胡盛德，杜張環(huán)，余 昊，李立新

(武漢科技大學鋼鐵冶金新工藝湖北省重點實驗室，湖北 武漢，430081)

建筑、化工及食品機械行業(yè)需要用到大量的奧氏體不銹鋼，近年來，鉍(Bi)微合金化奧氏體不銹鋼因具有良好的切削和加工性能，以及無毒性(包括Bi及其氧化物)和環(huán)境友好等優(yōu)點，受到冶金工作者的廣泛關(guān)注[1-4]。Bi作為一種表面活性元素，易偏聚在鋼表面產(chǎn)生脆化作用，雖然在一定程度上有很好的潤滑效果并能降低機械加工過程中的切削力，但也容易造成材料內(nèi)部形成空洞，導(dǎo)致軋件在熱變形過程中產(chǎn)生裂紋等缺陷[3]。

三輥行星軋制技術(shù)[5]是含Bi奧氏體不銹鋼棒材的主要軋制工藝，為解決實際生產(chǎn)過程中棒材芯部易開裂問題，本文首先通過軋制實驗結(jié)合有限元模擬確定該不銹鋼材料的Brozzo延性斷裂閥值，隨后基于正交實驗方法，對影響材料延性斷裂行為的軋制工藝參數(shù)進行敏感性分析，獲得了一組優(yōu)化軋制工藝參數(shù)，最后通過現(xiàn)場軋制實驗，對所得參數(shù)的可靠性進行驗證。

1 材料延性斷裂準則及閾值確定

1.1 Brozzo延性斷裂準則

本研究采用Brozzo等[6]提出的金屬延性斷裂準則來預(yù)測含Bi奧氏體不銹鋼在塑性加工過程的韌性斷裂行為，該準則是在Cockcroft &Latham延性斷裂準則[7]的基礎(chǔ)上，考慮了靜水壓力對材料延性斷裂行為的影響，比較適用于高應(yīng)力成型過程，能較準確地預(yù)測起裂時間和位置[8]，Brozzo準則可表示為：

(1)

1.2 試驗鋼斷裂閾值的確定

結(jié)合現(xiàn)場軋制實驗及相同條件的有限元模擬，提取Brozoo延性斷裂準則所需的主應(yīng)力、等效應(yīng)變和達到閾值時的總塑性應(yīng)變等參數(shù)，即可計算得到試驗用含Bi奧氏體不銹鋼的斷裂閾值。

利用ABAQUS有限元仿真軟件模擬相同軋制工藝參數(shù)下的軋制過程，提取軋件進入軋制區(qū)后沿軋制方向15～20 mm范圍內(nèi)截面上所有網(wǎng)格單元的等效應(yīng)變和三向主應(yīng)力數(shù)據(jù)(見圖2)，根據(jù)Brozzo材料延性斷裂準則分別對每個網(wǎng)格單元進行數(shù)值積分，獲得一個延性斷裂值，取所有單元積分的最大值即為試驗鋼的Brozoo延性斷裂閾值，C=2. 05。C值越大表明棒材軋制可加工范圍越大，出現(xiàn)裂紋的可能性越小。

(a)軋件

(a) 實物切片照片

2 有限元分析

2.1 幾何模型的建立

本研究采用ABAQUS有限元仿真軟件模擬三輥行星軋制含Bi不銹鋼棒材的整個過程。三輥行星軋機工作主要是在3個相同的錐形軋輥、坯料及回轉(zhuǎn)大盤共同作用下完成的，但軋制過程中運動與接觸條件過于復(fù)雜，故需進行如下簡化：

(1)軋輥為三段式錐形剛體結(jié)構(gòu)(不發(fā)生變形)，可分為變形區(qū)、精整區(qū)和歸圓區(qū)，輥系幾何模型見圖3(a)。

(2)模擬三輥行星軋制棒材時，由于棒材變形量較大，當棒材直接咬入旋壓時，表層單元由于金屬堆積畸變嚴重，易導(dǎo)致模擬終止，故將坯料前端設(shè)計成圓錐形，且只取一定長度的坯料進行仿真。軋件尺寸參考典型現(xiàn)場產(chǎn)品，坯料直徑和長度分別取32.5、80 mm，成品棒材直徑為22 mm；為便于提取仿真過程中的主應(yīng)力、等效應(yīng)變等數(shù)據(jù)，軋件網(wǎng)格劃分采用C3D8R(8節(jié)點六面體線性減縮積分單元)，如圖3(b)所示。

(3)軋件做螺旋運動，軋輥自轉(zhuǎn)而不公轉(zhuǎn)，亦即將軋輥公轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換為軋件的反向轉(zhuǎn)動，此設(shè)計可大大降低建模難度和縮短計算時間。

(a) 輥系幾何模型

2.2 材料參數(shù)

本文研究對象為某鋼廠生產(chǎn)的含Bi奧氏體不銹鋼棒材，除密度(7.93 g/cm3)和泊松比(0.247)外，其他物性參數(shù)均與溫度有關(guān)，具體數(shù)值列于表1中。

表1 試驗鋼的物性參數(shù)

在Gleeble 3500型熱模擬試驗機下進行壓縮實驗，獲得含Bi奧氏體不銹鋼試樣于不同溫度(750、900、1050、1200 ℃)和應(yīng)變速率(0.1、1、10、70 s-1)下的真實應(yīng)力-應(yīng)變曲線，如圖4所示。

(a) 應(yīng)變速率0.1 s-1 (b) 應(yīng)變速率1 s-1

2.3 邊界條件

運動邊界條件：該系統(tǒng)的運動主要包括坯料的軸向運動和輥系的自轉(zhuǎn)與公轉(zhuǎn)。在ABAQUS軟件中設(shè)置位移、載荷及速度完成，坯料送給速度可在預(yù)定義場中設(shè)置為沿軋制軸線60 mm/s，并在與軋輥接觸后速度消失。軋輥自轉(zhuǎn)可通過主、輔電動機的轉(zhuǎn)速及齒數(shù)自主設(shè)定，本文將該參數(shù)作為優(yōu)化的軋制工藝參數(shù)之一。軋輥公轉(zhuǎn)在仿真模擬中難以實現(xiàn)，本文定義為相同速度軋件的反向轉(zhuǎn)動。

熱邊界條件：三輥行星軋制含Bi不銹鋼棒材過程中，棒材變形劇烈產(chǎn)生大量熱，坯料與軋輥的劇烈摩擦及坯料大變形是熱源的主要產(chǎn)生方式，其主要傳導(dǎo)途徑為軋輥與坯料間的熱傳導(dǎo)以及坯料與外部環(huán)境的對流傳熱。由表1可知，材料的熱傳導(dǎo)系數(shù)與等效換熱系數(shù)均隨著溫度的變化而變化。本研究中，坯料初始溫度設(shè)置為750～1200 ℃，環(huán)境溫度設(shè)置為25 ℃，軋輥與坯料間接觸面的導(dǎo)熱系數(shù)以及等效換熱系數(shù)均由表1數(shù)據(jù)插值獲得；塑性變形功是軋制過程中的熱源，熱功轉(zhuǎn)換系數(shù)取0.95[9]。

2.4 仿真結(jié)果

三輥行星軋制過程中，含Bi不銹鋼棒材縱向變形的有限元分析如圖5所示，為便于觀察，僅選取其中一個軋輥。從圖5可以看出，在軋輥壓力作用下，軋制區(qū)金屬產(chǎn)生縱向移動，軋件沿軋制方向被拉長。

圖6所示為不同軋制階段軋件的橫向?qū)捳棺冃吻闆r。由圖6可見，各個階段軋件變形區(qū)沿中心軸線對稱，表明軋件變形過程中受力較均勻。軋件剛咬入軋輥時，接觸區(qū)域發(fā)生了微小變形(見圖6(b))；隨著軋制過程的進行，軋件變形量快速增加(見圖6(c))；伴隨著軋件的轉(zhuǎn)動，輥縫區(qū)域的金屬受到軋輥壓縮產(chǎn)生變形，軋輥出口處，軋件截面逐漸變?yōu)閳A形(見圖6(d))。

圖5 軋制過程中軋件的縱向延伸變形

(a) 軋制前 (b) 剛咬入

3 軋制工藝參數(shù)優(yōu)化

3.1 正交實驗方案及模擬結(jié)果

某工廠利用三輥行星軋機軋制含Bi不銹鋼棒材時，軋制溫度范圍控制在750～1200 ℃，軋輥與軋件傾斜角β為50°～56°，偏轉(zhuǎn)角α為6°～9°，軋輥與坯料的摩擦系數(shù)μ為0.4～0.7，軋輥轉(zhuǎn)速w為15～60 r/min。本文選取以上5個軋制工藝參數(shù)作為因素，每個因素取4個水平，利用正交實驗分析各參數(shù)對材料延性斷裂行為的影響，其正交因素水平表如表2所示。16種正交實驗方案L16(45)及其有限元模擬結(jié)果如表3所示。本文用Φmax(最大Damage值)表征材料的斷裂行為，亦即令Φ等于式(1)，根據(jù)章節(jié)1.2中方法進行積分計算，Φmax為Φ值中的最大值。

表2 正交實驗因素水平表

表3 正交實驗方案及模擬結(jié)果

3.2 正交實驗的極差分析

表4 極差分析結(jié)果

為進一步分析這5個工藝參數(shù)對軋件裂紋產(chǎn)生的影響程度，結(jié)合表3和表4，繪制各工藝因素對Φmax均值的影響曲線如圖7所示。由圖7可以看出，在廠家給定的參數(shù)允許范圍內(nèi)，各因素對裂紋產(chǎn)生影響大小依次為：軋制溫度>軋輥轉(zhuǎn)速>軋輥表面摩擦系數(shù)>傾斜角>偏轉(zhuǎn)角。最優(yōu)工藝參數(shù)為：軋制溫度1200 ℃、摩擦系數(shù)0.4、偏轉(zhuǎn)角6°、傾斜角54°、軋輥轉(zhuǎn)速60 r/min。

(a) 軋制溫度 (b) 摩擦系數(shù) (c) 偏轉(zhuǎn)角

4 現(xiàn)場驗證

采用根據(jù)正交實驗得到的最優(yōu)工藝參數(shù)進行現(xiàn)場軋制，實驗在國內(nèi)某生產(chǎn)含Bi奧氏體不銹鋼工廠的三輥行星軋機上完成，軋制現(xiàn)場及輥系結(jié)構(gòu)如圖8所示。軋制材料為含Bi奧氏體不銹鋼棒材，坯料直徑為32. 5 mm，軋后成品直徑為22 mm。

圖9所示為工藝參數(shù)優(yōu)化前后所得軋件成品的剖面照片。從圖9可以看出，與優(yōu)化前工藝參數(shù)制得的軋件相比，工藝參數(shù)優(yōu)化后所得軋件芯部無明顯的裂紋等缺陷，這完全可以滿足實際生產(chǎn)需要。由此可見，采用Brozzo材料延性斷裂準則結(jié)合基于有限元分析的正交實驗，可以獲得合適的軋制工藝參數(shù)，這對于解決含Bi不銹鋼棒材在三輥行星軋制過程中的芯部開裂問題是可行的。

(a)軋制現(xiàn)場 (b)軋輥結(jié)構(gòu)

圖9 軋制工藝參數(shù)優(yōu)化前后所得軋件的剖面照片

5 結(jié)論

(1)采用Brozzo延性斷裂準則結(jié)合基于有限元模擬的正交實驗，可用于判斷三輥行星軋制過程中含Bi奧氏體不銹鋼棒材芯部產(chǎn)生裂紋的可能性，正交實驗確定了一組最優(yōu)軋制工藝參數(shù)，即：軋制溫度1200 ℃、軋輥/軋件表面摩擦系數(shù)0.4、偏轉(zhuǎn)角6°、傾斜角54°、軋輥轉(zhuǎn)速60 r/min，結(jié)合現(xiàn)場軋制實驗可知，該工藝條件下所得軋件芯部無裂紋產(chǎn)生。

(2)由極差分析結(jié)果可知，在廠家給定的參數(shù)范圍內(nèi)，影響含Bi不銹鋼棒材軋制過程的延性斷裂行為的5個參數(shù)中，軋制溫度和軋輥轉(zhuǎn)速的影響最大，其次是傾斜角和軋輥/軋件表面摩擦系數(shù)，偏轉(zhuǎn)角的影響最小。