（材料加工工程专业论文）50at尖轨跟端模锻成形过程数值模拟及工艺分析.pdf

摘要 摘要 随着铁路运输向高速重载发展，钢轨也逐渐换成重轨，相应的道岔的尖轨已采用特 种断面钢轨( 简称a t 型尖轨) 来制作，材料则选用u 7 5 v 钢，它为提高线路质量提供了一 种刚度大、耐磨性好、安全、寿命长的线路配件。 由于a t 型尖轨跟端模锻成形工艺复杂，其可行性、稳定性、成形质量、材料利用率 以及如何提高模具使用寿命，都是在制定a t 型尖轨跟端成形工艺所必须重点考虑的。 本文基于某道岔车间的生产条件，首先采用g l e e b l e - 1 5 0 0 热模拟实验机，测定了 u 7 5 v 钢在高温热压缩状态下的流动应力，研究了变形参数( 变形温度、应变速率、变形 程度等) 对u 7 5 v 钢流动应力的影响。确定了金属塑性流动应力的数学模型，对其数学模 型进行回归，证明此模型具有良好的曲线拟合特性，可以做为工艺计算和数值模拟的依 据。建立了d e f o r m 数值模拟材料模型，为a t 型尖轨跟端模锻成形工艺，选择最佳的热变 形参数提供参考依据。 在三维造型软件p r o e n g i n e e rw i l d f i r e ( p r o e ) 的c a d 平台下，进行了a t 型尖轨跟 端模锻成形各工步的模具设计。针对a t 型尖轨跟端模锻成形过程的几个关键技术问题， 短腿增长、轨腰长高、过渡段成形等，利用有限元数值模拟软件d e f o r m 一3 d 对其成形过 程进行数值模拟。全面分析了a t 型尖轨跟端模锻成形过程中金属的流动规律、应力应变 分布、温度场分布，随后通过一系列模拟，分析了摩擦系数对最大成形载荷、模具表面 最高温度的影响，并通过多项式的最小二乘法拟合得到了它们之间的影响规律。 通过本课题的研究，将模锻工艺、数值模拟仿真技术及模具c a d 技术结合起来，达 到了缩短产品开发周期、提高模具寿命、降低成本等目的。本课题的研究成果对a t 型尖 轨的生产以及相关的模具设计提供依据，并可用于指导生产。 关键词：a t 型尖轨；模锻；u 7 5 v 钢；g l e e b l e 一1 5 0 0 = 数值模拟； 大连交通大学_ 学硕士学位论文 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fh i g h s p e e dh e a v y - d u t yr a i lt r a n s p o r t a t i o n ，r a i li sg r a d u a l l y ， r e p l a c e db yh e a v y r a i l t h ec o r r e s p o n d i n gp o i n to ft h et i pr a i lh a sb e e np r o d u c e db ys p e c i a l s e c t i o no fr a i l ；m a t e r i a l sa r es e l e c t e du 7 5 vs t e e l ，i tp r o v i d e sal a r g es t i f f n e s s ，g o o dw e a l r e s i s t a n c e ，s e c u r i t y ，a n dl i f e l o n gl i n e sa c c e s s o r i e st oi m p r o v et h eq u a l i t yo fl i n e s a t - t y p eo r b i td u et oas h a r pe n dw i t ht h ec o m p l e x i t yo ff o r g i n gf o r m i n gp r o c e s s ，t h e f e a s i b i l i t y ，s t a b i l i t y ，f o r m i n gq u a l i t y ，m a t e r i a l su t i l i z a t i o n ，a s w e l la sh o wt oi m p r o v et h e m o l dl i f ei sp o i n t e di nt h ed e v e l o p m e n to fa t t y p es i d er a i lf o r m i n gp r o c e s sw i t ht h ek e y p o i n t so fc o n s i d e r a t i o nn e c e s s a r y t h i sa r t i c l eb a s e do nt h ep r o d u c t i o nc o n d i t i o n s o ft h ew o r k s h o p ，t h ef i r s tu s eo f g l e e b l e - 1 5 0 0 ，t h e r m a ls i m u l a t i o n t e s t i n gm a c h i n et o m e a s u r e ，t h eu 7 5 vs t e e la t h i g h t e m p e r a t u r eu n d e rh o tc o m p r e s s i o no ft h ef l o ws t r e s st os t u d yt h ed e f o r m a t i o np a r a m e t e r s ( d e f o r m a t i o nt e m p e r a t u r e ，s t r a i nr a t e ，d e f o r m a t i o n e t c ) o n t h ef l o ws t r e s so fs t e e lu 7 5 v i m p a c t d e t e r m i n et h ef l o ws t r e s s o fm e t a l p l a s t i cm a t h e m a t i c a l m o d e l ，i t sm a t h e m a t i c a l 。 r e g r e s s i o nm o d e t ；i tp r o v e st h a tt h i sm o d e lh a sa g o o dc u r v ef i t t h a gc h a r a c t e r i s t i c s ，c o m p u t i n g a n dt e c h n o l o g y c a nb eu s e da st h e b a s i sf o rn u m e r i c a ls i m u l a t i o n d e f o r me s t a b l i s ha l l n u m e r i c a ls i m u l a t i o no fm a t e r i a lm o d e l sf o ra t t y p e ：o r b i t 。w i t h t h es h a r pe n do ff o r g i n g f o r m i n gp r o c e s s ，c h o o s et h eb e s tp a r a m e t e r so ft h et h e r m a ld e f o r m a t i o no fr e f e r e n c e i nt h et h r e e d i m e n s i o n a lm o d e l i n gs o f t w a r ep r o e n g i n e e rw i l d f i r e ( p r o e ) o ft h e c a d p l a t f o r m ，w ed i dt h ea t t y p eo r b i tw i t hap o i n t e de n do ft h ef o r m i n go ft h em o l dd e s i g n s t e p a t - t y p et i pf o rr a i lf o r g i n gf o r m i n gp r o c e s sw i t ht h ee n do fs e v e r a lk e yt e c h n i c a li s s u e s ， s h o r t l e gg r o w t h ，l o n g t r a c kw a i s th i g h ，f o r m i n gt h et r a n s i t i o n a lp a r a g r a p ha n ds oo n ，t h eu s e o ff i n i t ee l e m e n tn u m e r i c a ls i m u l a t i o ns o f t w a r ed e f o r m 3 do ft h e i rn u m e r i c a ls i m u l a t i o no f f o r m i n gp r o c e s s ac o m p r e h e n s i v ea n a l y s i so ft h ea tt y p ew i t has h a r ps i d e t r a c kt h ep r o c e s s o ff o r g i n gm e t a lf o r m i n gf l o w ，s t r e s sa n ds t r a i nd i s t r i b u t i o n ，t e m p e r a t u r ed i s t r i b u t i o n ，a n d t h e nt h r o u g has e r i e so fs i m u l a t i o n ，a n a l y s i so ft h ef r i c t i o nc o e f f i c i e n to nt h em a x i m u m f o r m i n gl o a d ，t h em a x i m u md i et h ee f f e c t so ft e m p e r a t u r e ，a n dt h el e a s ts q u a r e sp o l y n o m i a l f i t t i n gh a sb e e nt h ei m p a c t o ft h el a wb e t w e e nt h e m t h r o u g ht h es t u d yo ft h es u b j e c tw i l l d i ef o r g 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 t e c h n o l o g ya n dm o l dc a dt e c h n o l o g yc o m b i n et oa c h i e v eas h o r t e n e dp r o d u c td e v e l o p m e n t c y c l et oi m p r o v et h ed i el i f e ，r e d u c ec o s t ss u c hp u r p o s e s r e s u l t so fr e s e a r c ho nt h i st o p i co n t h et i pr a i la t - t y p eo fp r o d u c t i o na n dt h ea s s o c i a t e dd i ed e s i g n ，a n dc a nb eu s e dt og u i d e p r o d u c t i o n k e yw o r d s ：a t - t y p et i pt r a c k ：f o r g i n g ；u 7 5 vs t e e l ；g i e e b l e 1 5 0 0 ；s i m u l a t i o n l i 大连交通大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位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及参考 文献的地方外，论文中不包含他人或集体已经发表或撰写过的研究成 果，也不包含为获得太蓬塞通太堂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谢意。 本人完全意识到本声明的法律效力，申请学位论文与资料若有不 实之处，由本人承担一切相关责任。 学位论文作者签名：欲h 锋 日期： 水阳；日 大连交通大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解太蓬銮通太堂有关保护知识产权及保 留、使用学位论文的规定，即：研究生在校攻读学位期间论文工作的 知识产权单位属太蓬塞通太堂，本人保证毕业离校后，发表或使用 论文工作成果时署名单位仍然为太适塞通太堂。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及其电子文档，允许论文被查 阅和借阅。 本人授权太重銮通太堂可以将学位论文的全部或部分内容编入 中国科学技术信息研究所中国学位论文全文数据库等相关数据库 进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论 、 又。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定) 学位论文作者签名：钗镶 日期：州年易月2 日 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 电子信箱： 导师签名： 琢东中 日期：歹年痧月多日 脚qp 炒矾 电诳f3v 1 叻 邮编： 第一章绪论 第一章绪论 1 1 概述 建设客运专线，发展高速铁路对促进我国国民经济发展和社会进步的作用是勿庸置 疑的。“十一五 期间，我国将建设铁路新线1 9 8 0 0 k m ，其中客运专线9 8 0 0 k m ，时速在 3 0 0 k m 以上的有4 4 6 4 k m ，其中京广、郑西、哈大等客运专线列车时速将达到2 0 0 - - - 3 0 0 k m 还将建设京津、沪宁、沪杭、宁杭、广深、广珠等大城市群的城际轨道交通系统，列车 时速在2 0 0 k m 以上此外，1 3 万k m 的既有线路经过改造后，也将实现客车时速2 0 0 k m 轴重2 5 t 货车、载重7 0 t 货车将批量投入运营。届时，我国铁路将形成客运专线、城际 客运铁路和既有线提速线路配套的3 2 0 0 0 k m 的快速客货运网络，一个发达完善的铁路网 的框架将基本形成，其中，东部铁路将率先基本实现现代化，在此路网装备中起关键作 用的将是联接设备高速道岔。是铁路的一个重要的组成部分。道岔是轨道中结构最 为复杂、养护维修工作量最大的部件，也是列车提速的关键因素之一。道岔的技术水平 比较集中地反映了一个国家铁路轨道的发展水平，同时，作为衡量道岔主要性能指标的 直向过岔速度和侧向过岔速度从一个方面比较集中的反映了铁路装备的整体水平【1 1 。 1 2 国内外铁路道岔的发展过程及趋势 道岔是使机车车辆从一股轨道分支进入另一股轨道时必不可少的线路联接设备。它 的基本功能是实现线路的连接和交叉。a t 道岔尖轨是列车通过的咽喉，它直接影响列车 通过的速度。 我国铁路道岔的发展大致经历了4 个阶段，分别以7 5 型道岔、9 2 型道岔、提速型 道岔和9 9 型道岔为代表。 7 5 型及其以前的各型道岔均为单一固定型道岔。尖轨采用普通钢轨刨切而成，轨腰 增设补强板，与基本轨贴靠段改基本轨切底为尖轨爬坡式结构，尖轨跟端为活接头方式。 9 2 型道岔的尖轨采用矮型特种断面钢轨制造，尖轨的长度加长，取消了尖轨跟端的 活接头。但9 2 型道岔的直、侧向过岔速度仍分别限制在1 2 0 k m h 和4 5 k m h 之内。 提速道岔这种优化了尖轨、心轨的断面和线型设计，采用了预应力混凝土岔枕，调 整了道岔的加工工艺，提高了制造精度，基本适应了提速到1 6 0 k m h 。 9 9 型道岔是在提速道岔的基础上，针对提速道岔存在的问题，对结构设计进行了多 方面优化，并采用了许多新的工艺研制成功的。 世界各国铁路道岔经历了一个比较长的发展过程，基本遵循与铁路正线运行速度相 适应的模式。以日本新干线和法国t g v 为代表的高速铁路，从道岔直向过岔速度看，达 人连交通大学工学硕士学位论文 到与区间正线完全相同的水平，法国和德国的高速道俞直向过分速度都有超过3 0 0 k m 的 记录。经过4 0 多年的发展，基础设施等方面的技术日臻成熟，实际运营时度已突破 3 0 0 k i n ；西班牙、韩国、中国台湾高速铁路的设计时度都是3 5 0 k m 。 -4 国外高速道岔主要分为两类：一类是适用于直向高速行车的道岔，这类道岔一般是 常用号数道岔；另一类是直向和侧向都容许高速通过的大号码道岔，这类道岔应满足高 速列车侧向通过时对运行平顺性及乘坐舒适性的要求，这类道岔世界各国都在广泛研制 和采用。随着高速铁路的发展，国外道岔发展趋势如下：钢轨向重型发展，结构统一标 准和向耐磨材料发展，号数简化和向大号码道岔发展吃 1 - 3 新型道岔尖轨 1 3 1 新型道岔尖轨选型 当然，- 从实际使用角度看，不论哪种钢轨，轨头都是受力最严重部位，因而也是最 易损伤的部位。因为轨头直接和车轮接触，承受强大的接触应力、剪切应力和摩擦磨损 作用。 t 。目前新型道岔的尖轨已采用特种断面钢轨( 简称a t 尖轨) 来制作。特种断面钢轨有两 种类型，一种是高型( 与普通钢轨等高) 特种断面钢轨；：男一种是矮型特种断面钢轨。 高型特种断面钢轨因为高度较高，其水平轴的惯性矩较大，但是用这种断面钢轨制造尖 轨，当尖轨贴靠基本轨时尖轨的轨底与基本轨的轨底相重叠，需要刨切尖轨的轨底，这 样不仅增加机加工量，同时也减弱了尖轨的强度，并在轨腰两侧加设补强板。为减少轨 底刨切量并增加尖轨的刚度，其尖轨轨顶面高于基本轨6 m m ，导致列车过岔的垂直不平顺， 另外，补强板加工制造较复杂。矮型特种断面的尖轨的高度较矮，比同类型号普通钢轨 矮2 4 m m ，虽然水平轴的惯性矩稍小一些，但是用这种钢轨制造尖轨，当尖轨贴靠基本轨时， 尖轨的轨底与基本轨的轨底只有小量的重叠，可以减少轨底的机加工量，取消了普通钢 轨断面6 m m 抬高量，消除了列车过岔的垂直不平顺，可提高道岔直股过岔速度，不仅保证 尖轨有足够的稳定性，同时可设一定高度的滑床台扣压基本轨的内侧轨底，以方便清扫 尖轨与基本轨间的积雪和污物经过对比，确定在高速铁路上使用的道岔采用矮型特种断 面尖轨。特种断面钢轨的材质和技术要求与同类钢轨相同。 1 3 2 产品断面特点 5 0 a t 轨断面见图1 1 。 ( 1 ) 长腿内侧斜度1 1 1 ，而腿长达7 2 r a m ；线路轨腿内侧斜度为2 5 - - - 3 3 2 ，腿长 4 8 - - 6 6 7 5 m m 。腿内侧斜度越小，腿长越长轧制中越不易充满。 2 第一章绪论 r 塾一1 ，盈签1 图1 15 0 a t 道岔钢轨断面图 f i g1 15 0 a ts w i t c hr a i lc r o s s s e c t i o nf i g u r e ( 2 ) 长、短腿长度相差较大。钢轨平放时，长腿与水平面的斜度达3 7 1 4 ，f 短腿与 水平面的斜度仅为1 7 8 6 ，线路轨与水平面斜度为1 7 4 6 一- - 2 3 7 6 。与水平面斜度越大， 模锻过程中出现自重扭转的可能性越大。 ( 3 ) 头、腰、底的中心线互不重合。底与头的垂直中心线相错达1 7 5 m m ，测啪、y 轴均不对称。各部分延伸变形不易控制，出现变形扭转的可能性大i 3 1 。 1 45 0 a t 轨跟端模锻成形过程概述 1 4 1 国内外a t 轨跟端成形工艺 ( 1 ) 国外a t 轨跟端成形工艺： 法国通过数控机加工中心按图纸一次定位铣削完成尖轨的) j h - - ； 日本用3 0 0 0 t 水压机滑块模压成形，a t 型尖轨是轴对称的，易成形。 ( 2 ) 国内工艺： 第一种方案采用将上述6 0 a t 轨定尺锯切后，一端加热至1 1 5 0 ，用2 0 0 0 k n 辊锻机， 通过四道次孔型辊模加工，达到基本成形要求，再在8 5 0 左右进入1 5 0 0 0 k n 钢轨精压 机热压校正。这种方案需设计一套压辊和一套校正模具。 第二种方案采用2 0 0 0 0 k n 油压机热压经过3 次加热最后成型。需设计预锻模具、终 3 人连交通人学 f ：学硕十学位论文 锻模具、整形模具。重点解决a t 型尖轨跟端锻造成标准轨型。a t 型尖轨跟端经过预锻、 终锻、整形之后，其基本组织必然不均匀，同时晶粒度比较粗大，锻造应力较大，存在 魏氏体组织和带状组织，为消除上述锻造后产生的各种缺陷并为以后的中频淬火加热做 好准备，将a t 钢轨跟端压制后放入正火炉中，加热到8 3 0 8 5 0 c 维持足够的保温时间， 使奥氏体均匀化，然后在空气中冷却，获得细小的珠光体组织，同时还使游离铁素体晶 粒细化，数量减少。对a t 钢轨跟端压制后采用正火处理，其目的就是获得较好的综合 机械性能【4 1 。 第三种方案采用模锻工艺如图1 2 ，为了使短腿增长达到技术要求及各部金属充满 模腔。 开坯第一工步，首先完成增长短腿和轨腰部分长高工步。在上模开始下压的过程中， 将长腿及轨腰部分多余金属移入短腿模腔，随着上、下模逐渐合模，通过轨底压板的侧 向摆动给短腿极大的侧压力，迫使短腿增长。 开坯第二工步，完成at 轨轨腰长高的目的，以便下一步终锻时，坯料能够顺利进 入终锻模模腔。 整形工步第_ 工步，轨底压板先不放入，先使at 轨轨头及轨腰成型，多余金属挤 向轨底。 整形工步第二工步，上模座升起，沿导轨放入轨底压板再施压，将轨底成形，多余 金属留在轨底。 与己 。j 亍 一 i 实验目的 通过测定u 7 5 v 钢在高温热压缩状态下的流动应力，得出应力一应变关系曲线， 分析应变速率、变形程度及变形温度对流动应力的影响规律。 建立数值模拟的准确材料库模型，以提高工艺设计计算和有限元仿真的精度。 ( 2 ) 实验方案 采用g l e e b l e 一1 5 0 0 热模拟实验机进行圆柱体等温压缩实验。试样为8 1 5 n 1 i n 的圆柱体；变形温度范围为7 0 0 - - 1 1 0 0 。c ，间隔1 0 0 。0 为1 个试验点，各试验点温度为 7 0 0 ，8 0 0 ，9 0 0 ，1 0 0 0 ，1 1 0 0 ；变形速率为o 1 ，l ，1 0s ；变形程度为：f = l n ( h h ) 8 0 ，即取值为o - 一l n 2 ，取变形程度为0 6 。热模拟实验的升温速率为 试样以2 0 s 的速度加热升温至1 1 0 0 ，保温时间为1 2 0 秒，使试样保温到内外温差 一致。表2 1 为实验方案。 表2 1 实验方案 t a b l e2 1e x p e r i m e n tp r o p o s a l 温度t ( ) 应变速率 应变量，保温时间t ( s ) 7 0 0 1 1 0 0：01 0 6 1 2 0 7 0 0 1 1 0 01 o 6 1 2 0 7 0 01 1 0 01 0o 61 2 0 ( 3 ) 制定工艺流程 选变形温度是11 0 0 。c ，变形程度是6 0 ，变形速度是1 s q 做举例说明。其工艺流程 如图2 1 所示。工艺流程图中横坐标表示时间，纵坐标表示温度。图中参数发生变化的 那些点叫做程序点。如图中横坐标下、一所指示的点就是程序点。从工艺流程图 中可知，热轧模拟试验的加热速度是2 0 s ，升至1 1 0 0 ，保温2 分钟，变形程度是 6 0 ，应变速率是1 s 。 ( 4 ) 实验试样形状及压缩装置示意图 图2 2 所示经线切割后试样，图2 3 为g l e e b l e - 1 5 0 0 热模拟试验机压缩装置示意 图。压缩试验时试样端面的摩擦力是影响试验精度的主要因素。理论上，只有试样均匀 变形，压缩后试样中部无鼓肚，其轴向应变和横向应变相等，所测的变形抗力才能反映 1 0 第二章u 7 5 v 钢流动应力热压缩实验 整个试件塑性变形的真实情况。因此，如何减少试样端面摩擦是保证单向压缩物理模拟 精度的技术关键。 丁( 。c ) l o 一5 。 - 5 5 。 t 2 固 o 6 一 t ( 曲 图2 1 工艺规程图 f i g 2 1r e g u l a t i o nm a po fc r a f t 图2 2 压缩试样形状图( m m ) f i g 2 2f i g u r eo fc o m p r e s s e ds a m p l e c l 缀n p 图2 3 压缩装置示意图 f i g 2 3s k e t c hm a po fc o m p r e s s e ds e t t i n g 压缩试验时试样端面的摩擦力是影响试验精度的主要因素。理论上，只有试样均匀 变形，压缩后试样中部无鼓肚，其轴向应变和横向应变相等，所测的变形抗力才能反映 整个试件塑性变形的真实情况。试验中在压头与试样两端接触处夹一层石墨片进行润 滑。为了防止压头与试件的粘连，在压头与石墨片之间夹一层厚度为0 1 m m 的高温合金 片【6 j 。 人连交通人学r 学硕士学位论文 2 4 2 用g p l 语言编制热力模拟程序 g l e e b l e 提供两种类型的软件，一是g l e e b l e 语言编程及操作控制软件，另一类是 为模拟热加工过程( 如焊接热影响区) 的专用软件。g p l 是g l e e b l e 。程序语言的缩写。 ( g l e e b l ep r o g r a m i n gl a n g u a g e ) 。g p l 语言是面向式语言。程序语言显示所需要的数据 栏，提醒用户逐段输入数据，最终连接成坐标曲线，为热模拟实验编程。程序同时控制 温度和力能参数。力学和温度参数编入程序后，可独立运行，也可以同时运行。程序以 设定的温度、力学值和完成以上两个参数所需要的时间值来输入。g p l 语言中有许多功 能菜单，其上有各功能键的作用，敲菜单上对应的功能键，可启动相应的指令，并显示 在荧光屏上。 此外，计算机系统还可运行一些常用语言及应用软件，根据试验的需要，编制实用 性更强的程序，扩大物理模拟试验的范围或提高其模拟精度。 用g p l 语言编制热力模拟程序如表2 2 程序点的时间是1 0 秒，温度和力学值都是零。因程序点是设备起动所要求的 程序点，设备启动时首先要用1 0 秒钟时间，先打开加热开关和油泵开关。加热开关用 数字2 表示，油泵开关用数字3 表示。所以第一个程序点所输入的时间为l o 秒，输入 时间秒时，数字后应加十进制小数点。温度为o ，力学值也为零。力学控制模式为行 程控制模式。输入控制开关号2 ，3 。开关号间隔用逗号分隔。 程序点也是设备启动所要求的程序点，用5 秒种打开系统开关、力学开关、加热 开关、油泵开关、高速开关和高压开关。系统开关用数字0 表示，力学开关用数字l 表 示，加热开关用数字2 表示，油泵开关用数字3 表示，高速开关用数字4 表示，高压开 关用数字5 表示。所以第二个程序点输入的时间是5 秒，温度是0 ，力学控制模式为 s k ，力学值为零，打开的控制开关号依次为0 ，1 ，2 ，3 ，4 ，5 。此外，记录器开关用数字6 表示， 淬水开关用数字8 和9 表示，采样开关用数字1 2 表示。试验过程中需要哪种功能就打 开哪个开关。如，需要记录就打开6 号开关。 程序点是加热升温程序点，试样以2 0 s 的速度加热升温至11 0 0 。c ，所以第三 个程序点的时间是5 5 秒，温度是1 1 0 0 。c ，力学控制模式为s k ，力学值为零，控制开关 号为0 ，1 ，2 ，3 ，4 ，5 。 程序点是保温程序点，试样在1 1 0 0 保温2 分钟。因此，在第4 个程序点输入的 时间是2 分钟，输入分钟时数字后加冒号，温度是11 0 0 。c ，力控制模式为s k ，力学值 为零，控制开关号为o ，1 ，2 ，3 ，4 ，5 。 程序点是打开采样开关程序点。因为这时，试件就要变形，变形前应打开采样开 关，以便存储变形时刻应力和应变数据。等试验结束后用绘图仪绘出曲线。这点的时间 1 2 第二章u 7 5 v 钢流动应力热压缩实验 表2 2g p l 语言编制热力模拟程序 t a b l e2 2g p lt h e r m a ls i m u l a t i o np r o g r a ml a n g u a g e s p tt i m et e m pm o d em e c hn 0 o fr e t u r n c o n t r o l l o o p sp t i n ts w i t c 瓶s 0 n 0 0 0 10 0 0 ：1 0 0 0 00 0 0 0s k 0 0 0 0 0 2 ，3 0 0 0 20 0 0 ：0 5 0 0 00 0 0 0s k0 0 0 0 0 0 ，1 ，2 ，3 ，4 ，5 0 0 0 30 0 0 ：5 5 0 0 01 1 0 0s k0 0 0 0 0 0 ，1 ，2 ，3 ，4 ，5 0 0 0 40 0 2 ：0 0 0 0 01 1 0 0s k0 0 0 0 0 0 ，l ，2 ，3 ，4 ，5 0 0 0 5 0 0 0 ：0 1 0 0 01 1 0 0 s k 0 0 0 0 0 0 ，1 ，2 ，3 ，4 ，5 ，1 2 0 0 0 6t r a n s i t i o n1 1 0 0s c0 0 0 0 0 0 ，1 ，2 ，3 ，4 ，5 ，1 2 0 0 0 70 0 0 ：0 0 6 0 01 1 0 0s c - 0 0 6 0 0 0 ，1 ，2 ，3 ，4 ，5 0 0 0 8t r a n s i t i o n1 1 0 0s k0 0 0 0 0 0 ，堍2 ，3 ，4 ，5 。 0 0 90 0 0 ：0 2 0 0 01 1 0 0s k0 0 0 0 0 0 ，l ，2 ，9 0 0 1 00 0 0 ：1 0 0 0 00 0 0 0s k0 0 0 0 0 0 ，l ，2 ，9 是1 秒，温度仍是1 1 0 0 。c ，力学控制模式s k ，力学值为零，控制开关号为0 ，1 ，2 ，3 ，4 ，5 ，1 2 。 程序点是力学控制模式转换点。由于试样此时开始变形，需控制试件的变形程度，。 由行程控制模式转换到横向应变控制模式。在输入时间时不输入时间，敲f 7 功能键， 屏幕显示原始模式为s k ，想要转换到哪种模式。这时输入s c ，程序便转换到应变控制 模式。这个程序点的控制开关号仍然是o ，1 ，2 ，3 ，4 ，5 ，1 2 。 程序点是试样开始压缩变形的程序点。由设定的变形程度和变形速率计算出输入 的时间值。如；时间t = 毒= o 6 1 = 0 6 秒。即变形时间是0 6 秒，温度是1 1 0 0 ，力 学控制模式为s c ，力学值为一0 6 ，即真应变6 0 ，负值表示压缩，控制开关号为 0 ，1 ，2 ，3 ，4 ，5 。 程序点还是力学控制模式转换点。由于高速压缩变形时具有较大的惯性，为使压 缩量不超出设定值，变形停止时，力学控制模式需要转换到原来的行程控制模式控制位 移，以保证准确的变形程度。所以不输入时间，当屏幕显示时间时按f 7 键，输入s k ， 温度为1 1 0 0 ，力学控制模式为s k ，力学值为零，控制开关号为0 ，l ，2 ，3 ，4 ，5 。 程序点是打开淬火开关程序点。输入的时间为2 秒，温度为o c ，力学控制模式 为s k ，力学值为零，控制开关号为0 ，1 ，2 ，9 。 大连交通大学工学硕士学位论文 程序点是试验停止程序点。输入的时间为1 0 秒，温度为o * c ，力学控制模式为 s k ，力学值为霉，控制开关号为0 ，1 ，2 ，9 。将上述程序点的参数值，按顺序排列成表就 是g p l 语言，以应变速率1 s 、温度i 1 0 0 * c 为例， 2 5 实验曲线和数据采集 ( 1 ) 曲线处理 模拟机在计算机控制下按编好的g p l 语言自动完成流变应力曲线的测定实验。实验 结束后，打开绘图仪，画出曲线。由绘图仪画出的曲线如图2 4 所示。 将热模拟实验机绘图仪所得曲线用图像识别软件p r o e n q a ( 1 e ，采集曲线数据如图 2 5 ，并将其迭代得到其数据表：再将其不同温度所得流变应力数据复制到o r i g i n 图形 可视化和数据分析软件的工作表中进行绘图分析分别得到处理后的流变应力曲线。 ；j i j i j f i r 种珊 一 图24 实验得到的曲线图 f 培2 4 0 b m l n e d a 坍e f r o m c x p e r m l e n t 阐 隧：。蔫i 粪耄薹霆霎隧 除溺 鬃痧参蘩鼍耋羹 鬟警妥- 警籀篱龋鬻渊 图25 数据采集 f i g 2 5 d a t aa c q u i s i i i o n 本章小结 本章首先简要介绍了物理模拟对分析u t 5 v 钢塑性变形过程的优越性，制定了u 7 5 v 钢热压缩变形的实验方案，确定工艺流程，编写了g l e e b l e 实验机专用的g p l 语言，并 对得到的曲线进行了数据采集。 第三章u 7 5 v 钢热变形流动应力行为研究 第三章u 7 5 v 钢热变形流动应力行为研究 3 1 变形温度对变形抗力的影响 3 1 1 不同变形温度的应力一应变关系曲线 由图3 1 可知，当同一变形程度和变形速率时，变形温度越高，流动应力越小，说 明温度提高对材料有软化作用。当变形温度高于0 5 t m 时，加工硬化曲线上会突然出现 叠= 0 i s 0 00 10 2030 ：40 5o 鼻 变形程度 ( a ) 0 0o 0 20 30 40 5o j 变形拌度 叠= l o s 一1 ( b ) 0 0n020 30 40 50 6 变形挫，殳 ( c ) 图3 1 同一应变速率下，不同变形温度的应力一应变曲线 ( a ) 变形速率0 1 s 4( b ) 变形速率1 s 4 ( c ) 变形速率l o s 。 f i g3 1s t r e s s - s t r a i nc a l v eo ns a m es t r a i nr a t ea n dd i f f e r e n tt e m p e r a t u r e ( a ) s t r a i nr a t e0 1s 4( b ) s t r a i nr a t e1s 4 ( c ) s t r a i nr a t el o s 。1 1 5 珊 蛳 狮 m o b d ：r 芝罨聪 枷 靴 狮 瑚 o 正=rr萑贯程 啪 湖 瑚 仰 o 正=弋翟霄耀 大连交通大学工学硕十学位论文 一峰值如图3 1 ( a ) ，是典型的动态再结晶出现的证据。因为，应变速率较低时，材料 中的储存能较高，从而有利于材料在热变形过程中发生动态再结晶。然而应变速率低， 导致位错增殖速度小，在发生动态再结晶软化后继续进行再结晶的驱动力减小，再结晶 软化作用减弱，以至于不能与新的加工硬化平衡，从而重新发生硬化，曲线重新上升。 随着变形速率增加，d h i 硬化曲线上没有出现明显峰值，因为应变速率大，材料没有足 够的时间发生充分的软化，但随着变形量的增加，使得位错密度的增长趋势逐渐减弱， 加工硬化效应逐渐低于线性增长，趋向平缓，这一现象主要由变形过程中发生动态回复 现象引起如图3 1 ( b 、c ) 。因此发生动态回复和动态再结晶，可减少或消除由于塑性 变形所产生的加工硬化，从而使变形阻力降低。通过观察比较，当温度为7 0 0 ，变形 速率为1 0s 。1 时流动应力最大。 3 1 2 热变形过程中的动态再结晶 根据图3 2 得知，s e 曲线分三个阶段：当变形程度在第1 阶段时，变形程度小于 某个值时，流动应力增加较快，只发生动态回复，动态回复不能完全消除加工硬化；随 着变形量继续增加，位错密度增加到一定值时，金属位错应力场造成的畸变能累积达 到一定程度，将促使金属发生另一种变化。即产生新的再结晶晶粒，为动态再结晶。动 态再结晶的发生，使更多的位错突然消失，使金属的流动应力突然下降，这是应力应变 曲线第二阶段( i i ) 的开始【9 1 。在发生动态再结晶软化后继续进行再结晶的驱动力减小， 再结晶软化作用减弱j 以至于不能与新的加工硬化平衡，从而重新发生硬化，曲线重新 上升；第三阶段( i i i ) ，随着再结晶的继续发展，流动应力下降缓慢并趋向稳定，当加工 硬化和再结晶软化达到动态平衡时，曲线进入稳定阶段i i i 形成稳态流变。 占= 0 1 s 一1 生 6 0 j ： 斋 涮4 0 厂 l 、9 0 i i i i i i i 图3 2 发生动态再结晶的流动应力曲线 f i g 3 2 r e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h es t r e s s ( s ) a n ds t r a i n ( e ) f o rt h ed y n a m i cr e c r y s t a u i z a t i o n 1 6 第三章u 7 5 v 钢热变形流动应力行为研究 3 1 3 热变形过程中的动态回复 根据图3 3 得知，s - e 曲线阶段：第一阶段( i ) 为微量变形区。应变速率由零开始， 一直增大到试验所采用盼应变速率为止。在这阶段应力随着应变的增大而迅速增大，加 工硬化率呈线性上升，并发生加工硬化；第二阶段( i i ) 宏观塑性变形区。随变形量继续 增加，位错密度不断增大，由于动态回复造成软化，加工硬化率逐渐减小( 曲线的斜率 逐渐减小) ，材料逐渐均匀塑性变形；第三阶段( i i i ) 为应力趋于稳态阶段。此时随着变 形程度增加，加工硬化与动态回复基本达到平衡，随着变形程度的增加，应力逐渐趋于 稳定值。 0 i o002a 3 0 40 50 6 变形镶暄 图3 3 发生动态回复的流变应力曲线 f i g 3 3r e l a t i o n s h i pb e t w e e ns t r e s s ( s ) a n ds t r a i n ( e ) f o rt h ed y n a m i cr e c o v e r y 3 2 变形程度对流动应力的影响 图3 4 为同一变形温度下，不同应变速率的应力一应变曲线。 由3 4 可知，对应于强化极限的变形程度大小，与变形温度、变形速度有关，在高 温、低变形速率下，强化极限所对应的变形程度较小，即在较小的变形程度时就出现强 化极限，如变形速率为o 1s 。1 和1s 一；在较低温度、较高的变形速度下，强化所对应的 变形程度较大，或出现没有强化极限，如变形速率为1 0 s 。 一般认为，应变速率较低时，材料中的储存能较高，从而有利于材料在热变形过程 中发生动态再结晶。在较高的应变速率下，塑性变形时单位应变的变形时间缩短，同时 由于动态回复、动态再结晶等提供的软化过程时间缩短，塑性变形不充分，导致流变应 瑚 惯 伽 o 日正：r聋督漓 大连交通大学t 学硕士学位论文 力的增大；而且随着温度升高，变形速率越 表示材料在高温下动态再结晶很快发生【9 1 。 3 0 0 山 = o 菩2 0 0 嚣 囊 o o on02030 4。050 e 3 0 6 a - = o 型2 0 0 暑 疆 1 0 0 o 垒彤榉瞍 ( a ) t = 7 0 0 n n 20 3n 4n 50 6 变形程蔓 ( c ) t = 9 0 0 芷 = 善2 0 0 幂 穗 1 小，动态再结晶的临界应变值e 变小，即 3 0 0 正 z s ： 2 0 0 喀 避 3 0 o 0 0n 2o30 40 5n b 叟彤程生 ( b ) t = 8 0 0 变形程埋 o 5o e ( d ) t = 1 0 0 0 图3 4 同一变形温度下，不同应变速率的应力一应变曲线 f i g3 4s t r e s s s t r a i nc u r v eo n s a m et e m p e r a t u r ea n dd i f f e r e n ts t r a i nr a t e 1 8 傅山：rr爱露舞 第三章u 7 5 v 钢热变形流动应力行为研究 3 3 变形速率对流动应力的影响 根据图3 4 得知，在同一温度和变形程度下，变形速率越大，流动应力越大，由于 没有足够的时间完成塑性变形，使金属的流动应力提高塑性降低，变形速率大，则可能 没有足够的时间进行回复和再结晶，随着变形程度的增加，金属变形强化作用大，说明 随变形速率的增加，加工硬化率增加。 3 4 变形机制 热加工过程中，流变应力变化主要取决于两个方面：位错增值引起的加工硬化和由 于变形和高温的作用导致的动态软化。两者在热加工过程中同时进行、互相影响。加工 硬化是由于位错密度的不断增加而导致位错塞积所致。表现在曲线上流动应力随变形量 的增加不断升高。而高温软化机制主要是指发生回复、再结晶而使材料软化，表现在曲 线上流动应力随变形量的增加不断下降。所以，高温变形时流变应力曲线的变形模式最 终取决于加工硬化和动态软化共同作用的结果。从曲线看出在相变点以下变形时流动应 力通常随应变迅速升高达到峰值后，逐步下降，最后趋于稳定这是因为在两相区不易发 生动态