòu)({112}〈111〉和{110}〈001〉)。隨著變形量的增加，軋制織構(gòu)的體積分數(shù)逐漸增大；剪切織構(gòu)的體積分數(shù)并不隨變形量的增加而呈現(xiàn)單調(diào)的變化的趨勢，當變形量較小(27%和34%)時，剪切織構(gòu)體積分數(shù)隨變形量的增加而增大，當變形量較大時(38%和41%)，剪切織構(gòu)的體積分數(shù)明顯下降。

圖5 變形量與軸向和徑向臨界壓縮系數(shù)的關(guān)系

圖6 變形量對身管各織構(gòu)體積分數(shù)的影響

2.3 鍛后身管的應力場分析

由織構(gòu)分析結(jié)果可知，身管中間層除了軋制織構(gòu)，還存在少量的剪切織構(gòu)。材料的強度性能與織構(gòu)有關(guān)，織構(gòu)對材料性能的影響比達到20%～50%，而剪切織構(gòu)的存在往往會降低金屬軋制方向的屈服強度[9-11]。身管徑向鍛造過程中，鍛件的外表層、內(nèi)表層分別與錘頭和芯棒接觸，受接觸摩擦的作用而向前流動，中間層的金屬受周邊材料變形的影響，在相互作用力下運動，因此會在中間層形成較大的剪切應力。由于身管成形過程中剪切應力的存在，身管徑向鍛造過程中壁厚方向各層材料應變和應變速率不一致，在剪切應力的作用下，會在身管中間層形成剪切織構(gòu)[9]。因此，可通過研究不同變形量鍛打條件下中間層剪切應力變化來分析變形量對身管強度性能各向異性的影響。

身管成形過程是一個累積塑性變形的過程，變形區(qū)域主要集中在于錘頭接觸區(qū)域，分析過程中提取身管與錘頭直接接觸區(qū)域的剪切應力。從圖7可以看出，變形量對身管剪切應力分布影響較顯著，較小變形量(27%和34%)成形身管剪切應力波動幅度明顯大于較大變形量(38%和41%)成形身管。這是由于在較小的變形量時，身管可能未能鍛透，剪切應力波動幅度較大，而在較大變形量時，身管被鍛透，中間層剪切應力波動幅度明顯下降。

圖7 變形量對身管剪切應力的變化影響

3 結(jié)果討論與分析

織構(gòu)對材料的強度性能有較大的影響，通常采用泰勒因子M值來表征織構(gòu)對強度的影響，M值越大，滑移系越難啟動，塑性變形越困難，材料的強度越高[12]。由有限元分析可知，身管徑向鍛打錘頭壓下量最大時，身管中間層存在較大剪切應力。由于身管成形過程中剪切應力的存在，鍛后身管中間層部分晶粒取向偏離軋制織構(gòu)取向而形成穩(wěn)定的{112}〈111〉和{110}〈001〉取向,形成剪切織構(gòu)。由于剪切織構(gòu)的存在，弱化了身管軸向的強度性能，因此鍛后身管強度性能呈現(xiàn)明顯的各向異性，即軸向強度明顯小于軸向和徑向。在較大變形量(38%和41%)時，身管中間層剪切應力幅值明顯下降，剪切織構(gòu)體積分數(shù)也隨之有所下降，因此在較大變形量情況下，鍛后身管強度各向異性程度有所下降。

圖8為變形量為41%時軸向和徑向平面的金相顯微組織，從圖中可以看出冷鍛后晶粒沿鍛造成形方向(軸向)呈現(xiàn)不連續(xù)條帶分布。由于這種組織流線的存在，鍛后身管材料的軸向塑性延伸性能高于徑向和軸向。此外，石必坤等[13]對41%成形身管脹形試件的斷口形貌進行了分析，研究結(jié)果表明，鍛后身管內(nèi)表存在軸向裂紋缺陷，脹形時裂紋部分擴展發(fā)生塑性撕裂，而在斷口上形成撕裂嶺特征，結(jié)果如圖9所示。這也是變形量為41%的身管強度和周向塑性明顯下降的原因。因此，為了降低由于各向異性加大容易產(chǎn)生身管內(nèi)部缺陷，應避免采用過大變形量進行身管冷徑向鍛造。

圖8 鍛后身管顯微組織

圖9 身管脹形件斷口形貌[13]

4 結(jié)論

1) 經(jīng)冷徑向鍛造后，身管的力學性能呈現(xiàn)各向異性，鍛后身管的軸向強度明顯低于徑向和周向，軸向延伸率明顯優(yōu)于徑向和周向。

2) 較大變形量(38%和41%)時，成形過程中身管所受層剪切應力較小，剪切織構(gòu)體積分數(shù)也隨之下降，這是身管材料強度各向異性程度降低的主要原因。

3) 變形量對身管延率各向異性程度影響不明顯；當變形量達到41%時，身管材料的延伸率各向異性程度明顯增大，容易導致成形身管內(nèi)部存在軸向裂紋缺陷。