舒建訊，李 健，關(guān)志軍，譚 凱，王振寧，王 佳

(西北工業(yè)大學(xué)，陜西 西安 710072)

鉬粉燒結(jié)體高壓扭轉(zhuǎn)成形過程的數(shù)值模擬

舒建訊，李 健，關(guān)志軍，譚 凱，王振寧，王 佳

(西北工業(yè)大學(xué)，陜西 西安 710072)

高壓扭轉(zhuǎn)成形產(chǎn)生劇烈的塑性變形，有利于燒結(jié)體致密化，不同的工藝參數(shù)下材料的變形不同，使得其致密效果也不相同，嚴(yán)重地影響著燒結(jié)材料的成形質(zhì)量和使用性能。本文運(yùn)用有限元軟件對(duì)鉬粉燒結(jié)體高壓扭轉(zhuǎn)成形過程進(jìn)行了分析，研究了成形過程中材料的塑性流動(dòng)，討論了溫度、摩擦因數(shù)、扭轉(zhuǎn)角速度對(duì)坯料應(yīng)變分布情況的影響。結(jié)果表明：相對(duì)于致密材料，燒結(jié)材料高壓扭轉(zhuǎn)發(fā)生更大的變形；摩擦因數(shù)對(duì)等效應(yīng)變、變形均勻性的影響最顯著，摩擦因數(shù)和扭轉(zhuǎn)角速度的增加促進(jìn)應(yīng)變?cè)龃?，而摩擦因?shù)大于0.8時(shí)，其影響減弱；溫度在300～450℃對(duì)等效應(yīng)變和變形均勻性的影響不顯著。

高壓扭轉(zhuǎn)；鉬粉燒結(jié)體；應(yīng)變分布；工藝參數(shù)；數(shù)值模擬

0 前言

工藝參數(shù)的選擇對(duì)材料高壓扭轉(zhuǎn)后的加工和使用性能將產(chǎn)生重要影響。近年來，由于高壓扭轉(zhuǎn)實(shí)驗(yàn)設(shè)備的限制，有限元法成為求解和分析高壓扭轉(zhuǎn)成形過程的主要方法。魏興等[11]對(duì)20CrMnTi高壓扭轉(zhuǎn)進(jìn)行有限元模擬及實(shí)驗(yàn)，得到成形過程中應(yīng)變的分布及變化趨勢(shì)。Figneriredo[12]等對(duì)強(qiáng)化、軟化和剛塑性材料的高壓扭轉(zhuǎn)過程進(jìn)行了有限元模擬，揭示了變形中不同材料塑性流動(dòng)的差異。相對(duì)于致密體而言，對(duì)可壓縮的非致密的燒結(jié)體高壓扭轉(zhuǎn)成形的研究較少,由于燒結(jié)體的致密主要是孔隙的閉合過程，孔隙的閉合與材料成形過程中的等效應(yīng)變分布密切相關(guān)[13]，而溫度、摩擦因數(shù)、扭轉(zhuǎn)角速度影響高壓扭轉(zhuǎn)成形的變形。本文運(yùn)用有限元模擬軟件DEFORM-3D對(duì)鉬粉燒結(jié)體的高壓扭轉(zhuǎn)過程進(jìn)行數(shù)值模擬，研究了不同工藝參數(shù)(溫度、摩擦因數(shù)、扭轉(zhuǎn)角速度)對(duì)變形的影響規(guī)律，并對(duì)其塑性流動(dòng)過程進(jìn)行分析。對(duì)模擬結(jié)果進(jìn)行分析，得到了不同工藝參數(shù)對(duì)變形及其均勻性的影響規(guī)律，為生產(chǎn)實(shí)踐中合理選擇工藝參數(shù)提供依據(jù)。

1 有限元模型建立及試驗(yàn)設(shè)計(jì)

本研究采用半限定型高壓扭轉(zhuǎn)工藝，模具采用經(jīng)過熱處理的高強(qiáng)度模具鋼H13，在成形過程中模具發(fā)生微小的彈性變形，通?？珊雎?，因此，本研究將模具設(shè)定為剛體，不考慮模具在成形過程中的變形。鉬粉燒結(jié)體作為需要加工的坯料，設(shè)定為多孔材料，初始相對(duì)密度為0.8。坯料和模具的三維造型用UG軟件完成，并轉(zhuǎn)換為IGS格式導(dǎo)入有限元軟件前處理模塊。該模型由三部分組成：上模、下模、鉬坯。鉬坯尺寸為Φ10 mm×1.0 mm，上、下模具帶有0.25 mm的凹槽，側(cè)壁與軸線呈22°，整個(gè)有限元模型如圖1所示。

圖1 高壓扭轉(zhuǎn)的有限元分析模型Fig.1 Finite element analysis model of HPT

有限元模擬中邊界條件通常包括傳熱邊界、位移邊界以及力的邊界。在高壓扭轉(zhuǎn)變形過程中，上模向下運(yùn)動(dòng)，下模旋轉(zhuǎn)，同時(shí)鉬坯、模具以及環(huán)境間進(jìn)行熱交換，下壓量達(dá)到0.5 mm時(shí)模擬結(jié)束。模具與坯料間的傳熱系數(shù)為2000 W·m-2·K-1，模具和坯料間的傳熱系數(shù)為21 W·m-2·K-1，試驗(yàn)與模擬條件如表1。

表1 試驗(yàn)與模擬條件

為了研究溫度、摩擦因數(shù)和扭轉(zhuǎn)角速度的影響，采用單一因素法，溫度分別為300 ℃、350 ℃、400 ℃和450 ℃；摩擦因數(shù)依次取0.4、0.6、0.8和1.0；扭轉(zhuǎn)角速度取值0.15 rad·s-1、0.30 rad·s-1、0.45 rad·s-1、0.60 rad·s-1。同時(shí)設(shè)計(jì)虛擬正交試驗(yàn)，其因素水平如表2所示。

表2 因素水平表

等效應(yīng)變的大小及分布情況在一定程度上可以反映出坯料變形積累的效果，進(jìn)而決定了材料的致密效果以及材料的使用性能。因此可以用等效應(yīng)變作為評(píng)判依據(jù)，同時(shí)定義參數(shù)β為坯料的變形均勻性參數(shù)，可用公式(1)表示。

(1)

式中，εmax、εmin、εavg分別為最大、最小和平均等效應(yīng)變。β值越小，表示坯料變形越均勻，密度分布也越均勻，成形后的坯料的力學(xué)性能越好，成形效果越好。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 材料的塑性流動(dòng)和應(yīng)變分布

高壓扭轉(zhuǎn)工藝屬于大變形，成形過程中材料發(fā)生劇烈的塑性流動(dòng)。圖2描述了在變形過程中鉬坯的塑性流動(dòng)。為了方便觀察鉬坯的變形，隱藏上模。由圖2可以看出，初始階段，材料的塑性流動(dòng)比較緩慢。坯料在模具的作用下，首先充滿模具凹槽，當(dāng)坯料的形狀與凹槽一致時(shí)，材料開始流向上下模具之間的間隙。隨后坯料的厚度大幅度減小，塑性流動(dòng)速度明顯增大，由于厚度減小而產(chǎn)生的多余材料沿著坯料的邊緣向外流動(dòng)，在上下模具之間的間隙形成凸緣。隨著變形的進(jìn)行，凸緣向外拓展，厚度減薄。初始階段材料塑性流動(dòng)緩慢主要是因?yàn)榘疾蹅?cè)壁在成形過程中的對(duì)流動(dòng)的限制作用，同時(shí)初始階段由于坯料存在空隙，材料致密化明顯，由摩擦力產(chǎn)生的剪切作用不顯著。隨著上模具下壓及坯料致密，摩擦力隨之增大，致使剪切作用增強(qiáng)，坯料劇烈變形，塑性流動(dòng)速度顯著增大。圖3為試驗(yàn)前后試樣的形貌，與模擬得到的結(jié)果一致。

圖2 高壓扭轉(zhuǎn)成形過程不同階段坯料的塑性流動(dòng)Fig.2 Plastic flow of the sample at different stages of HPT processing

致密金屬高壓扭轉(zhuǎn)過程中，成形后的應(yīng)變分布與壓力無關(guān)，僅與扭轉(zhuǎn)的圈數(shù)N、距離中心距離r和坯料的厚度t有關(guān)，其理論計(jì)算如公式(2)[14]：

(2)

圖3 變形前后HTP試樣形貌Fig.3 Appearance of the undeformed and deformed specimens

在成形后的鉬坯上距中心等距離選取6個(gè)點(diǎn)，比較模擬與致密材料理論的等效應(yīng)變，如圖4所示。從圖4中可以看出，鉬坯的等效應(yīng)變中間小，距中心距離小于3 mm時(shí)，其等效應(yīng)變線性增加，其后劇烈增加。這主要是因?yàn)殂f坯邊緣有側(cè)壁的約束，并且剪切作用強(qiáng)，有飛邊的產(chǎn)生。與致密金屬高壓扭轉(zhuǎn)的理論結(jié)果對(duì)比，模擬的等效應(yīng)變明顯大于理論值。這表明，非致密的鉬坯的高壓扭轉(zhuǎn)的等效應(yīng)變分布與致密金屬的有很大不同，這主要是因?yàn)榉侵旅艿牟牧系淖冃闻c靜水應(yīng)力相關(guān)，靜水應(yīng)力可以促進(jìn)燒結(jié)材料的致密和變形，而不會(huì)影響致密材料的變形。

圖4 模擬和理論等效應(yīng)變Fig.4 The effective strain of FEM and theroretical one

2.2 溫度對(duì)應(yīng)變分布的影響

當(dāng)摩擦系數(shù)為0.8，擠壓速度為0.1 mm·s-1、扭轉(zhuǎn)角速度為0.45 rad·s-1時(shí)不同溫度下坯料的等效應(yīng)變分布如圖5a所示。改變成形溫度，坯料中等效應(yīng)變的分布情況基本一致。從圖可以看出，等效應(yīng)變?cè)谥行奈恢眠_(dá)到最小，而最大等效應(yīng)變出現(xiàn)在坯料邊角處，這與文獻(xiàn)[15]研究結(jié)果一致。另外，隨著變形溫度的升高，坯料的等效應(yīng)變逐漸增大，大應(yīng)變區(qū)域向中心擴(kuò)展，低應(yīng)變區(qū)域縮小，邊角處的等效應(yīng)變值增大。這是因?yàn)殡S著變形溫度的升高，材料的流動(dòng)性加強(qiáng)，變形抗力降低，材料產(chǎn)生了大的塑性變形。圖5b為坯料平均等效應(yīng)變及變形均勻性參數(shù)隨溫度的變化曲線。從圖中可以看出，隨著變形溫度的升高，坯料的變形均勻性參數(shù)β值減小，這表明在300 ℃到450 ℃的溫度區(qū)間內(nèi)，隨著溫度的升高，坯料的等效應(yīng)變分布趨向于更加均勻，變形也更加均勻。這與上文中大應(yīng)變區(qū)域擴(kuò)展，低應(yīng)變區(qū)域減小的趨勢(shì)相一致。然而，溫度對(duì)變形均勻性的影響并不十分明顯。平均等效應(yīng)變?cè)跍囟茸兓^程中變化很小，但變化趨勢(shì)加快。因此，在鉬粉燒結(jié)體高壓扭轉(zhuǎn)實(shí)際生產(chǎn)過程中，通常變形溫度取值400 ℃到450 ℃，這樣即避免鉬的氧化，又可以降低鉬的變形抗力，提高鉬的塑性變形能力。

圖5 應(yīng)變與溫度的關(guān)系Fig.5 Relationship between strain and temperature

2.3 摩擦因數(shù)對(duì)應(yīng)變分布的影響

當(dāng)溫度為300 ℃、擠壓速度為0.1 mm·s-1、扭轉(zhuǎn)角速度為0.45 rad·s-1時(shí)不同摩擦因數(shù)下坯料的等效應(yīng)變分布如圖6(a)所示。由圖可以看出，隨著摩擦因數(shù)的增大，坯料的大應(yīng)變區(qū)域顯著增加，等效應(yīng)變值也隨之增大。顯然，摩擦因數(shù)的增大，促進(jìn)了材料的變形。這是因?yàn)槟Σ亮κ歉邏号まD(zhuǎn)產(chǎn)生剪切變形的直接影響因素，坯料與模具間的摩擦過小，就會(huì)引起相對(duì)滑動(dòng)，摩擦的增大，材料積累的剪切應(yīng)變也增大。文獻(xiàn)[16]中為了避免相對(duì)滑動(dòng)，在模具表面刻畫田字格以增大摩擦。圖6b為坯料平均等效應(yīng)變和變形均勻性參數(shù)隨摩擦因數(shù)的變化曲線。從圖可以看出，當(dāng)摩擦因數(shù)小于等于0.8時(shí)，隨著摩擦因數(shù)的增大，坯料的平均等效應(yīng)變逐漸增加，變形均勻性參數(shù)逐漸減小，說明當(dāng)摩擦因數(shù)等于0.8時(shí)，變形程度大，且變形均勻；當(dāng)摩擦因數(shù)大于0.8時(shí)，坯料的平均等效應(yīng)變減小，且變形均勻性參數(shù)β值增大，說明此時(shí)坯料的變形程度減小，變形不均勻。這是由于當(dāng)摩擦因數(shù)過大時(shí)，剪切力會(huì)將坯料會(huì)將坯料在變形過程中產(chǎn)生的凸緣剪掉，導(dǎo)致扭矩不能很好地傳遞到坯料上，進(jìn)而導(dǎo)致變形減小，變形不均勻。

圖6 應(yīng)變與摩擦因數(shù)的關(guān)系Fig.6 Relationship between strain and friction coefficient

2.4 扭轉(zhuǎn)角速度對(duì)應(yīng)變分布的影響

當(dāng)溫度為300 ℃、摩擦系數(shù)為0.8、擠壓速度為0.1 mm·s-1時(shí)不同扭轉(zhuǎn)角速度下坯料的等效應(yīng)變分布如圖7a所示。從圖可以看出，不同扭轉(zhuǎn)角速度下坯料的等效應(yīng)變分布類似。隨著扭轉(zhuǎn)角速度的增大，坯料的大變形區(qū)逐漸增大，且坯料的大變形區(qū)逐漸從邊緣向中心拓展。這表明，在高壓扭轉(zhuǎn)變形過程中，當(dāng)下壓量相同時(shí)，隨著扭轉(zhuǎn)角速度的增大，等效應(yīng)變?cè)龃蟆＿@是因?yàn)楦邏号まD(zhuǎn)成形中主要的應(yīng)變來自于剪切力作用，相同條件下，扭轉(zhuǎn)角速度大的坯料扭轉(zhuǎn)角度大，材料的剪切應(yīng)變積累大。圖7b是坯料的平均等效應(yīng)變及變形均勻性隨扭轉(zhuǎn)角速度的變化曲線。由圖可以看出，當(dāng)扭轉(zhuǎn)角速度小于0.3 rad·s-1時(shí)，隨著扭轉(zhuǎn)角速度的增大，坯料的平均等效應(yīng)變逐漸變大；當(dāng)扭轉(zhuǎn)角速度大于0.45 rad·s-1時(shí)，隨著扭轉(zhuǎn)角速度的增大，坯料平均等效應(yīng)變逐漸減小。這是因?yàn)楫?dāng)扭轉(zhuǎn)角速度不大時(shí)，隨著扭轉(zhuǎn)角速度的增大，下模傳遞的扭矩逐漸增大，并且可以得到有效的傳遞；當(dāng)扭轉(zhuǎn)角速度較大時(shí)，模具與坯料之間的相對(duì)扭轉(zhuǎn)角速度增大，扭矩的傳遞出現(xiàn)滯后。當(dāng)扭轉(zhuǎn)角速度為0.15 rad·s-1時(shí)，變形均勻性參數(shù)β最小，說明坯料變形最均勻。這是因?yàn)榕まD(zhuǎn)角速度較小時(shí)，坯料沒有產(chǎn)生較大的剪切變形。而隨著扭轉(zhuǎn)角速度的增大，剪切變形作用明顯，邊緣處的變形要大于中心，故變形均勻性變差。

圖7 應(yīng)變與扭轉(zhuǎn)角速度的關(guān)系Fig.7 Relationship between strain and temperature

2.5 多因素正交試驗(yàn)分析

正交模擬試驗(yàn)結(jié)果如表3所示。表中K1，K2，K3，K4為每個(gè)因素水平相同的各次試驗(yàn)結(jié)果的總和。R代表極差，反映了試驗(yàn)中相應(yīng)因素對(duì)試驗(yàn)指標(biāo)作用的顯著性。

通過虛擬正交試驗(yàn)分析，得到了不同工藝參數(shù)對(duì)變形的影響規(guī)律：

摩擦因數(shù)>扭轉(zhuǎn)角速度>變形溫度(從主到次)。

表3 正交試驗(yàn)結(jié)果

3 結(jié)論

(1)基于DEFORM-3D平臺(tái)，建立了鉬粉燒結(jié)體高壓扭轉(zhuǎn)三維有限元模型，與致密材料成形的應(yīng)變分布進(jìn)行對(duì)比，成形后的燒結(jié)材料的應(yīng)變更大。

(2)隨著摩擦因數(shù)的增大，坯料平均等效應(yīng)變和變形均勻性值增大，摩擦因數(shù)大于0.8時(shí)，其值略有減小，表明摩擦因數(shù)對(duì)其變形影響存在極限。隨著扭轉(zhuǎn)角速度的增大，坯料平均等效應(yīng)變先增大后減??；變形均勻性持續(xù)變差。溫度對(duì)變形過程中等效應(yīng)變的分布影響不顯著。

(3)通過虛擬正交試驗(yàn)，得到工藝參數(shù)對(duì)應(yīng)變的影響顯著性：摩擦因數(shù)>扭轉(zhuǎn)角速度>變形溫度。

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Numerical simulation of high-pressure torsion for sintered molybdenum

SHU Jian-xun, LI Jian, GUAN Zhi-jun, TAN Kai, WANG Zhen-ning, WANG Jia

(Northwest Polytechnical University, Xi’an 710072,China)

The severe plastic deformation produced by HPT enhances the densification of sintered materials. The various process parameter leads to the different densification, which influences the quality and usability seriously. High pressure torsion for molybdenum powder sinter was investigated by using finite element software. The plastic flow of the sample during processing was studied, and the influences of temperature, friction coefficient, and angular velocity on the distributions of effective strain were discussed. The results show that the sintered sample experience much significant plastic flow during the high pressure torsion processing compared with fully dense materials. The friction coefficient levels have an important influence on the average effective strain and deformation uniformity. The increasing friction coefficient and angular velocity enhance deformation. However, its effects are weakening when friction coefficient exceed 0.8. The effect of temperature on the average effective strain and deformation uniformity is not remarkable.

high pressure torsion; sintered molybdenum; strain distribution; processing parameter; numerical simulation

2016-02-22；

2016-04-12

舒建訊(1992-)，男，西北工業(yè)大學(xué)碩士研究生，研究方向：材料工程塑性成形。

TG319

A

1001-196X(2016)03-0040-06