3、基于数值模拟的板料轧制形变累积研究.doc

基于数值模拟的板料轧制形变累积研究赵茂俞1，薛克敏2，李萍2(1. 合肥学院 机械工程系，安徽 合肥 230601；2. 合肥工业大学 材料科学与工程学院，安徽 合肥 230009)摘要 板料轧制形变累积有利于细化晶粒组织，而多道次轧制能增大轧制板料的等效应变与等效应力，实现细化晶粒的目的。以AISI-4140板料为研究对象，应用数值模拟软件，仿真轧制过程。通过板料厚度t=4 mm轧制为2 mm；厚度t=4 mm轧制为3 mm，再进一步轧制为2 mm。对比分析板料的等效应变、等效应力分布，表明在同样变形量条件下，多道次轧制比一道次变形应力大，细化微观组织作用也大。另外，轧制跟踪点的等效应变与应力值在靠近上、下轧辊比中间区域数值大，该区域的晶粒细化明显。关键词 模拟；轧制；等效应变；等效应力；细化1 前言板带钢是最主要的钢材产品，我国板带钢约占钢材总量的45，在汽车、造船、仪表、电子和家用电器等广泛应用。板带材质量直接影响产品的成材率和后续深加工产品质量。栾佰峰1等通过纯锆轧制过程中的组织与织构演变规律研究，认为板材在轧制过程中会产生不均匀组织。一部分晶粒难变形，另一部分容易变形且沿轧制方向被拉长，在变形量较大时形成变形带。陆璐2等用塑性有限元作为模拟工具已经广泛地用于模拟各类轧制过程中组织演化和各种力学响应。O. Engler3等应用晶粒模型研究原始组织、晶粒尺寸与屈服强度对轧制材料织构演变影响。可见，轧制过程中的组织与演变，不仅影响板料尺寸精度，而且决定轧制材料的微观组织。本文应用数值模拟技术，研究在相同形变量条件下，对比多道次与一道次轧制板料的等效应变与等效应力值，分析其对微观组织晶粒细化作用的效果。2 轧制数值模拟以AISI-4140材料为研究对象，数值模拟轧制过程，分析影响轧制细化晶粒的因素，以获得晶粒细化的微观组织方法。2.1 建立三维模型在Pro/E软件中，建立轧制件的三维几何模型，轧辊、轧制板料三维模型另存为*.igs格式，考虑轧制方向，如图1所示。2.2 数值模拟轧制2.2.1 建立有限元模型 该轧制材料是AISI-4140板料，杨氏模量G0.03 MPa，泊松比0.3。建立轧制有限元的模拟模型，如图2所示。将*.igs格式模型输入到PATRAN软件中，板料模型的划分网格单元采用四面体网格Tet4单元，如图3所示。通过在PATRAN中划分四面体网格，保存后输出*.out文件，之后把后缀名修改为*.pda格式文件，最后将划分的四面体网格模型导入到DEFORM3D中去，与轧辊定位4。 图1 轧制件的三维模型 图2 轧制有限元模拟模型 (1上轧辊，2板料，3下轧辊)2.2.2 设计轧制模拟参数上、下轧辊均定义为刚体，两轧辊直径350 mm，轧制件尺寸为300804mm，采用塑性材料本构模型，材料变形同向硬化。模拟轧辊采用每步角速度为0.3 Rad / second，接触摩擦因数为0.25,6，应用Von Mises屈服准则。流动应力与应变关系采用 (1)式中等效应力，等效应变，等效应变速率。其关系如图4所示。 图3 轧制件网格图 图4 流动应力与应变关系3 数值模拟结果及分析3.1等效应变与等效应力由图4的模拟结果可知，轧制件从t4 mm轧制为2 mm，厚向应变0=0.5；等效应变=0.653，等效应力=963 MPa。在Deform3D软件中，轧制件从t4 mm轧制为3 mm，为了保证轧制的形变物理信息，将结果以*.DB格式文件输入到仿真软件中，再模拟t3 mm轧制为2 mm。由图5、6的模拟结果可知，轧制件从4 mm轧制为3 mm，厚向应变1=0.25，等效应变=0.468，等效应力=967 MPa；最终，轧制件再从3 mm轧制为2 mm，厚向应变2=0.33，等效应变=2.02，等效应力=1030 MPa。显然，模拟结果表明在同样轧制量下，两道次轧制的等效应力、等效应变大于一道次，即，。 (a)等效应变 (b) 等效应力图4 t4 mm轧制为2 mm 模拟结果 (a)等效应变 (b) 等效应力图5 t4 mm轧制为3 mm模拟结果 (a)等效应变 (b) 等效应力图6 t3 mm 再轧制为2 mm模拟结果3.2跟踪点的等效应变与等效应力选择上、中、下三个跟踪点7，如图7所示。显然，在相同轧制时间，即位移量相同，上、下表面跟踪点P1、P3等效应变与应力的曲线1、2值最大，P2曲线值最小，如图8、9所示。由于轧制时，板料与上、下轧辊表面接触，摩擦增大了轧制形变与流动的阻力，使该处的等效应变与应力值相应增大，施加在4晶粒上的挤压力必然增大，因此，细化晶粒作用明显。同时，由于上轧辊为主动辊，施加的载荷使板料塑性变形流动，需要下轧辊支撑板料。所以，上轧辊区域的等效应变与应力值大于下轧辊区域。另外，适当增大摩擦因数，可增大主动轧辊、被动轧辊与轧制件的接触摩擦，保证轧制件的顺利送进。图7 跟踪点的设置 图8 跟踪点等效应变 图9 跟踪点等效应力4 结论在相同轧制量条件下，模拟AISI-4140板材多道次与一道次轧制，分析等效应变与等效应力值，获得了以下结论：1在相同变形量条件下，多道次轧制板料的等效应变与等效应力累积大于一道次形变，有利于轧制材料晶粒组织的细化。2轧制板材上、下表面附近的晶粒细化比中部区域微观组织明显。3应用四面体单元划分网格，模拟板料成形的等效应变与等效应力分布均匀，数值模拟的计算精度较高。参考文献1 栾佰峰，肖东平，贺方方纯锆轧制过程中的组织与织构演变规律J电子显微学报，2012，31(6)：476480.2 陆璐，王照旭，王辅忠，等塑性有限元法在金属轧制过程中组织演化模拟进展J材料导报，2013，27(2)：138142.3 O. Engler, M. Crumbach, S. Li. Alloy-dependent rolling texture simulation of aluminium alloys with a grain-interaction modelJ. Acta Materialia, 2005, 53(8): 22412257.4 杜凤山, 孙静娜, 李学通, 等. 冷轧平整过程轧制压力分布非线性有限元研究J. 塑性工程学报, 2008, 15(3): 186190. 5 程志彦. 几种新型轧机的板形控制分析J. 机械管理开发, 2005, 85(4): 3637.6 华建新, 吴文斌. 基于动态板形辊的冷轧板形控制新技术J. 钢铁, 2001, 36(1): 3337.7 Tang JianGuo, Zhang XinMing, Chen ZhiYong, Deng YunLai. Finite Element Simulation of Influences of Grain Interaction o