冉乙川,崔 超,周 麗

(沈陽理工大學(xué) 機械工程學(xué)院，沈陽 110159)

基于DEFORM-3D的Al2024鍛造成形模擬

冉乙川,崔 超,周 麗

(沈陽理工大學(xué) 機械工程學(xué)院，沈陽 110159)

利用DEFORM-3D有限元分析軟件對Al2024材料進行鍛造模擬，分析各變形工藝參數(shù)對Al2024材料鍛造過程的應(yīng)變場、損傷場和平均晶粒尺寸的變化規(guī)律。結(jié)果表明：隨著壓下量增大，鍛件內(nèi)部的變形不均勻程度加劇，且平均晶粒尺寸逐漸增大；隨著溫度的增加，最大應(yīng)變、損傷和平均晶粒尺寸越來越大，從400℃增加到450℃時，最大損傷值有明顯增大；當(dāng)溫度達到500℃時，平均晶粒尺寸減小。

DEFORM-3D；Al2024；鍛造

鋁合金由于密度低、比強度高、耐腐蝕強、易導(dǎo)熱導(dǎo)電、塑性和加工性能良好、成本低等一系列優(yōu)點，是航空航天等領(lǐng)域的主要結(jié)構(gòu)材料。1939年發(fā)明的Al2024是較為常用的一種。該合金厚板主要在機身、機翼、腹板、抗剪肋板以及對強度要求高的其他結(jié)構(gòu)件上[1-5]。目前使用的Al2024構(gòu)件主要采用鍛造加工，而傳統(tǒng)鍛造工藝的制定和模具設(shè)計通常需要借助于反復(fù)的實物試驗,逐步修改直到達到要求為止，這種方法不僅成本高、周期長、效率低，技術(shù)人員和操作人員的技術(shù)水平和工作經(jīng)驗要求高，還經(jīng)常不能達到最佳的產(chǎn)品性能[6]。

隨著有限元技術(shù)的日益成熟，采用有限元模擬方法已成為解決許多工程實際問題的有力工具[7]。劉丹等[8]利用Abaques軟件對SiCp/Al復(fù)合材料進行三維熱力耦合模擬，分析了各變形工藝參數(shù)對圓柱體鐓粗過程中損傷場、應(yīng)變場和溫度場的影響規(guī)律，強調(diào)了鼓形區(qū)裂紋的出現(xiàn)。Gangshu Shen等[9]對扁平模鍛和二維熱鐓粗過程的晶粒尺寸和分布進行了模擬和預(yù)測。中南大學(xué)的劉超[10]在DEFORM-3D平臺上模擬了Al7075大鍛件自由鍛工藝，模擬過程中發(fā)生了動態(tài)再結(jié)晶現(xiàn)象，晶粒得到了均勻細化。雖然文獻對各種材料的鍛造模擬研究較多，但關(guān)于材料Al2024鍛造過程中平均晶粒度的有限元模擬很少。

本文采用有限元分析軟件DEFORM-3D模擬Al2024圓柱體坯料鍛造過程，分析圓柱形坯料在鍛造成形過程中不同壓下量、不同溫度下的應(yīng)變場、損傷場以及晶粒度的變化，為Al2024的塑性加工提供參考。

1 有限元模擬

1.1 模型的建立

由于圓柱坯料是軸對稱結(jié)構(gòu)，將模型簡化為完整模型的1/4進行研究，可以降低計算時間，提高計算精度，圖1所示為三維模型。模擬鍛造過程中，上下模具均為平砧，圓柱坯料尺寸為?200mm×200mm，初鍛溫度為400℃，上模壓下速度為20mm/s。網(wǎng)格劃分采用絕對尺寸，全局網(wǎng)格最小尺寸為5mm，比率為1，網(wǎng)格劃分總數(shù)為32160。

圖1 有限元模型

1.2 材料本構(gòu)模型

仿真采用材料為Al2024。DEFORM-3D軟件中材料發(fā)生塑性變形時的本構(gòu)方程與應(yīng)變率、應(yīng)變、溫度有關(guān)，其一般形式如式(1)所示。

(1)

由于系統(tǒng)材料庫中有Al2024材料，可直接從材料庫中調(diào)入。圖2為Al2024不同應(yīng)變率及不同溫度下應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線。

圖2 Al2024應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線

1.3 位錯密度模型

金屬或合金熱變形過程中能否發(fā)生動態(tài)再結(jié)晶，宏觀上取決于變形條件和變形量，微觀上取決于位錯的分布和密度[11]。在加工過程中，位錯密度不斷變化，本文采用DEFORM-3D自帶模型。

2 結(jié)果分析

2.1 壓下量的影響

為考察壓下量對Al2024坯料鍛造成形過程的影響，選用溫度為400℃，下壓速度為20mm/s，壓下量分別為20%、30%、40%、50%時，對Al2024坯料進行數(shù)值分析。

2.1.1 不同壓下量的等效應(yīng)變場分布

鍛造成形過程中等效應(yīng)變場的分布如圖3所示，從圖3中可以看出，等效應(yīng)變值的大小由坯料的外表面向心部逐漸增大，整個變形過程中，坯料心部的變形量最大，上下端面中心區(qū)域變形量最小。隨著壓下量的增加，變形開始由心部逐漸向端面延伸，當(dāng)壓下量為100mm時(圖3d)，最大等效應(yīng)變值為6.96，最小等效應(yīng)變也從0.0211增加為0.165；且隨著壓下量的增加，最大、最小等效應(yīng)變的差值也在不斷增大，這說明鍛件內(nèi)部的變形不均勻程度隨壓下量的增加而加劇。

圖3 不同壓下量下的等效應(yīng)變場分布圖

2.1.2 不同壓下量的損傷場分布

研究材料在鍛造過程中的損傷場分布，可以預(yù)測工件在熱加工成形過程中可能產(chǎn)生破壞的部位。圖4為不同壓下量損傷場分布，從圖中可以看出，損傷主要發(fā)生在鼓形區(qū)，且隨著壓下量的增大向內(nèi)部擴大。坯料中大部分區(qū)域的應(yīng)力狀態(tài)為壓應(yīng)力，而在坯料的鼓形表面呈拉應(yīng)力，當(dāng)拉應(yīng)力超過材料的強度極限時，就會發(fā)生斷裂。因此實際鍛造過程中要嚴格控制壓下量的大小。

圖4 不同壓下量下的損傷場分布圖

2.1.3 不同位置處平均晶粒尺寸分布

在坯料的上表面、軸線中心和側(cè)表面上分別取一點P1、P2、P3，如圖5所示，取初始晶粒尺寸為10μm，分析晶粒度在鍛造過程中的變化情況。圖6為P1、P2、P3點處不同壓下量時晶粒度分布圖，由圖6可以看出，隨著壓下量增大平均晶粒尺寸逐漸增大,P1點處平均晶粒尺寸變化最小。

2.2 溫度的影響

為考察溫度對Al2024材料鍛造成形過程的影響，分別選用400℃、450℃、500℃、550℃，變形速度20mm/s，壓下量50%，對這四種溫度進行數(shù)值模擬。

圖5 P1、P2、P3三點位置

圖6 不同壓下量下三個點的平均晶粒尺寸分布圖

2.2.1 不同溫度時最大應(yīng)變值分布

圖7為不同溫度下最大應(yīng)變值分布情況，從圖7中可以得出，隨著溫度的增加，最大應(yīng)變值越來越大，變形抗力降低，塑性增強。

圖7 不同溫度下最大應(yīng)變值分布圖

2.2.2 不同溫度時最大損傷值分布

圖8為不同溫度下最大損傷值分布，從圖8中可得知，當(dāng)溫度為400℃時，最大損傷值很小，隨著溫度的增加，最大損傷值越來越大，從400℃增加到450℃時，最大損傷值有明顯增大，所以加工時應(yīng)保持溫度在400℃左右較合適。

圖8 不同溫度下的最大損傷值分布圖

2.2.3 不同溫度時平均晶粒尺寸分布

圖9為P1、P2、P3三點在不同溫度下的平均晶粒尺寸分布圖，由圖9可以看出，隨著溫度增大平均晶粒尺寸增大，當(dāng)溫度達到500℃時，平均晶粒尺寸達到最大值；溫度繼續(xù)增大，平均晶粒尺寸迅速減??；三個點的平均晶粒尺寸變化趨勢一致。以P2點為例，觀察不同溫度下的微觀組織，見圖10所示，由圖10d可看出，當(dāng)溫度達到550℃時，位錯密度達到動態(tài)再結(jié)晶臨界值，發(fā)生動態(tài)再結(jié)晶，從而晶粒細化。

圖9 不同溫度下三點處的平均晶粒尺寸分布圖

圖10 不同溫度下P2點處的微觀組織圖

3 結(jié)論

(1)溫度不變時，隨著壓下量的增大，鍛件內(nèi)部的變形不均勻程度加?。划?dāng)壓下量過大，鍛件鼓形區(qū)拉應(yīng)力超過材料的強度極限時，材料發(fā)生斷裂，因此在實際鍛造過程中要嚴格控制壓下量的大小。隨著壓下量增大平均晶粒尺寸逐漸增大，端面處平均晶粒尺寸變化最小。

(2)壓下量不變時，隨著溫度的增加，最大應(yīng)變值越來越大，變形抗力降低，塑性增強，最大損傷值越來越大；從400℃增加到450℃時，最大損傷值有明顯增大，所以加工時應(yīng)保持溫度在400℃左右較合適。隨著溫度增大平均晶粒尺寸增大，當(dāng)溫度達到500℃時，平均晶粒尺寸達到最大值；溫度繼續(xù)增大，平均晶粒尺寸迅速減小；當(dāng)溫度達到550℃時，位錯密度達到動態(tài)再結(jié)晶臨界值，發(fā)生動態(tài)再結(jié)晶，晶粒細化。

[1]Staley JT,Liu J,Hunt WH.Aluminum alloys for aerostructures[J].Advanced Materials and Processes,1997,152(4):17-20.

[2]王祝堂,田榮璋.鋁合金及其加工手冊 [M].長沙：中南大學(xué)出版社，2000.

[3]劉兵,彭超群,王日初，等.大飛機用鋁合金的研究現(xiàn)狀及展望[J].中國有色金屬學(xué)報，2010，20(9)：1705-1706.

[4]Rogacki J R.Materials for air and space [J].Advanced Materials and Processes,2000,158(3):63-65.

[5]Bucci R J,Warren C J,Starke J.Need for new materials in aging aircraft strutures [J].Journal of Aircraft,2000,37(1):13.

[6]孫慕容，胡立平，倪利勇.大型鍛件鍛造加工中有限元軟件技術(shù)進展[J].鍛壓裝備與制造技術(shù),2004,39(4):84-86.

[7]李學(xué)通，王敏婷，張沛.大型餅類鍛件鐓粗過程形變力學(xué)演變研究[J].材料科學(xué)與工藝，2011,19(6)：53-57.

[8]劉丹，周麗，王唱舟.SiCp/Al復(fù)合材料圓柱體鐓粗過程中的有限元模擬[J].鍛壓技術(shù)，2015，40(7)：7-12.

[9]Gangshu Shen,S L.Semiatin,Rajiv Shivpuri.Modeling microstructural development during the forging of Waspaloy[J].Metallurgical and Materials Transactions A,1995，26(7):1795-1803.

[10]劉超.基于DEFORM-3D的7050鋁合金大鍛件成形工藝與晶粒尺寸演化研究[D].長沙：中南大學(xué)，2009.

[11]Kaibyshev RO,Sitdikov OS.On the role of twinning in dynamic recrystallization[J].Physics of Metals & Metallography,2000,89(4)：384-390.

(責(zé)任編輯：趙麗琴)

SimulationofAl2024ForgingBasedonDEFORM-3D

RAN Yichuan,CUI Chao,ZHOU Li

(Shenyang Ligong University,Shenyang 110159，China)

The forging process of Al2024 are simulated by DEFORM-3D software.The influence of the deformation parameter on strain field,damage field and average grain size of Al2024 during forging process were analyzed.The results show that with the increase of rolling reduction,the degree of deformation in the forging increases and the average grain size increases gradually.With the increase of temperature,the maximum strain,damage and average grain size become larger and larger,and the maximum damage value increases obviously from 400℃ to 450℃.When the temperature reaches 500℃,the average grain size decreases.KeywordsDEFORM-3D;Al2024;forging

2017-01-10

冉乙川(1996—)，女，碩士研究生；通訊作者：周麗(1971—)，女，教授，博士，研究方向：機械設(shè)計及模擬計算。

1003-1251(2017)04-0078-05

TP391

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