（材料加工工程专业论文）gh4169合金热连轧过程的数值模拟与工艺研究.pdf

分类号 u d c 密级 学位论文 g h 4 1 6 9 合金热连轧过程的数值模拟与工艺研究 作者姓名 指导导师姓名 申请学位级别 学科专业名称 论文提交日期 学位授予日期 评阅人 隋凤利 型担坐塾撞 论文答辩日期2 q q 窆：q 2 ：q 三 答辩委员会主席墨孟盎 东北大学 2 0 0 9 年5 月 堕 丝土 塞 实一 一 占，i 占盐 工一 一 一 三 一堂冀三羞兰越 一 ad i s s e r t a t i o ni nm a t e r i a l sf o r m i n ge n g i n e e r i n g t e c h n o l o g i c a ls t u d ya n d n u m e r i c a ls i m u l a t i o no n h o tc o n t i n u o u sr o l l i n go fg h 4 1 6 9a l l o y b y s u if e n g l i s u p e r v i s o r ：p r o f e s s o r l i ux i a n g h u a p r o f e s s o rc h e nl i q i n g n o r t h e a s t e r nu n i v e r s i t y m a y 2 0 0 9 独创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是在导师的指导下完成的。论文中 取得的研究成果除加以标注和致谢的地方外，不包含其他人己经发表 或撰写过的研究成果，也不包括本人为获得其他学位而使用过的材料。 与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明确 的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：倒 日 期：抛罗7 哆 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者和指导教师完全了解东北大学有关保留、使用 学位论文的规定：即学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论 文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人同意东北大学可 以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索、交流。 半年口一年口一年半口两年 学位敝储繇低捌翩虢勿弋舛 签字日期：力弦罗7 签字日期：d 7 ，7 、圹 东北大学博士学位论文 摘要 g h 4 1 6 9 合金热连轧过程的数值模拟与工艺研究 摘要 作为铁镍铬基高温合金，g h 4 1 6 9 合金因其优异的性能和广泛的用途，在高 温合金用量中占据绝对重要的位置。热轧棒材是g h 4 1 6 9 合金的主要冶金产品， 其生产方式正实现由传统的横列式轧制生产向高效、优质的热连轧方式迈进。热 连轧过程中，坯料的加热温度、轧制规程以及轧后的冷却与固溶方式等因素会直 接影响产品的微观组织与性能。 本文以特种合金与高合金钢热连轧生产线上g h 4 1 6 9 合金圆钢的热连轧过程 为研究对象，建立了该合金等温和加热过程的晶粒长大模型、热连轧过程的流变 应力模型、热连轧过程热力耦合有限元分析模型、描述合金可加工性的加工图等， 系统地分析了热连轧过程的加热、轧制和轧后冷却工艺。具体内容如下： ( 1 ) 以g h 4 1 6 9 合金原始方坯提供的金相组织为前提，基于小试样在不同温度、 不同保温时间下获得金相组织所提供的晶粒尺寸，回归等温条件和非等温条件下 的晶粒长大模型，其有效性在实验范围和实际生产过程中进行了验证。 ( 2 ) 以g h 416 9 合金粗化( 接近轧制前的组织) 后的金相组织为前提，利用圆柱 体单轴压缩实验获得不同温度和应变速率下的真应力真应变曲线，回归和验证了 满足有限元精确计算所需要的流变应力模型，结合该合金的动态再结晶和亚动态 再结晶模型确立了热连轧过程的流变应力模型，达到综合考虑组织软化的热力耦 合作用的目的。 ( 3 ) 以弹塑性大变形有限元理论为基础，以大型有限元分析软件 a n s y s l 0 0 l s d y n a 为开发平台，综合考虑热连轧过程g h 4 1 6 9 合金的温度场模 型、流变应力模型、组织演变模型和各种初始条件、边界条件建立该合金圆钢热 连轧过程的热力耦合分析模型，该模型的有效性在合金的一个实际轧制过程f 初轧 开坯过程和热连轧过程 ) 得到了验证。 ( 4 ) 选取轧件中间断面及断面上的节点和单元作为分析对象，利用所建立的 有限元模型对该断面在圆钢热连轧过程中等效应变、等效应变速率、等效应力、 温度和晶粒尺寸等变量的变化进行数值模拟。分析了中间方坯初始温度、初始速 东北大学博士学位论文摘要 度( 与各机架轧制速度相匹配) 对上述各变量的影响，找出控制热连轧工艺的关键。 ( 5 ) 根据圆柱体单轴压缩实验获得的不同温度和应变速率下的真应力真应变 曲线，基于动态材料模型理论，制作了用于圆钢热连轧过程工艺分析的加工图， 分析了g h 4 1 6 9 合金变形过程中的稳定性问题，发生动态再结晶的应变、应变速 率和温度条件以及实现热连轧的可能性。 ( 6 ) 综合加工图与有限元分析的结果，初步制定g h 4 1 6 9 合金的热连轧工艺 如下：隧道式加热炉的加热温度为1 0 5 0 + 5 ，加热的时间控制在2 5 m i n ；圆钢 成品道次为第4 6 道次时，中间方坯的初始速度控制在o 1 5 0 3 5 m s d 之间；圆钢 成品道次为第7 1 0 道次时，中间方坯的初始速度控制在0 1 5 0 2 5 m s 。之间；圆 钢成品道次为第1 1 1 6 道次时，中间方坯的初始速度控制在 3 比较 合适。 ( 2 ) 基于d m m 的准则 p r a s a d 准则 p r a s a d - 等 2 9 1 根据z i e g l e r 3 0 1 提出的最大熵产生率原理，认为如果耗散函数d ( 叠) 同应变速率占满足不等式： d dd 面 了 ( 1 1 0 ) 则系统不稳定。由于，值反映了冶金学过程中的功率耗散，所以与冶金学稳定性 有关的功率耗散函数就由，给出，即d = - j 。这样就得到了材料流变失稳准则： a l n f 旦 孝( 叠) = 等+ m o ( 1 1 1 ) 该塑性失稳准则就是p r a s a d 准则，虽然其形式比较复杂，但应用最广泛，已 在z r 合金3 1 1 、c u z n 合金【3 2 1 、a i s l 3 0 4 不锈钢【3 3 ，3 4 1 、a 1 合金【3 5 】、t i 合金 3 6 、高 温合金【3 7 1 等材料中得到验证。 g e g e l 准则 g e g e l 等人根据l i a p u n o v 稳定性准则3 6 1 推导出塑性稳定判定准则： 黑0 ，0 r l(112)i an 0 l 熹 2 mo r 刁0 ( 1 1 7 ) m u r t y 等假定实验在最低应变速率下的m 值不变，则式1 1 6 中的g 式的积分 可表达为【3 9 】： g - “o - d g + p 扣l 磊l + 扣叠 由于m u r t y 准则应用起来简捷方便，目前己在i n c o n e l 7 1 8 3 8 1 、t c l l 4 0 1 等合金 中得到很好的应用。 上述塑性失稳准则得出的结果通常是不完全一致的，有时还会出现互相矛盾 的地方，特别是在确定不稳定区域时更明显，往往需要借助金相观察的手段来加 以识别。 1 3 2 3 加工图的构造与应用 在不同应变下，由温度丁和应变速率营所构成的二维平面上叠加功率耗散图 和流变失稳图，即构成力1 i ( p r o c e s s i n gm a p ) 。加工图不仅描述了确定性区域中 某种特定微观组织的变形机制，而且还描绘了加工过程中应该避免的流变失稳区 域，并且还可获得优化的可加工温度和应变速率范围【4 1 1 。 ( 1 ) 加工图的构造 加工图的构造一般利用热压缩实验获得的不同温度和不同应变速率下的真应 力真应变曲线提取实验数据，采用三次样条函数拟合l n a - 与i n k 的关系，按式1 3 计算m ，用式1 6 计算耗散效率因子印，再选择式1 9 、1 1 1 和1 1 7 中的一个计算 流变失稳区域，从而在由温度和i n k 所构成的平面内绘制不同真应变下功率耗散 效率因子材的等值曲线图和流变失稳区域，构成加工图。 东北大学博士学位论文 第1 章绪论 r o b i 等【4 2 】采用人工神经网络训练试验条件下获得的流变应力数据，可以准确 地预测未做试验条件范围的流变应力曲线的变化规律，进而采用传统的方法构造 加工图，在一定程度上缓解了试验数据不足的缺陷，也可有效避免个别试验数据 误差过大对求解可靠性的影响，不失为一项有发展前景的方法。 ( 2 ) 加工图的应用 目前，加工图主要在动态再结晶发生、超塑性成形、绝热剪切带形成、楔形 开裂和内部开裂、片状组织球化等领域工件成形的工艺条件分析中得到应用。 动态再结晶一般出现在( 0 7 0 8 ) 死温度，其发生条件随层错能变化而不同。 r a v i c h a n d r a n 和p r a s a d 4 3 】认为动态再结晶随层错能的变化是由位错的形核率和晶 界的迁移率两个过程相互竞争的结果。按照他们的理论，动态再结晶是由形核率 控制的，低层错能的金属形核率低，因而耗散效率也低；对高层错能金属，形核 率高，动态再结晶主要受晶界的迁移率控制，因而动态再结晶耗散效率高，多发 生在低应变速率。 一般细晶材料在温度( 0 7 0 8 ) v m 和应变速率小于0 0 1 s 。1 时出现超塑性。在加 工图中，超塑性区域表现为耗散效率高，且耗散效率随应变速率的下降而急剧上 升。根据晶界滑移和扩散蠕变联合机理( 简称a v 机理) 4 4 】的理论，在晶界滑移的 同时伴随有扩散蠕变，原子的迁移对晶界滑移起调节作用。超塑性成形过程中晶 界的高迁移性导致耗散效率高。 绝热剪切带的形成除了与外界因素有关外，还与材料本身的物理性能有关， 如流动应力随温度变化的敏感性、低加工硬化率、低热传导性和低比热等。其形 成方向与k o b a y a s h i 等 4 5 】采用滑移线场理论预测的结果一致，即与主应力方向成 4 5 0 角。 楔形开裂通常发生在高的变形温度和低的应变速率下，是由于晶粒粗化和低 熔点化合物的溶解引起的 4 6 , 4 7 1 。内部开裂通常发生在高的变形温度和应变速率下 3 7 , 4 7 1 ，是由于低熔点化合物或合金元素在晶界上偏析所导致的沿晶开裂引起的。 s e s h a c h a r y u l u 等【4 8 ，4 9 1 采用加工图手段研究了钛合金片状组织球化的问题，归 纳了合金的组织演变机理。总之，随着人们对加工图研究的深入，其应用范围将 越来越广泛。 东北大学博士学位论文第l 章绪论 1 4 轧制过程分析方法简介 轧制过程的理论研究，就其内容来分，有金属变形的物理基础、物理化学原 理和数学力学理论等，它们之间存在密切的联系。其中，数学力学理论主要是用 宏观数学力学分析和实验方法求解塑性加工过程的力能参数、变形参数以及工件 中的应力、应变分布和金属流动规律等。 轧制过程的分析方法大致可分为两类：一类是解析计算法，如初等解析法、 能量法、滑移线法、界限法、流函数法等：另一类是数值分析法，如影响函数法、 边界元法、有限差分法、有限元法等。在实际应用中，解析计算法常要用到很多 假设，有时会因此产生较大的误差；而数值分析法虽然能够进行更精确的计算， 但计算效率往往比较低。近年来，随着计算机技术的不断发展，后者在材料成形 领域得到越来越多的应用。下面对轧制过程分析中常用的解析法和数值分析方法 进行简要介绍。 1 4 1 初等解析法 传统二维轧制理论，以稳定变形和平面应变为前提，系统地描述了板带轧制 时的受力和变形特点，解决诸如轧制压力、力矩、功率、宽展、前滑等轧制过程 参数的近似计算问题。这个时期轧制理论的主要进展是提出了卡尔曼( k i n m a n ) 方 程和奥罗万( o r o w a n ) 方程，以及以这两个方程为基础附加一些假设条件进行推导 得出的一些轧制压力公式、宽展公式等，并逐渐形成了以切块法( s l a bm e t h o d ) 为 核心的传统轧制理论体系1 5 0 。5 2 j 。 但是对于分析板边部的变形和应力状态，变形区的宽与长之比不是很大的方 坯轧制，以及极端情况下宽向轧制( 立轧) 后沿横向有意识地使变形条件不同的型 材轧制等，平面应变假定不成立。因此，有必要进行轧制过程的三维处理【5 3 1 ”j 。 这些初等解析法在轧制过程的分析及生产实践中发挥了很大的作用，由这些 理论得出的简化公式可以比较简单地求解出生产控制中所需的轧制力、轧制力矩 等参数，并且具有一定的工程精度。但由于计算时都采用一些假设，如果计算参 数处理不当，会引起很大的误差，并且对于轧件内的金属流动分析很难给出准确 的整体视图。 1 4 2 能量法 能量法，也称变分法，其基础是刚塑性材料的变分原理。求解过程一般是根 据所处理问题的边界条件来设定含有若干个待定参数的运动许可速度场或位移 场，然后利用塑性力学理论把总能量泛函或总能耗率泛函表达为这些待定参数的 函数，再利用数学上的极值理论，求泛函的一阶变分并置为零，得到以这些待定 参数为变量的方程组。一般情况下方程的个数与待定参数的个数相同，因而可从 中解出全部待定参数，得到满足变分原理的速度场和位移场，进而利用塑性力学 的基本关系式求出变形参数和力能参数。 1 9 7 5 年，小林史郎等 5 5 】曾用h i l l 提出的速度场，取三个待定参数( 一个表示 中性面，两个表示宽度函数特性) ，研究了平辊轧制矩形件的三维变形问题；进入 2 0 世纪8 0 年代以后，加藤和则5 6 ，57 1 、木内学 5 8 ，5 9 】等人进一步扩大了能量法的应 用范围，考虑到轧制矩形件时轧件横断面的弯曲和侧面的鼓形，采用了五个待定 参数的速度场进行求解；1 9 8 5 年，刘宏民 6 0 】用分条离散法研究了四辊轧机冷轧带 材压力、摩擦力和张力横向分布三维解析中的修正系数；1 9 8 9 年，刘玉礼【6 l j 根据 弹塑性变分原理研究了分条离散的板带三维轧制问题。 用能量法求解可直接得出功率、转矩和由速度场所决定的宽展、前滑等。由 于不能直接得出静水压力，所以不能直接得出应力分布。此外，能量法也难以处 理温度、变形抗力等不均匀分布的问题。 1 4 3 滑移线法 金属的塑性变形主要是由于晶粒内的滑移和孪晶引起。变形沿最大剪切应力 方向进行，最大剪切力作用的方向也就是塑性变形流动方向，称为滑移线。将塑 性变形区内各点最大剪应力的方向连成曲线，得两族正交曲线，称为滑移线场。 滑移线理论假设变形材料为各向同性的刚塑性体，且塑性区各点变形抗力是常数。 此外，还忽略了因温度差而引起的热应力和因质点的非匀速运动而产生的惯性力。 由于屈服剪应力在整个塑性区内是不变的，当主剪应力值达到屈服应力时，即沿 着滑移线发生塑性变形。作出滑移线场后，沿着滑移线应用h e n k y 应力方程，可 以得出静水压力与滑移线转角的变化规律，从而确定塑性区内各点的应力分布。 滑移线理论已经用于求解多种金属成形过程。轧制厚件( h 0 初始构形 图2 1 物体的构形 f i g 2 1c o n f i g u r a t i o no ft h eo b j e c t 这时，式2 1 的逆变换为： x i = x bj ，如 ( 2 2 ) ( 2 3 ) 东北大学博士学位论文 第2 章热力耦合弹塑性大变形有限元法 厶：剧：厶o ( 2 4 )厶2 i i i _ m 划 u 一 用式2 3 描述物体的变形和运动，其独立自变量是空间坐标x 瘌时间r ，这种描 述称为空间描述或欧拉( e u l e r ) 描述。有关物理量( 场量) 是以x ，和f 为自变量表述的， x i 称为空间坐标。 如上所述，在连续介质力学中，对物体质点的运动，可以有两种描述和研究 方法【1 3 2 】：一种方法是把物体质点的运动和物体的各物理量看成是物质坐标和时 间f 的函数，并研究这些函数的变化规律，这样的描述和研究方法称为拉格朗日法； 另一种方法是把物质质点的运动和物体的各物理量看成是空间坐标x ，和时间f 的函 数，并研究这些函数的变化规律，这样的描述和研究方法称为欧拉方法。 2 1 2 大变形弹塑性本构方程 本构关系是应力状态与应变状态所应满足的数学表达式，因而有时也称之为 本构方程( 或物理方程) 。由于金属的弹塑性本构关系具有非线性性质，且与其应变 过程和加载路径有关，故本构关系是一种瞬态关系。目前，采用的本构关系可分 为两类：一种是塑性力学形变理论，又称全量理论；另一种是塑性流动理论，又 称增量理论或增量本构关系。因为弹塑性材料对外部作用的反应与变形的历史有 关( 这可称为历史相关性或路径相关性) ，所以在弹塑性有限元法中本构关系应以增 量形式写出。在大变形弹塑性有限元法中，要用到的本构关系，可以从小变形弹 塑性理论的本构关系推广得到，它是比小弹塑性变形本构方程更有普遍意义的双 重非线性本构关系1 3 2 1 。 对于弹塑性介质，在空间描述中屈服函数用柯 n ( c a u c h y ) 应力表示为： 厂( t ，k ) _ 0 ( 2 5