胡盛德，杜張環(huán)，余 昊，李立新

(武漢科技大學(xué)鋼鐵冶金新工藝湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 武漢，430081)

建筑、化工及食品機(jī)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(diǎn)，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(jī)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(shí)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(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)方法，對影響材料延性斷裂行為的軋制工藝參數(shù)進(jìn)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(shí)驗(yàn)，對所得參數(shù)的可靠性進(jìn)行驗(yàn)證。

1 材料延性斷裂準(zhǔn)則及閾值確定

1.1 Brozzo延性斷裂準(zhǔn)則

本研究采用Brozzo等[6]提出的金屬延性斷裂準(zhǔn)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(zhǔn)則是在Cockcroft &Latham延性斷裂準(zhǔn)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(zhǔn)確地預(yù)測起裂時(shí)間和位置[8]，Brozzo準(zhǔn)則可表示為：

(1)

1.2 試驗(yàn)鋼斷裂閾值的確定

結(jié)合現(xiàn)場軋制實(shí)驗(yàn)及相同條件的有限元模擬，提取Brozoo延性斷裂準(zhǔn)則所需的主應(yīng)力、等效應(yīng)變和達(dá)到閾值時(shí)的總塑性應(yīng)變等參數(shù)，即可計(jì)算得到試驗(yàn)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(jìn)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(zhǔn)則分別對每個(gè)網(wǎng)格單元進(jìn)行數(shù)值積分，獲得一個(gè)延性斷裂值，取所有單元積分的最大值即為試驗(yàn)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(shí)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(gè)過程。三輥行星軋機(jī)工作主要是在3個(gè)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(yùn)動(dòng)與接觸條件過于復(fù)雜，故需進(jìn)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(shí)，由于棒材變形量較大，當(dāng)棒材直接咬入旋壓時(shí)，表層單元由于金屬堆積畸變嚴(yán)重，易導(dǎo)致模擬終止，故將坯料前端設(shè)計(jì)成圓錐形，且只取一定長度的坯料進(jìn)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(diǎn)六面體線性減縮積分單元)，如圖3(b)所示。

(3)軋件做螺旋運(yùn)動(dòng)，軋輥?zhàn)赞D(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(dòng)，此設(shè)計(jì)可大大降低建模難度和縮短計(jì)算時(shí)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(yàn)鋼的物性參數(shù)

在Gleeble 3500型熱模擬試驗(yàn)機(jī)下進(jìn)行壓縮實(shí)驗(yàn)，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(shí)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(yùn)動(dòng)邊界條件：該系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)主要包括坯料的軸向運(yùn)動(dòng)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?zhàn)赞D(zhuǎn)可通過主、輔電動(dòng)機(jī)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(shí)現(xiàn)，本文定義為相同速度軋件的反向轉(zhuǎn)動(dòng)。

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(gè)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(dòng)，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(gè)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(shí)，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(jìn)行，軋件變形量快速增加(見圖6(c))；伴隨著軋件的轉(zhuǎn)動(dòng)，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(shí)驗(yàn)方案及模擬結(jié)果

某工廠利用三輥行星軋機(jī)軋制含Bi不銹鋼棒材時(shí)，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(gè)軋制工藝參數(shù)作為因素，每個(gè)因素取4個(gè)水平，利用正交實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)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(jìn)行積分計(jì)算，Φmax為Φ值中的最大值。

表2 正交實(shí)驗(yàn)因素水平表

表3 正交實(shí)驗(yàn)方案及模擬結(jié)果

3.2 正交實(shí)驗(yàn)的極差分析

表4 極差分析結(jié)果

為進(jìn)一步分析這5個(gè)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(yàn)證

采用根據(jù)正交實(shí)驗(yàn)得到的最優(yōu)工藝參數(shù)進(jìn)行現(xiàn)場軋制，實(shí)驗(yàn)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(jī)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(shí)際生產(chǎn)需要。由此可見，采用Brozzo材料延性斷裂準(zhǔn)則結(jié)合基于有限元分析的正交實(shí)驗(yàn)，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(zhǔn)則結(jié)合基于有限元模擬的正交實(shí)驗(yàn)，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(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)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(gè)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。