（材料加工工程专业论文）金属塑性成形过程韧性断裂与关键成形工艺过程数值模拟分析.pdf

上海交通火学博i 二后研究报告 摘要 金属塑性成形过程是目前制造业中最为重要组成部分之一，其工艺过程分析 和优化也是学术界长期以来重要的研究课题。近些年来。随着计算机软硬件技术 的发展以及金属塑性流动理论的开臻完善，利用数值模拟技术，可以明确整个金 属成形过程的全部细节，为工艺设计和优化提供强有力的支持。 韧性断裂是金属塑性成形过程中变形材料的破坏现象，一般是指成形金属材 料和模具在相互作用下在剧烈塑性变形中出现的破坏过程，其广义定义主要涉及 三方面内容：1 ) 成形金属材料在成形过程出现的表面或内部断裂，微小裂纹缺 陷等；2 ) 模具在工作过程中的表面磨损、开裂、完全断裂等：3 ) 模具出现的低 周冲击疲劳( l o w - c y c l ei m p a c tf a t i g u e ) 破坏。在全面综述已有韧性断裂和脆性断 裂的裂纹起裂和扩展准则基础上，指出了目前工程中广泛使用的韧性断裂准则都 有其适用的范围和条件，并针对典型材料进行了材料韧性断裂试验和数值模拟仿 真，详细研究了目前正在应用的韧性断裂的起裂和扩展准则，总结出新的韧性断 裂判断准则并在具体生产和试验中得到验证，同时也指明了新的韧性断裂准则与 材料成形过程应力三轴度等参数有直接关系，并随着应力三轴度等参数的变化而 调整。 随着汽车生产和降耗环保等要求的提高，铝合金锻件在汽车零部件中的使用 越来越多，其中铝合会控制臂的锻造过程具有典型研究价值。汽车控制臂经过几 何拓扑优化后多数呈三叉形，而圆棒形坯料在经过打弯、预锻和终锻工序等工序 后，常出现折叠和表面细小裂纹等成形缺陷。为此，通过数值模拟软件系统全面 地研究了控制臂锻造的全过程，指出了坯料几何形状和预锻过程定位等是造成折 叠的主要原因，并对优化后的坯料打弯和预锻过程进行试验和仿真研究，指明了 优化后的坯料在成形过程仍然存在开裂等缺陷，并给出了正确锻造该类零件的建 议和方法 汽轮机不锈钢叶片的锻造工艺过程又是具有典型研究价值的金属成形过程， 在全面掌握主要不锈钢材料高温流动模型、摩擦模型和企业设备等情况基础上， 对典型叶片成形过程和优化方案进行了详细对比研究，并对其他类型叶片目前生 产中出现的问题进行了重点探讨，优化后的工艺经过与实际生产过程对比，总结 上海交通大学博士后研究报告 出明确的成形规律和确定了具体的最优锻造方案，并在新的叶片实际锻造进行了 成功的验证。 铝合金型材挤压过程数值模拟是目前金属塑性成形研究领域具有挑战性的 课题，其难度主要在于数值模拟技术中的网格处理和求解算法。在充分调研实际 生产过程中存在问题的基础上，结合典型的管材和薄壁型材挤压成形过程进行了 数值模拟研究，定性地指明了目前生产中存在的问题原因并提出了具体改进的措 施，并给出了利用数值模拟方法研究铝合金型材挤压过程中的工艺参数组合等的 具体方案。 关键词：金属塑性成形、韧性断裂、断裂准则、汽车铝合金控制臂、汽轮机不锈 钢叶片、铝合金型材、成形缺陷 n t 海文通大学博1 ：后研究报告 d u c t i l ef r a c t u r ea n dn u m e r i c a ls i m u l a t i o n r e s e a r c hi nm e t a lf o r m i n gp r o c e s s e s m e t a lf o r m i n gp r o c e s si so n eo fm o s ti i 】叩i o r t a n lp a r t si nn 呛c h i n eb u i l d i n gf i e l d 。 m e a n w h i l e ，r e s e a r c h ，a n a l y s i sa n do p t i m i z a t i o no f i t st e c h n o l o g yb e g o m eo n eo f m o s t a c t i v ep a r ti nf i e l d so fa p p l i c a t i o na n da c a d e m i cr e s e a r c h w i t ht h ed e v e l o p m e n to f c o m p u t e rt e c h n o l o g ya n dt h em e t a lf o r m i n gt h e o r y , t h e3 - df e m ( t h r e e - d i m e n s i o n a l f i n i t ee l e m e n tm e t h o d ) n u m e r i c a ls i m u l a t i o nf o rm e t a lf o r m i n gp r o c e s sc a l lb e r e a l i z e do nc o m p u t e r n 地n e c e s s a r yd e t a i l e di n f o r m a t i o ni nt h ew h o l em e t a lf o r m i n g p r o c e s sc a nb eo b t a i n e db yt h en u m e r i c a ls i m u l a t i o n ，a n di tg i v e sap o w e r f u lt o o la n d m i e n sf o rt h eo p t i m i z a t i o no f d e s i g ni nt e c h n o l o g y d u c t i l em a t e r i a lf a i l u r ei su n d e r s t o o dh e r ea st h ec r a c kf o r m a t i o ni n s i d eo ro nt h e s u r f a c eo f t h ep l a s t i c d e f o r m a t i o nb o d y b u ti t sg e n e r a ld e f i n i t i o ni n c l u d e st h r e ep a r t s ： t h em i n ic r a c ki n s i d eo ro nt h ed e f o r m e db o d y ；w e a r i n g , c r a c ka n df a i l u r eo fd i ei n m e t a lf o r m i n gp r o c e s s ；l o w - c y c l ei m p a c tf a t i g u eo fd i e b a s e do nr e v i e wo fv a r i o u s d u c d l ea n db r i t t l ef r a c t u r ec r i t e r i a , s h o w st h a tt h ef l a c n i r ec r i t e r i ah a v eb e e np r o p o s e d i nt h ep a s ti sl i m i t e di np r e d i c td u c t i l ef r a c t u r ei naw i d er a n g eo fp r o c e s sp a r a m e t e r s an e wd u c t i l ef r a c t u r ei n i t i a t i o nc r i t e r i o na n dt h ei m p l e m e n tm o d e lf o rs i m u l 撕n g a u t o m a t i cc r a c kp r o p a g a t i o na r ep r e s e n t e d s e v e m ld u c t i l ef a c n l r ec r i t e r i ai ns h e a r i n g m o d ea n dt h e i rr e l a t i v ea c c u r a c yf o rp r e d i c t i n ga n dq u a n t i f y i n gf r a c t u r ei n i t i a t i o ns i t e s i nc o n j u n c t i o nw i t he x p e r i m e n t sa n df i n i t ee l e m e n tm e t h o d ( f e m la r ei n v e s t i g a t e d a m o d i f i e dc r i t e r i o nb a s e do ne f f e c t i v es t r a i na n ds t r e s st r i a x i a i i t yi sp r e s e n t e d t h e r e s e a r c hr e s u l t sa r ec h e c k e de x p e r i m e n t a l l yu s i n gt h eb l a n k i n ga n df m eb l a n k i n gt e s t s w i n lt h er a p i dd e v e l o p m e n to fv e h i c l ei n d u s t r y , l i g h t - w e i g h ta n ds t r e n g t hv e h i c l e c o n s t r u c t i o nc a l lb eu s e dt or e d u c eo i lc o n s u m p t i o na n de n v i r o n m e n t a lp o l l u t i o n e f f e c t i v e l yi na d d i t i o nt oi m p r o v i n gt h ed r i v e np e r f o r m a n c eo fa na u t o m o b i l e n o w , t h ep e r c e n t a g eo fa l u m i n u ma l l o yo rr e i n f o r c e dp l a s t i cp a r t si nt h ew h o l ev e h i c l e c o n s t r u c t i o ni sg r o w i n gh i g h e r 1 1 坨r e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n to nf o r m i n gp r o c e s so f t h e s et y p ep a r t s ，e s p e c i a l l yf o ra l u m i n u ma l l o yc o n s t r u c t i o i l s ，h a sb c a ? a 3 m eo n eo ft h e f o c u s e si nm e t a ib u l kf o r m i n gf i e l d t h ec o n t r o ia r mh a st h eh e r r i n g - b o n es h a p e b u t i t sb i l l e ti sc y l i n d r i c a l a f i e rb l o c k e ro rf i n i s h e rs t a g e ，t h ef o i d i n gd e f e c ta n dm i i l i c r a c ka r ea l w a y sd e t e c t e dt h o u g hc h a n g i n gm a n yt y p e so fd i e s 1 1 1 en u m e r i c a l s i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a tt h ep o s i t i o n i n gi nb l o c k e rp r o c e s sa n db i l l e ts h a p ea r et h e r e a s o l 塔o ff o l d i n gd e f e c t , a n dt h ec r a c ka p p e a r e di nb u s t e rp r o c e s su s i n go p t i m i z e d b i l l e t am o d i f l e ds u g g e s t i o na n dm e t h o db a s e do ns i m u l a t i o nr e s u l ta r cp r o p o s e dt o g e tap e r f e c tp r o d u c tw i t hh i g hm a t e r i a lu t i l i z er a t i o n u m e r i c a ls i m u l a t i o no fb l a d ef o r m i n gp r o c e s sw i t hs t a i n l e s ss t e e ig i v e sa r e p r e s e n t a t i v em o d e lf o rl e a r n i n gn u m e r i c a la n a l y s i ss o r w a r e 1 1 1 ef l o ws t r e s sm o d e l 。 f r a c t i o nm o d e lb e t w e e nb i l l e ta n dd i e 。e q u i p m e n tp a r a m e t e r ss e t t i n ga r es t u d i e d , a n d m o r et h a n7k i n d so f b i l l e ts h a p eo rp o s i t i o n i n gs c h e m e & r ec a r r i e do u tt oc o m p a r et h e i l i i ：辫交通大学博十后研究报告 s i m u l a t i o nr e s u l t s t h eo p t i m i z e db l a d ef o r m i n g t e c h n o l o g yi s s e l e c t e da n d c o n f o r m e db yt h et e s t s a ss e e nf r o me x a m p l e ，o n c et h ep r o c e s ss i m u l a t i o ni n t e g r a t e d i n t ot e c h n o l o g yd e s i g ns e q u e n c et h er e a lb e n e f i t so fs u c hp a c k a g e sc a l lc l e a r l yb e i d e n t i f i e d ，w h i c hw o u l dc a u s en o to n l yg r e a te c o n o m i c a lb e n e f i t , b u ta l s os a v i n go f t i m e e x t r u s i o n p r o c e s s g s s i m n l o r i o n u s i n gc o m m e r g i a l n u m e r i c a ls i m u l a t i o n s o f t w a r ei sc h a l l e n g e di s s u ea st h em e s hg e n e r a t i o nt e c h n i q u ea n ds o l v e ra l g o r i t h m a r en o tp e r f e c tt oc a r r yi n t oe x e c u t i o nn o w e s t i m a t i o nw a sc a r r i e do u tu s i n gf e a n a l y s i sa n da c tt e s ti nt u b ea n dh e a ts i n ke x t r u s i o np r o c e s s e s a l s o ，t h i ss t u d yg i v e s t h ew a yt oi n v e s t i g a t et h ee f f e c tt op r o d u c tu s i n gc o m b i n a t i o no fe x t r u s i o np a r a m e t e r s a n dg e o m e t r yo f d i e k e yw o r d s ：m e t a lf o r m i n gp r o c e s s ，n u m e r i c a ls i m u l a t i o n ，d u c t i l e 疗a c t l 髓。f r a c t u r e c r i t e r i a , a l a l l o yc o n t r o la r m , s t e a m e rs t a i n l e s ss t e e lb l a d e ，a l a l l o ye x t r u s i o n , f o r m i n gd e f e c t i v 上海交通大学博士后研究报告 第一章绪论 材料破坏过程的分析研究被认为目前世界科学界难题之一，是力学与材料学 近一个世纪的多尺度、跨学科的复杂命题，材料破坏过程一般是指材料的断裂、 损伤、疲劳、腐蚀、磨损等力学行为。具体到金属塑性过程的材料破坏现象，一 般是指成形金属材料和模具在相互作用下剧烈塑性变形中出现的破坏过程，其中 主要涉及三方面内容：1 ) 成形金属材料在成形过程出现的表面或内部断裂，微 小裂纹缺陷等；2 ) 模具在工作过程中的表面磨损、开裂、完全断裂等；3 ) 模具 出现的低周冲击疲劳( l o w - c y c l ei m p a c tf a t i g u e ) 破坏。从断裂力学和数值模拟的 角度来看金属塑性成形过程的破坏问题主要涉及：断裂模型的区分和建立；起裂 和裂纹扩展准则；数值方法在韧性断裂中的实施算法等。 1 1金属塑性过程中的韧性断裂与脆性断裂关系 我们着重区分韧性断裂和脆性断裂的原因在于：在利用已有的理论或数值方 法研究金属断裂过程中，我们采用弹塑性模型中脆性断裂判据( 如：最大拉应力 理论、能量释放率理论和应变能密度理论) 还是采用韧性断裂判据进行数值模 拟? 因为脆性与韧性的断裂准则无论在理论基础还是实现方法上存在重大的区 别，在分析金属塑性成形过程中，对于成形金属材料和模具来讲，正确地预测裂 纹发生位置和时间以及裂纹产生后的扩展速度对防止金属塑性成形过程的断裂 破坏现象以及出现断裂后止 裂方法的选取都具有重要的 意义。 脆性断裂般是指材料 在较小的应力作用下，材料 在不发生明显的宏观变形 ( 塑性变形量 j f j 。为平面应变条件下的临界j 积分 ( 断裂韧度) 。 j 积分定义为如图1 5 所示： 圈1 5j 积分定义 f i g , 1 5ji n t e g r a t i o nd e f i n i t i o n ，= 躲工h 一鲁一凼 。 m z 。， 其中：f 为包围裂纹尖端的曲线，起始于裂纹的下表面，反时针方向围绕裂纹尖 2 i ：海交通大学博十后研究报告 端面止于裂纹上表面；矿为应变能密度，在弹塑性情况下为单调加载过程中的 形变功密度：q ，“，为作用于积分回路单位周长的应力和位移分量：为沿1 1 回 路的单位外法矢。 某种材料的，。一般通过试验方法确定，对于高强度和超高强度的断裂韧度 测量较为容易，而对于中、低强度材料的断裂韧度的测试则复杂，主要有：多试 样法、单试件法( 三点弯曲) 、阻力曲线法等，不论什么方法临界点的确定关系 到陔值测定的准确性，一般通过电位法和电阻法等获得。 ( 2 ) c o d - - 裂纹尖端张开位移 w e l l s 考虑到裂纹顶端附近存在剧烈的应变集中的塑性变形，认为裂纹顶端的 张丌位移可以表征裂纹顶端附近的应力、应变场的综合效应，提出c o d 断裂准 则，即当裂纹顶端的张开位移艿达到其临界值皖时，裂纹将会起裂扩展：万 8 c ， 正是材料常数，相当于裂纹扩展阻力，+ 一般需要通过试验确定。 c o d 的定义为：在弹塑性状态：艿= 等五i ( 1 2 5 ) 其中：4 为裂纹实际长度，靠为塑性区半径。 。 在大范围屈服或完全屈服状态： j = 2 ，r e a( 1 - 2 6 ) 其中：p 为全屈服试件的名义应变。 临界值莎可用小型三点弯曲试件在全面屈服下通过间接的方法测出，测量技术比 较简单，测量结果也比较稳定。 ( 3 ) c o a 裂纹张开角 裂纹张开角有两种定义，一种为裂纹尖端张开角( c t o a ) 它代表扩展中裂纹 尖端的局部张开角，另一种是平均裂纹张开角( c o a ) ，即初始裂纹尖端的张开 位移与裂纹扩展量缸之比。对于持续扩展的裂纹，可以测定其c o a 值，但它与 裂纹尖端场量之间没有明显的联系；相反，c t o a 更能反映裂纹尖端场的特性， 但准确测量c t o a 的值很困难。一般地，在j 主导条件满足情况下，j 积分与 ：海交通人学博i ：后研究撤告 c t o a 是等价的；否则，j 积分与c t o a 是不等价的。 1 3 模具疲劳失效一低周冲击疲劳裂纹扩展判据 在