板帶熱軋過程中三維大變形熱彈塑性分析

板帶熱軋過程中三維大變形熱彈塑性分析

在帶圈的熱壓過程中，為了控制壓裂產(chǎn)品的力學(xué)能力和組織性能，國內(nèi)外的科學(xué)研究人員正在進(jìn)行中。由于板帶熱軋過程實(shí)質(zhì)上是三維大變形熱彈塑性問題,變形過程中塑性功轉(zhuǎn)化為熱,變形體與工具及周圍介質(zhì)間存在熱變換,從而在變形體內(nèi)產(chǎn)生較大的溫度梯度。而溫度、應(yīng)變、應(yīng)變率和流動應(yīng)力相互影響,并進(jìn)一步影響到變形后金屬的微觀組織及其力學(xué)性能,從這個角度講,熱軋過程是高度非線性的熱力耦合問題,所以研究熱變形過程中溫度場、應(yīng)變場、應(yīng)變速率場的分布及變化,是控制金屬微觀組織和力學(xué)性能的基礎(chǔ),對指導(dǎo)新一代鋼鐵合金的設(shè)計有著重要的理論意義和實(shí)際應(yīng)用價值。目前,采用有限元法對三維熱軋問題進(jìn)行研究仍處于探索階段,主要是因?yàn)槿S變形接觸情況復(fù)雜、實(shí)體造型和網(wǎng)格劃分技術(shù)要求高、計算及存儲量大。文獻(xiàn)雖采用有限元法對板帶三維熱軋過程進(jìn)行了分析,但所作的過多假設(shè)造成很大的誤差,與實(shí)際情況不符。本文作者從數(shù)值模擬的角度出發(fā),應(yīng)用有限元軟件(MARC)的二次開發(fā)技術(shù)對板帶熱軋過程進(jìn)行模擬,研究了板帶熱軋過程中變形區(qū)內(nèi)的溫度分布和溫度變化,探索了軋制條件變化對溫度場的影響,為進(jìn)一步分析和模擬微觀組織提供了準(zhǔn)確的原始數(shù)據(jù)。1模型的構(gòu)建1.1應(yīng)力及應(yīng)變分析采用更新拉格朗日法研究板帶的熱軋過程,基于Prandtl-Reuss流動理論,結(jié)合Miss屈服理論準(zhǔn)則,速率型的有限元本構(gòu)方程可寫為:σ˙ij=Dijklε˙kl(1)σ˙ij=Dijklε˙kl(1)式中σ˙ijσ˙ij——Jaumann應(yīng)力率;Dijkl——彈塑性本構(gòu)矩陣;ε˙klε˙kl——應(yīng)變率。Dijkl=2G{δikδjl+δijδkl(υ1?2υ)?3σ′ijσ′kl2σˉ2[1+Y/(3G)]}(2)Dijkl=2G{δikδjl+δijδkl(υ1-2υ)-3σij′σkl′2σˉ2[1+Y/(3G)]}(2)式中G=E/2(1+υ);E——彈性模量;υ——泊松比;σˉσˉ——等效應(yīng)力;Y——屈服應(yīng)力對應(yīng)變的導(dǎo)數(shù);σ′ij,σ′kl——偏應(yīng)力;δik,δjl,δij,δkl——Kronecker符號。1.2u3000接觸傳熱模型軋制過程的傳熱是一個具有內(nèi)熱源的不穩(wěn)定傳熱問題,軋制時軋件的自由表面存在熱傳導(dǎo)、熱對流和熱輻射三類邊界條件。由于軋制過程中對流所產(chǎn)生的熱損失在整個熱損失中所占比例較小,可將其與輻射邊界條件統(tǒng)一作為一個邊界條件處理,即:q=H(T-T∞)(3)式中q——熱流密度;H——等效熱傳導(dǎo)系數(shù),H=h+hc;h——對流換熱系數(shù);hc——輻射換熱系數(shù),hc=Eσ(T+T∞)(T2+T2∞);E——黑度;σ——波爾茲曼常數(shù);T,T∞——軋件表面和環(huán)境溫度。而接觸傳熱可描述為:qr=hr(T-Td)(5)式中qr——接觸熱流量;hr——接觸換熱系數(shù);Td——軋件與軋輥表面接觸溫度。此外,對于軋制過程中的接觸摩擦邊界條件,可采用修正剪切摩擦定律,即:τf≤?mσn2πarctan[υr]t(6)τf≤-mσn2πarctan[υr]t(6)式中τf——剪切摩擦力;m——軋件與軋輥的摩擦因子;σn——法向應(yīng)力;v——軋件與軋輥的相對滑動速度向量;r——發(fā)生滑動時接觸體之間的臨界相對滑動速度;t——相對滑動速度方向上的切向單位向量,t=v|v|t=v|v|。1.3u2004物理模擬實(shí)驗(yàn)板帶的熱軋過程是一個幾何、物理和邊界條件的三重非線性問題,考慮到計算時間及數(shù)據(jù)存儲量,應(yīng)在保證計算結(jié)果精度的基礎(chǔ)上,對計算模型進(jìn)行相應(yīng)的簡化。本文作者在上海寶山鋼鐵集團(tuán)公司鋼研所的實(shí)驗(yàn)軋機(jī)上進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)。采用熱電偶埋入法對軋件中心及距表面2mm處的溫度進(jìn)行了實(shí)測。軋制坯料長100mm,斷面為70mm×45mm。軋輥直徑為375mm,周向速度為1m/s?？紤]到軋件的對稱性,取軋件的1/4斷面進(jìn)行網(wǎng)格劃分,用1000個六面體單元離散軋件,斷面上單元數(shù)為10×5=50個,長度方向單元數(shù)為20個,在兩個對稱面上施加約束條件,將軋件視為變形體,而將軋輥為剛性體。材料的熱物理性能(熱傳導(dǎo)系數(shù),熱容和熱膨脹系數(shù))是隨溫度變化的。材料的變形抗力是表征金屬與合金塑性加工性能的一個最基本的物理量。金屬在塑性加工時的變形抗力,不但是衡量材料可鍛性的重要標(biāo)志,同時還在一定程度上反映了材料微觀組織的變化。影響變形抗力的因素,除了材料本身的冶金因素外,還取決于變形溫度、變形量及變形溫度等,因而很難推導(dǎo)出精確的計算公式,要想獲得精確的變形抗力值,只有通過物理模擬實(shí)驗(yàn)。因此,本文作者在Gleeble1500實(shí)驗(yàn)機(jī)上對軋制材料進(jìn)行了變形抗力實(shí)驗(yàn),所得實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)示于圖1。2入軋區(qū)域的接觸傳熱系數(shù)熱軋過程中,板帶上兩個典型位置(中心和表面)的溫度計算值和實(shí)測值見圖2。由圖2(a)可以看出,軋件進(jìn)入軋制區(qū)后,表面溫度急劇下降(這是軋件和軋輥接觸傳熱的結(jié)果),而軋件中心的溫度略有上升(因?yàn)樗苄怨D(zhuǎn)化為熱)。圖2(a)、(b)還反映出在其它軋制條件不變的情況下,隨著壓下量的下降,接觸換熱系數(shù)隨之減小。這是由于在不同的壓下量下,軋制力發(fā)生變化,軋輥與軋件的接觸狀態(tài)也隨之