（材料加工工程专业论文）热锻模模膛表面层温度梯度的仿真分析及影响因素的研究.pdf

摘要 热锻模具是汽车、船舶、装备制造业等支柱产业中重要的工艺装备。工作 中锻模受到复杂而剧烈的载荷作用，寿命普遍偏低。前人研究发现，热疲劳失 效是引起锻模失效的主要形式，热负荷引起的热应力的大小直接决定了锻模的 热疲劳寿命，而热应力产生的根本原因是热锻模表面层温度变化剧烈且存在温 度梯度。因此，要提高热锻模寿命，就必须了解锻模模膛工作过程中温度梯度 分布的情况。 本文首先描述了热锻模表面层所受到的热负荷及热应力，重点阐释了热应 力对锻模热疲劳寿命的影响，指出研究锻模表面层温度梯度对提高模具寿命和 研究多金属热锻模的重要性。虽然前人对锻模整体的温度场和应力场已做了深 入的研究，但在锻模模膛表面层的温度梯度分布及影响因素方面还没有做过定 量的分析。 第二部分介绍了利用有限元模型对热锻模具工作过程中表面层的温度场进 行热力耦合分析的原理，并利用热弹性基础理论将锻模表面层的受热情况简化 为一个一维传热的问题，推导得出表面层热应力与温度梯度之间的关系，说明 了在整个锻造过程中，无论是用均质材料还是梯度多金属材料，热应力的大小 都与表面层的温度梯度相关。 第三部分作者以d e f o r m 有限元软件为工具，以轿车前轮毂热锻模的终锻 模为模型，以0 1 m m 为基本单位重点细化了模膛表面层2 m m 以内的网格，将 锻模模膛表面层划分为四大危险区域，定量的分析了各区域在第一次工作和连 续工作时的温度梯度分布的变化规律。 第四部分通过对不同导热系数，比热容，预热温度，打击速度，摩擦系数 下温度梯度的变化情况，揭示了影响温度梯度分布的材料热物性参数和工艺参 数，为合理的控制热锻模表面层的温度提供了依据。 最后介绍了多层金属热锻模的概念及设计思路，按照前几章所得到的温度 梯度的相关规律，对锻模模膛表面层进行了梯度分层的定量计算，并且根据实 验测定的成分梯度变化的覆层的热物性参数，对多层金属热锻模具的工作过程 进行了仿真分析，发现多层金属热锻模具可以降低表面层各区域的温度及温度 梯度，且不同材料层界面间的畸变小，层与层之间可以平缓过渡。多层金属热 锻模具具有减轻模具高温软化、降低表面层热应力，提高热锻模使用寿命的优 异性能。 本文不仅分析了模膛表面层温度梯度的分布规律，找到影响温度梯度的因 素，而且定量表征了温度梯度的大小。相关结论解释了热锻模的损伤与失效作 用机理，为多金属热锻模表面层的材料设计提供了技术依据。 关键词：热锻模，温度梯度，多层金属热锻模 a b s t r a c t h o tf o r g i n gd i ei st h em o s ts i g n i f i c a n te q u i p m e n ti na u t o m o b i l e s ，s h i p s ， e q u i p m e n tm a n u f a c t u r i n ga n d o t h e rp i l l a ri n d u s t r i e s n es e r v i c el i f eo fh o tf o r g i n g d i ei sg e n e r a l l ys h o r tb e c a u s et h el o a d i n g sa r ec o m p l e xa n di n t e n s ei nn l e i rw o r k i n g c o u r s e s p r e v i o u ss t u d i e sf o u n dt h a tt h et h e r m a lf a t i g u ef a i l u r ew a st h em a i nf a i l u r e m o d eo fh o tf 0 哂i 培d i e t h et h e r m a ls t r e s sw h i c hc a u s e db yt h es u r f a c el a y e r t e m p e r a t u r eg r a d i e n ta n dd r a m a t i ct e m p e r a t u r ec h a n g e sd i r e c t l y d e t e r m i n e st h e t h e r m a lf a t i g u el i f eo fh o tf o r g i n gd i e s t h e r e f o r e ，u n d e r s t a n d i n gt h et e m p e r a t u r e g r a d i e n to fd i e ss u r f a c el a y e ri sv e r yi m p o r t a n t t oi m p r o v et h eh o tf o r g i n gd i e sl i f e t h i sp a p e rf i r s t l yd e s c r i b e st h eh e a tl o a da n dt h e r m a ls t r e s so nt h eh o tf o r g i n g d i e ss u r f a c el a y e ra n de x p l a i n st h et h e r m a ls t r e s sa f f e c t st h ef o r g i n gd i e st h e r m a l f a t i g u el i f e t h e nt h es i g n i f i c a n c eo fr e s e a r c h i n go nt h eh o tf o r g i n gd i e ss u r f a c e l a y e rt e m p e r a t u r eg r a d i e n tt ot h ed i el i f ea n dd e s i g nm u l t i - m e t a lf o 哂n gd i ei s i n d i c a t e d a l t h o u g ht h et e m p e r a t u r ef i e l da n ds t r e s sf i e l do ft h ew h o l ef o r g i n gd i e w e r es t u d i e d ，b u tt h et e m p e r a t u r eg r a d i e n ta n dt h e i ri n f l u e n c ef a c t o r sh a dn o tb e e n q u a n t i t a t i v e l ya n a l y z e dy e t t h es e c o n dp a r ti n t r o d u c e st h et h e r m a l - m e c h a n i c a lc o u p l i n gt h e o r yo fu s i n g f i n i t ee l e m e n tm o d e lt oa n a l y z et h eh o tf o r g i n gd i e ss u r f a c el a y e rt e m p e r a t u r ef i e l d a n ds i m p l i f yt h eh e a ts i t u a t i o no fs u r f a c el a y e rt oo n e - d i m e n s i o n a lh e a tt r a n s f e r p r o b l e mu s i n gt h e r m a l e l a s t i ct h e o r y 1 n h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nt e m p e r a t u r eg r a d i e n t a n dt h e r m a ls t r e s si so b t a i n e d i ts h o w st h a tt h ev a l u eo ft h e r m a ls t r e s si nb o t h h o m o g e n e o u sa n dm u l t i - m e t a lf o r g i n gd i ei sr e l a t e dw i t ht h es u r f a c el a y e r t e m p e r a t u r eg r a d i e n t i nt h et h i r dp a r t ，t h ea u t h o rq u a n t i t a t i v e l ya n a l y z e st h et e m p e r a t u r eg r a d i e n ti n t h ef i r s tc y c l ea n dc o n t i n u o u sw o r k i n gu s i n gd e f o r ms o f t w a r ea n dc a i f r o n tw h e e l h u bf o r g i n gd i ea sm o d e l t h ed i e s2 m md e p t hs u r f a c el a y e ri sm e s h e dw i t ht h e b a s i cu n i to f0 1m ma n dt h ew h o l es u r f a c el a y e ri sd i v i d e di n t of o u rr e g i o n s c o m p a r i n gt h et e m p e r a t u r eg r a d i e n tu n d e rd i f f e r e n tt h e r m a lc o n d u c t i v i t i e s ， s p e c i f i ch e a t s ，s p e e d s ，p r e h e a tt e m p e r a t u r e sa n df r i c t i o nc o e f f i c i e n t s ，i ts h o w st h e i i i i n f l u e n c i n gf a c t o r so nt e m p e r a t u r eg r a d i e n ti np a r tf o u r ，a n dp r o v i d e sab a s i sf o r c o n t r o l l i n gt h es u r f a c et e m p e r a t u r er e a s o n a b l y f i n a l l y , t h ea u t h o ri n t r o d u c e st h ec o n c e p ta n dd e s i g ni d e a so ft h em u l t i l a y e r m e t a lf o r g i n gd i e a c c o r d i n gt h el a w so ft h et e m p e r a t u r eg r a d i e n ti nt h ef i r s tf e w c h a p t e r s ，t h e s u r f a c el a y e rw a sc a l c u l a t e da n dd i v i d e di n t os e v e r a l 1 a y e r s t h e n s i m u l a t i o na n a l y s i sw a so nt h em u l t i l a y e rm e t a lf o r g i n gd i e sw o r k i n gp r o c e d u r e u s i n gt h et h e r m a lp a r a m e t e r s o fg r a d i e n t c o a t i n g sw h i c hi sf r o mt h ec o a t i n g e x p e r i m e n t t h er e s u l ts h o w st h a tt h em u l t i l a y e rm e t a lh o tf o r g i n gd i e sc a l lr e d u c e t h et e m p e r a t u r ea n dt h et e m p e r a t u r eg r a d i e n to ft h es u r f a c el a y e r , t h ed i s t o r t i o n b e t w e e nl a y e r so fd i f f e r e n tm a t e r i a l si ss m a l l ，a n dt h el a y e r sc a l lb es m o o t h l y t r a n s i t i o n a l m u l t i - l a y e rm e t a lh o tf o r g i n gd i eh a se x c e l l e n tp e r f o r m a n c e ss u c ha s r e d u c i n gt h et h e r m a ls t r e s sa n dh i g ht e m p e r a t u r es o f t e n i n gp h e n o m e n o n t h i sp a p e rn o to n l ya n a l y z e dt h et e m p e r a t u r eg r a d i e n to ft h eh o tf o r g i n gd i e s u r f a c el a y e rb u ta l s of o u n dt h ea f f e c t i n gf a c t o r so nt h et e m p e r a t u r eg r a d i e n t ，a n d d e s c r i b e di n n o v a t i v e l yt h eq u a n t i t a t i v ec h a r a c t e ro ft h et e m p e r a t u r eg r a d i e n t t h o s e c o n c l u s i o n se x p l a i nt h ed a m a g ea n df a i l u r em e c h a n i s mo ff o r g i n gd i ea n dp r o v i d e b a s i sf o rd e s i g n i n gt h em u l t i - l a y e rm e t a lh o tf o r g i n gd i e k e yw o d s ：h o tf o r g i n gd i e ，t e m p e r a t u r eg r a d i e n t ，m u l t i l a y e rm e t a l i v 独创性声明 本人声明，所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作 及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地 方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包 含为获得武汉理工大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材 料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作 了明确的说明并表示了谢意。 签名：凿溢日期：趔! ：墨：呈兰 学位论文使用授权书 本人完全了解武汉理工大学有关保留、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电子 版，允许论文被查阅和借阅。本人授权武汉理工大学可以将本学位 论文的全部内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或 其他复制手段保存或汇编本学位论文。同时授权经武汉理工大学认 可的国家有关机构或论文数据库使用或收录本学位论文，并向社会 公众提供信息服务。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 研究生c ：苊翰翩c 签孙绨日期2 帖西 武汉理工大学硕士学位论文 1 1 引言 第1 章绪论 在现代工业生产中，模具的使用寿命决定了机械零件的质量以及设备的生 产率和产品的成本。热锻成型工艺在汽车，船舶，装备制造业等重要支柱产业 中具有举足轻重的地位，而热锻模在工作过程中受到复杂而剧烈的载荷作用， 其寿命普遍偏低，直接影响了锻造企业的成本和经济效益，因此热锻模具的使 用寿命，一直是锻压界高度关注的问题。提高热锻模的使用寿命，能够降低制 造成本，简化生产工序，是当前工业生产中急需解读的重大技术难题，具有重 要的经济意义【l j 。 影响热锻模寿命的因素有很多，研究总结热锻模的失效形式发现，热锻模 的主要失效形式有四种：模具型腔的磨损，模具型腔的热塑性变形，模具型腔 的热疲劳失效以及模具型腔的机械疲劳失效【2 】。而造成这四种失效形式的最根 本原因是模具型腔表面受到复杂而剧烈的机械负荷和热负荷的共同作用。机械 负荷引起热锻模内反复作用的高应力，导致产生疲劳裂纹；另外，在机械负荷 的作用下，变形金属和锻模型腔之间的相对运动造成了模具型腔的磨损【3 1 。热 负荷一方面使锻模型腔温度升高而软化，加剧了型腔的磨损和塑性变形，另一 方面促使锻模反复升温和降温而引起交变的内应力，导致产生热疲劳裂纹【4 l 。 实践观察统计，锻模大多以疲劳裂纹的形式损坏，热裂和磨损约占8 0 ，而断 裂和压塌各占1 0 【5 】。通过有限元模拟对热锻模工作过程的机械应力场和温度 应力场分析发现，与温度应力相比，机械应力的幅值是很小的【6 】，并且温度应 力幅值很大，可能大大超过模具材料的屈服应力，产生疲劳破坏，导致锻模塑 变失效。由此看来，提高锻模寿命的主要途径，除了优化工艺与模具设计，将 模具承受的机械应力降至最小外，更重要的是将热应力降至最小【7 1 。 因此，要提高热锻模具的寿命，关键就是要研究锻模型腔受到的热负荷和 热应力。 武汉理工大学硕士学位论文 1 2 热负荷对型腔表面层的作用 在等温问题中，一个结构物在有外力作用时会产生应力和应变，当应力和 变形达到一定大小时会导致破坏。在热弹性问题中，温度改变也有和外力作用 相类似的性质，可以产生应力、变形甚至导致破坏。在有外力作用时，若外力 是在极短的时间内加在结构物上，则称之为冲击载荷。同样，若物体上的温度 改变是在极短时间内发生的，也称此物体受到热冲击。在物体受到周期变化的 外力作用时，物体内产生重复应力，因而需要考虑疲劳问题。同样，当物体受 到周期性改变的温度作用时，也会在物体内产生重复应力，因而也需要考虑疲 劳问题。这种疲劳称为热疲彭引。热锻模在工作过程中，由于锻靠时间很短， 一般只有几毫秒，对锻模的热影响深度也只有几毫米【9 】，因此，锻模表面层受 到的热负荷应当引起高度关注。 1 2 1 热锻模的热负荷的特点 热锻模的热负荷主要来源于两部分，即锻件与模具接触时的热传导以及锻 件沿型腔表面滑移时产生的摩擦热效应【1 0 1 。热负荷的大小与锻件的温度，变形 强度，润滑冷却条件，以及型腔表面与锻件在高压状态下的接触时间有关。热 锻模型腔表面的热负荷随着锻靠过程的进行主要有以下特征：第一阶段，工件 放置时，高温毛坯与模具发生剧烈的热传递，温度的高低与放置时间与接触面 积有关；第二阶段，锻靠时，型腔表面在剧烈的热传递和摩擦热效应的影响下， 温度迅速上升并达到峰值，峰值的高低主要取决于型腔表面的工况条件。第三 阶段，锻靠结束卸载后，型腔表面的温度迅速下降，峰值温度呈现的时间极短， 具有脉冲的特征。型腔表面的瞬时高温只影响到厚度极薄的表面层。因此，在 连续生产的情况下，热负荷是以周期性的脉冲方式加载在型腔表面层上的【】。 由于热锻模具受到如上所述的周期性脉冲式热负荷的作用，因此，连续生 产时，模具型腔容易产生热疲劳，相变，回火和塑性变形四种不同形式的反应。 其中相变和回火反应是由于型腔表面冷热交替变化而产生的；塑性变形很大程 度上也是由于型腔表面温度变化所引起的热应力造成的，而热疲劳失效是热负 荷周期性作用的结果，是热锻模具最主要的失效形式之一【1 2 1 ，极大地制约着热 锻模具的使用寿命。 武汉理工大学硕士学位论文 1 2 2 锻模热负荷引起的热应力 通过对热循环的详细研究发现，热锻模表面层在锻压过程中，在模具表面 层与锻件间发生激烈的热传导和摩擦热效应，在上模运动到下至点时，出现热 峰，表面层出现很大压应力，接着上模上行，热量在模具中扩散，表面冷却温 度降低，形成表面冷内部热的温度梯度引起拉应力【1 3 】。这说明在一次热脉冲作 用的过程中，型腔表面各点要承受一次方向相反的交变应力的作用。这个作用 称作热冲击，相应的应力称为热应力。 热弹性应力的方程式【1 4 】如下： 仃：一e a a t ( 1 - 1 ) 仃= 一一 j l 一7 式中：e 一锻模材料的弹性模量 口一锻模表面层材料的线膨胀系数 a t 一锻造循环过程中温度的变化 y 一锻模材料的泊松比 由公式可知影响热应力的影响因素有以下几点，它们与模具材料和锻造热 循环有关。 ( 1 ) 模具材料 热弹性应力与下列两个参数成比例：线性膨胀系数和弹性模量【1 5 】。这些特 性在模具钢中变化不大，相反，在考虑表面处理或涂层时则应予以注意。由于 塑性化起因于表面层的拉应力，因此材料在工作温度下应具有高的弹性极限。 同时，为了消除开裂危险，材料不应太脆。这两种相互矛盾的要求难于得到满 足。因此在应用一种或多种表面处理或涂层时，应谋求一种折中方案f 1 6 】。 ( 2 ) 锻造热循环 热冲击的剧烈程度引起的温度应力的大小与热脉冲循环的上下限温度及表 面层的温度梯度有关。模具的润滑和冷却条件可以增大表面层中的热梯度，从 而促进裂纹的形成。例如在特殊模锻情况下，发现渗氮模具用水剂润滑时锻造 约十件后便出现热疲劳裂纹。如果不用润滑，锻造数百件后仍无裂纠1 7 1 。 热锻模的温度应力可以用模具表面达到的最高温度变化幅值和表面层的温 度梯度来表征。并且模具表面达到的最高温度和热渗透深度是预测损伤方式和 确定表面处理或涂层厚度及性质的两个基本参数【1 8 】。 武汉理工大学硕士学位论文 1 2 3 热锻模疲劳寿命与热应力的关系 锻模的疲劳破坏都是从最大局部应力应变处开始的【1 9 1 ，当应力应变值超过 材料允许的疲劳极限时就会产生局部塑性变形，而局部塑性变形是疲劳裂纹萌 生和扩展的先决条件。因此，可以利用局部应力应变的分析方法【2 0 l 来预测热锻 模具的寿命。只要最大局部应力应变相同，锻模的疲劳寿命就相同。锻模在工 作过程中的，型腔表面层主要受到机械应力和热应力的共同作用，机械应力的 降低可以通过对模锻工艺及模具的飞边尺寸的整体优化【2 1 2 2 】等途径达到，然而 即使采用十分完备的工艺措施来降低机械负荷，其提高锻模的使用寿命的效果 也是十分有限的，这是因为相对于热应力在锻模表面层综合应力中所占的比例， 机械应力在模具综合应力中占据的比例是很小的【2 3 1 。因此，可以用锻模型腔表 面层局部区域热应力的大小来预测锻模的疲劳寿命。 锻模的疲劳损伤属于低周疲劳【2 4 1 ，低周疲劳是指在高应力( 2 e 作应力接近 材料的屈服极限) 或高应变条件下，应力循环周数在1 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 以下的疲 劳。由于交变的塑性应变在这种疲劳破坏中起主要作用，因而，也称为塑性疲 劳或应变疲劳，它反映的是裂纹形成的寿命。在局部应力应变分析法中所用的 应变寿命曲线表达式为方程c o f f i n m a n s o n 方程【2 5 1 。c o f f i n 和m a n s o n 经过实 验，总结提出的低周疲劳寿命预测方法，经检验能与实际结果较好的吻合，具 有实用性。 热锻模的热负荷是非对称循环的，对于非对称循环，疲劳强度理论中的工 作安全因素，z 。可以用以下公式计算【2 6 】： 铲蠹 s ，p a m ( 1 - 2 ) 式中：o - 一锻模材料疲劳极限 仃。一锻模非对称循环工作过程中的平均应力 盯m 一锻模非对称循环的工作过程中应力幅值 t 一锻模型腔的有效应力集中因素 s 一锻模型腔的尺寸因素 一锻模型腔表面的质量因素 一锻模材料的敏感因素，锻模的工作温度在2 0 0 - 7 0 0 之问变化时其 武汉理工大学硕士学位论文 值在2 5 之间变化。 由于的值一般在2 , - , 3 之间，因此比对的影响更大。即锻模的 己口p 应力幅值的大小比锻模平均应力的大小对工作安全因素的影响大很多，尤其是 在锻靠结束时，型腔表面的温度最高，表面层的温度梯度达到最大，此时的锻 模平均应力可以忽略不计，因此研究锻模的使用寿命的问题可以转化到研究锻 靠结束时锻模型腔表面层的温度梯度及锻靠阶段的温度变化幅值上来。 根据式1 2 结合热作模具钢热疲劳性能的研究【2 刀可以发现，影响模具的使 用寿命主要因素有以下几个方面： ( 1 ) 峰值温度 锻模在锻靠过程中与工件发生激烈的热交换与摩擦作用，在某一瞬时将达 到峰值温度。峰值温度t m 觚越高，锻模的热疲劳寿命越低。在热疲劳性能试验 中上限温度对应锻靠过程的峰值温度，通过对铬系马氏体热作模具钢热疲劳性 能试验发现【2 8 】：上限温度越高，合金钢裂纹扩展速率则越快，热疲劳抗力降低， 疲劳寿命越低。因此，模锻过程中的峰值温度t i 眦越高，锻模的热疲劳寿命就 越低。 ( 2 ) 保温时间 热疲劳试验表明保温时间对热疲劳寿命的影响与上限温度有联系。当上限 温度不变时，保温的时间越长，热疲劳寿命就越低；上限温度较高时，保温时 间的增加会引起破坏循环次数的增加；而上限温度较低时，保温时间的增加反 而会使破坏循环的次数减少。锻模在工作过程中，表面受热冲击，温度呈现脉 冲式的变化，峰值温度持续的时间很短暂，因此，保温时间在锻模的热疲劳分 析中影响不大。 ( 3 ) 温度改变速度 温度改变的速率包括加热速率和冷却速率。温度改变速率的大小决定了模 具中的温度梯度，从而影响热应力的大小。随着温度改变速率的升高，锻模中 的温度梯度变大，热应力值增大，模具的热疲劳寿命就会降低。具体来说，加 热速率和冷却速率的提高都会降低热疲劳寿命。而究竟哪个因素的作用更大， 则存在着分歧。一种观点认为，冷却速度的改变可以引起更大的温差，同时在 冷却时，试样表面受拉力，对零件的破坏起主要作用。而另一种观点认为，有 些合金在快速加热和慢速冷却的情况下要比快速冷却和慢速加热时所得寿命要 武汉理工大学硕士学位论文 小的多。在模锻过程中，温度的改变速度通常由模锻过程中的打击速度和冷却 条件决定，要提高锻模的热疲劳性能，须选择合适的打击速度和冷却工艺。 ( 4 ) 型腔的形状和尺寸 型腔的形状和尺寸决定了表面层受热的状态。在热疲劳试验中，分别对交 替快速加热和冷却的板材、实心圆柱体及锥形盘试件进行了寿命研究，发现板 材的厚度减小，寿命增加；实心圆柱体的半径增加，寿命减小；锥形盘试件裂 纹萌生循环次数随试件周边半径减小而降低。锻模的尺寸越大形状越复杂，在 工作循环中，重复受到热冲击作用，表面层的膨胀或收缩相对于尺寸小形状简 单的零件受到了更多的限制，从而热疲劳寿命会越低。 ( 5 ) 环境 热疲劳寿命与工作环境有很大的关系。在热疲劳试验中，处于真空环境中 的试件的热疲劳寿命明显较高，在氩气氛围中，表面裂纹萌生期也明显延长。 而在氧化和燃气腐蚀的环境中，试件的疲劳寿命大为降低。锻模在工作过程中， 环境十分恶劣，处于易氧化和易腐蚀的环境中。特别是在工作过程中，高温将 使表面局部氧化耗尽合金元素，从而使此区域的强度降低，与此同时又受到机 械负荷和热负荷的共同作用，很容易萌生裂纹。另外，表面层的晶界腐蚀将为 裂纹提供核心，在热应力的作用下裂纹扩展，很容易发生失效。 ( 6 ) 锻模材料性能 锻模型腔表面层的材料的性能决定了锻模的疲劳极限【2 9 1 ，直接影响着锻模 表面层的热疲劳抗力。其主要影响因素包括锻模材料的化学成分、热处理工艺、 显微组织、材料的物理性能等等。下面分别阐释各因素对锻模疲劳性能的影响： 在由化学成分对模具钢热疲劳性能的研究中发现，m o 、w 、c r 、v 、t i 、n b 、 n i 、r e 等合金元素含量在一定范围内有利于提高热作模具钢的热疲劳抗力。 当含碳量降低时，共晶碳化物的数量和尺寸相应减少，钢的冲击韧性、断裂韧 性以及断面收缩率等塑性指标都相应增大，这有助于改善钢的热疲劳性能【3 0 】。 较高的淬火温度可以使更多的碳化物溶入基体，增加了基体中合金元素的固溶 度，从而提高钢的高温强度和回火稳定性：回火温度的提高，可以改善钢的塑 性和显微组织的热稳定性使热疲劳抗力随之增加，但当回火温度超过某一最佳 温度时，钢的塑性和热稳定性虽然有所提高，但强度的迅速下降占据了主导地 位，使热疲劳抗力降低【3 1 1 。细化晶粒和组织可以提高材料热疲劳抗力，因为晶 界被看作是阻止裂纹扩展的障碍，较小的晶粒尺寸可以阻碍裂纹的萌生和扩展 武汉理工大学硕士学位论文 【3 2 1 。细小且弥散分布的碳化物也有利于提高模具钢的热疲劳性能，这是因为晶 粒长大及疲劳裂纹的扩展受到了细小圆滑的碳化物的阻碍。锻模材料的热物性 参数直接影响了锻模表面层温度的分布及热应力的大小3 3 1 。导热系数和比热容 决定了表面层温度梯度和温度变化幅值，热胀系数决定了热应力的大小。研究 表明，热胀系数越大和导热系数和比热容愈小，材料热疲劳抗力愈差。 1 3 提高热锻模寿命的措施 以上两节通过对热锻模表面层的热负荷及热应力的描述，从热应力对热锻 模具寿命的关系的角度研究找到了影响热锻模具寿命的主要因素。根据这些因 素，提高热锻模的寿命可以从两个方向来研究，一是从工艺改善的角度来提高 热锻模的使用寿命；二是通过改变锻模表面的材料性质，更加合理的控制温度 的变化及分布的情况来减少热应力，从而提高锻模的使用寿命。 对模锻工艺的研究表明【3 钔，在加工过程中，提高润滑质量，改进冷却方式， 可以使模具得到充分润滑和冷却，从而减小模具表层温度升高和热扩散层深度， 提高模具使用寿命。适当提高锻压设备速度，使坯料与模具表层的传导时间缩 短，也能够有效减小模具表层温度升高和热扩散层深度。 然而工艺参数的优化对热锻模表面层热应力的缓解具有局限性，通过改变 表面层的性能来提高锻模的使用寿命应该予以重视。另外由于模具的各种损失 均是从模具的工作面开始并发展的，失效机制的多样化导致了对表面层提出许 多要求，有时候甚至是矛盾的，均质材料已经很难满足这种复杂的情况。对均 质模具钢制造的圆饼类锻件镦粗热锻模的有限元模拟发现：连续工作时热锻模 的温度场可以分为三个区域：紧邻模膛的温度波动区、远离模膛的散热区和介 于两者之间的温度平衡区。这三个区域中，温度波动区位于模膛表面层，其温 度梯度和温度变化幅值特别大，承受的热负荷很大，要提高锻模的寿命这个区 域的材料应该比普通常规热作模具材料具备更好的热力学性能。然而如果在温 度波动区采用性能参数更好的材料而另两个区域仍采用普通的常规材料，在工 作过程中，必然会由于物理性能上的差异在两种材料的界面上产生畸变，影响 锻模寿命。 采用多层金属热锻模能够很好的解决这种问题。它是一种宏观意义上的“功 能梯度材料”所制造的模具。其实质是像功能梯度材料一样改善热锻模具的热机 武汉理工大学硕士学位论文 械特征，使锻模表面具有高温强硬性和高温韧性，并且能够缓解热应力。多层 金属热锻模的材料结构应该是【3 5 】：温度平衡区和散热区的材料仍选用现有均质 热锻模具钢且用传统方法制造，这部分做为热锻模的基体；温度波动区用多金 属材料制造，做为热锻模的耐热区。耐热区的材料组成是按阶梯形变化的，耐 热区可分为多个层区，每一层区的材料是均匀一致的。耐热区的材料只有两种 基本组元，其中之一是基体区的材料，叫做基体组元，另一种是模膛表面层区 的材料，叫表层组元。从模膛表面层区到基体之间的各个层区的材料由这两个 基本组元按定的体积配比而成；不同层区的两组元的体积比不同，从而构成 耐热区的多金属材料结构。其主要特征如表1 1 所示。 表1 1 多金属热锻模的理想结构 t a b1 1t h er e a s o n a b l es t r u c t u r eo fm u l t i l a y e rh o tf o r g i n gd i e 1 4 本文研究的内容的提出及意义 热应力引起的热疲劳失效是热锻模最主要的失效形式，研究锻模型腔表面 武汉理工大学硕士学位论文 受到热负荷作用，找到缓解热应力的机理，就必须了解锻模型腔表面层的温度 梯度分布情况。多金属热锻模具是一种长寿命的热锻模，研制多金属热锻模具， 如何对耐热区分层，也必须了解表面层的温度梯度分布情况，本文重点研究热 锻模在锻压过程中的温度梯度的分布及变化的规律，解释热锻模表面层的损伤 与失效的作用机理，同时为多金属热锻模耐热区的分层做出定量的指导，为最 终研制多金属热锻模提供依据。主要研究的内容如下： ( 1 ) 利用d e f o r m 有限元分析软件建立热锻模的热机械耦合场模型，通过 对锻造过程的数值模拟，分析得到热锻模受到高温和机械载荷影响最直接的表 面层的温度场，并利用数学方法得到危险区域的温度梯度表达式。 ( 2 ) 通过比较不同区域不同时间段的温度梯度变化规律，得出热锻模表层 的温度梯度分布规律。 ( 3 ) 通过改变工艺参数和表层材料物性参数，模拟得到影响表面层温度梯 度的因素。 ( 4 ) 按照得到的相关的温度梯度分布的规律，结合实验检测得到的锻模表 面覆层的物理参数，对多金属热锻模具进行模拟分析，所得到的结果与均质锻 模相比较，说明多金属锻模的优异性能。 1 5 本章小结 本章首先论述了热锻模工作过程中表面层受到的热冲击作用，产生很大的 热应力，解释了热应力与热疲劳失效关系，从缓解热应力的角度找到提高热锻 模使用寿命的措施。其次说明了解决热锻模的寿命问题，就必须对其表面层的 材料有不同的要求，并提出了多金属热锻模具是一种长寿命的热锻模。最后指 出了研究热锻模表面层温度梯度的研究对解释锻模表面层热应力及研制长寿命 热锻模的必要性。 武汉理工大学硕士学位论文 2 1 引言 第2 章热锻模表面层热机械原理 热锻模具在工作时，受到锻造系统的多种因素的共同作用，其表面层的温 度场不断变化，工作循环中产生的温度梯度也比较大。要了解热锻模的表面层 温度场和温度梯度，首先要了解热锻模工作时锻造系统的组成。锻造系统是一 个复杂的系统，它有三个应在特殊条件下考虑的子系统组成： 机械子系统：包括实际操作所需要的所有条件和方法。 冶金子系统：包括模具材料的性能，材料热处理，表面处理和涂层。 摩擦子系统：包括决定锻造材料和模具界面的所有参数。 模具表面层的温度在锻造系统的共同作用下，与锻件发生热传导和热摩擦 效应，其大小主要与冶金子系统的物性参数与摩擦子系统的各种工艺参数有关。 理论上计算热锻模的表面层温度场主要分为两部分，即锻件与模具间热传导引 起的温度场和锻件与模具型腔发生相对滑动摩擦热效应引起的温度场。而热锻 过程中还存在工件和模具向环境的热辐射、对流耗热以及塑性变形功等等【3 6 1 。 所以有必要把变形流动和热传导的计算结合起来，进行热一刚塑性耦合分析。 通过对热锻变形过程中的金属流动、热交换、变形能转变为热能、摩擦功转化 为热能等热、力因素对温度场进行耦合计算，可以得出接近于实际的表面层温 度场和温度梯度。 2 2 热力耦合分析的基本原理 进行热力耦合分析需要同时考虑工件的塑性变形及工件、模具、环境三者 之间的热交换，即包括变形分析和温度场分析两个方面【3 7 1 。与变形流动分析和 热传导分析相比，耦合分析的特点是：对于变形流动，流动应力不仅与变形速度、 变形速率有关，还与温度有关，即： 仃= 厂( 勺，6 0 ，d ( 2 - 1 ) 式中：仃一流动应力；勺为应变分量；毛为应变速率分量； r 为热力学温度。 1 0 武汉理工大学硕士学位论文 对于传热分析，则应用有限元法求解热平衡方程，其中的热流矢量包括变 形体内产生的净热、辐射的热量、对流的热量、接触面的传导热和摩擦产生的 热等分量。 2 3 瞬态温度场分析有限元模型 在热成形过程中，变形体不断向空气和模具散热，是一个有内热源的不稳 定热传导问题，其过程控制方程为 颤窘+ b 窘+ 恕窘+ g 一胪鲁= 。 c 2 彩 式中， 七。，k 。， 髓为导热系数。 c 为比热容； t 为时间；p 为密度；g 为内热源强度； 上述热传导方程的泛函为： ，( 功= j j j ， 三 颤( 豢) 2 + 砖( 警) 2 + 恕( 瓦o t ) 2 】+ ( 鲁- q 册d y 一，q t d s ( 2 - 3 ) 瞬态问题的求解是在空间域内用有限元网格划分，在时间域内用有限差分 网格划分，实质上是有限元与有限差分的混合解法【3 8 3 9 1 ，它充分利用了有限元 法在空间域中的适合于不规则边界及任意单元形状的优点和有限差分法在时间 推进中求解在某一时刻的场问题的优点。因此，对变形体进行有限元离散化后， 对任意单元e 的泛函取一阶变分有： o i 。 一= = a 乃 8 i 。 8 i e 。 o i 。 = r 限篆刍c 篆，+ 砖多毒c 等，+ 砖警毒c 警朋矿 + f 加c 等刊嚣肌胁嚣搬衅“删 协4 ， 当变形体离散后，单元内任意点的温度t 可以写成节点温度 r ) 。的插值 形式： r ； 】 丁) 。 ( 2 5 ) 式中，仃) 。为单元节点温度的列阵所以式2 4 转化为： 武汉理工大学硕士学位论文 q q ) = 一( 旧一丢【p 】) 巩一血似一 q ) ， ( 2 - 6 ) 式中： 日勺= 胞警警+ 砖盟堡a y + 哎警警沙 ( 2 - 7 ) 弓。= f ，9 c m n , a v ( 2 - 8 ) 岛。= 一矿q n i d v - 昂q 。n t d s ( 2 - 9 ) 由泛函极值的实现条件a a i l 下：o 得： l ， 【日】2 r ) 。+ 【p 】。 丁) 。+ q ) 。= 0 ( 2 1 0 ) 在整个变形体上进行组集攀：o 并且在时间上有限差分后得， d ， 删咿) f = q q ) ( 2 1 1 ) 其中： 删 _ 旧】+ 芦p 】 ( 2 1 2 ) l 1 q q ) 一( 【日卜丢 用卜似一似坦) f ( 2 - 1 3 ) 【h i 为导热矩阵； p 】为变温矩阵； q ) 为常数项y u l e ；a t 为时间步长。 2 4 热锻模表面层热应力与温度梯度的关系 241 锻靠阶殷热府力的王单i 令推导 由热锻模的传热特性得到热锻模的表面层的温度分布情况，根据热弹性基 本理论 4 0 l ，可以得到热锻模表面层的热应力的分布情况，因为热影响区的的厚 度只有几个毫米厚相对于整个模具而已近似于无限小，故表面层的热应力的计 算可以简化为半无限大的矩形薄板的一维热应力问题【4 1 1 ，板仅在模膛深度处等 温线法线方向上有温度变化t = a t ( x ) ，如图2 4 ( a ) 所示。 1 2 武汉理工大学硕士学位论文 阏 缓缓 y 7 t l f 口皿 ( 噍) i l 、蔫吣毫飞uq 、 ，i ，1 第i + i 层t i + l 口“i p ， 一 ， 图2 1 模具表面层热应力简化图 f i g2 - 1s i m p l i f i e dd i a g r a mo fh o tf o r g i n gd i e st h e r m a ls t r e s s 锻模工作时，在锻靠阶段，温度由初始的预热温度变化到锻靠结束后的峰 值温度，从表面点到模膛内部点，温度的升高幅值是梯度减小的，温度的变化 用t = t ( x ) 表示。按图2 4 ( b ) 将锻模表面层切成一条一条的纤维层，并 给出相应的梯度减小的温度分布t - t ( x ) ，则各纤维就像图c 所示那样，与 温度成等比例伸长，根据热锻的工作条件，定义相邻的两纤维层相互约束，其 初温和终温在各纤维层中全部均匀分布，并且长度变化相同，没有弯曲，纤维 层的初始长度为l 。 由于温度的变化呈现梯度分布，任意取相邻的i 和i + l 层，如图2 - 4 ( d ) 有t i t i + l ，则i 层的自由膨胀为o t ，l t ，而i + l 层的自由膨胀为q + i l 互+ l 。因i + l 层伸长小，则i 层受到压缩而缩短，i + l 层受拉而伸长。因压应力作用，i 层的 长度改变量为毒三，代数值为o - l e ，于是层i 的自由膨胀量减少，最终伸长 量为 o c i l l t i + a i l je i + l 层则由于受到i 层的拉伸伸长增加了q + e ，其最终伸长量为 呸“l z + l + o - i + l e 令以上二式相等，可得 吼l z + q e = 嘭+ l l 取l + j 三e ( 2 - 1 4 ) 1 3 武汉理工大学硕士学位论文 另外，i 层中的压缩应力与i + l 层中的拉应力在无外力时应相等，即 q = 一q + 1 由此可得 q 2墨! 鱼! 互! ! 二竺互2 ( 2 1 5 ) 2 ( 1 ) 在均质材料中，有q + 。：q ：口，引入数学上温度梯度定义孥l ，耐：墨d 眦x i + l 一 q = 五口_ a t i ，- fd r ( 2 1 6 ) ( 2 ) 若表面层用梯度变化的多层金属材料，要缓解各层间的热应力，应使各层 的自由膨胀量相同，即q + 。瓦。= 哆霉，设热膨胀系数口是距离的函数即口= a ( x ) ，则有函数口( 功r ( x ) = k