基于DEFORM3D二次开发的塑性成形过程组织演化模拟

基于DEFORM3D 二次开发的塑性成形过程组织演化模拟
作者：曲周德 张伟红
摘要：金属热成形方法可以有效改善
产品的综合机械性能，利用有限元模拟可以为控制锻造和产品质量提供理论依据。

在Deform3D 的热力耦合刚粘塑性有限元模拟技术的基础上，进行了微观组织演化的二次开发，可以扩展有限元软件的组织模拟能力，并利用该方法对20CrMnTi 钢镦锻热成形过程进行了计算机模拟，得到了热力参数的分布状况和内部晶粒度变化的规律。

通过摇臂轴的镦锻成形模拟证明了组织模拟能够为工艺改进提供了理论依据。

关键词：刚粘塑性；有限元；晶粒尺寸；显微组织演化；热镦锻
0 引言
高温成形过程中，金属将发生动态和静态再结晶，产生新的晶粒。

这种微观组织的演变在很大程度上决定了产品的宏观力学性能[1，2]。

利用热加工过程控制晶粒大小，细化微观组织，是提高产品力学性能的重要手段。

因此，研究材料在热成形过程中宏观力学行为和微观组织的变化，揭示其相互之间的关系，并依据优化工艺参数、设计塑性成形工艺和锻后冷却方案，这对解决目前的工艺问题，提高产品质量是很有意义的，同时也是变形过程全面模拟的前沿课题[3]。

有限元数值模拟技术是随着物理模拟设备的完善以及计算机技术的发展而发展起来的。

鉴于有限元法是目前唯一能对塑性加工过程给出全面且较为精确数值解的分析方法，本文对材料组织性能所进行的数值模拟均采用该分析方法。

数值模拟软件是求解塑性加工问题的一个基本工具。

现在市场上已有许多成熟的用于金属塑性加工的商业软件。

如DEFORM ，MSC.MARC ，MSC.SUPERFORM ，Dynaform 等，但这些软件都只进行宏观变形和温度的分析计算，没有考虑宏观与微观耦合，不具备微观组织演化的模拟和预测功能，或者只具有简单的预测能力，其模型并不一定适合于所考察的问题。

本文通过对Deform3D 二次开发，将适合于材料的组织模型与成形的热力耦合计算结合，模拟热成形过程中的组织演化。

1 模型建立
材料在热塑性变形中除了应力和应变的变化外，还要发生复杂的微观组织变化，即动态再结晶、静态再结晶、晶粒生长等。

研究表明，再结晶的晶粒尺寸和再结晶晶粒百分比，除了和原始晶粒尺寸与微量元素含量有关外，主要取决于变形及冷却过程的温度、应变和应变速率。

由于热成形过程的复杂性，很难进行现场测试，而在实验室进行研究，只能得到简单条件下的显微组织与宏观热力参数间的定量关系。

通过有限元模拟，可以十分方便经济地获得场量信息，因此可以将有限元用于组织演化的预报和控制。

图1给出了用有限元模拟材料热变形过程中微观组织演化的计算流程。

在实验室通过热力模拟试验，可以获得材料的准经验数学模型，其经验模型大都是通过试验数据回归获得Avrami形式的数学模型。

在对有限元软件开发过程中，将组织模型离散，在每一迭代步中计算，其计算过程如图2所示。

把再结晶模型与刚粘塑性有限元程序耦合，即在子程序计算时，首先分析变形过程中的动态再结晶，在实际计算中首先判断再结晶的体积百分数，当X<0.95时，判断等效应变ε是否大于临界应变εc。

如果等效应变大于临界应变，则开始计算动态再结晶过程；当动态再结晶分数X>0.95时，则直接转为晶粒长大的有关计算。

把静态再结晶模型与热传导有限元耦合，可以分析卸载后的静态再结晶。

Deform3D是由SFTC公司开发的一个体积成形有限元工艺模拟专用商业软件，其用户定义子程序的代码储存在def_usr.f中，有限元主程序通过调用该文件中的子程序，可以计算出用户自定义变量的值。

所以关键问题在于该子程序的编写。

其中USRMSH子程序包含了有限元计算中所有的变量。

通过这个用户子程序，可以修改所有这些变量。

该子程序申明如下：
SUBROUTINE USRMSH(RZ，DRZ，URZ，TEMP，DTMP，FRZA，FRZB，EFSTS，EFEPS，TEPS，RDTY，STS，EPS，DCRP，TSRS，DAMG，USRVE，USRVN，ATOM，HEATND，EPRE，VOLT，WEAR，DUM1，PRZA，DUM2，DUM3，HDNS，VF，DVF，VFN，TICF，GRNSZ，CURTIM，DTMAXC，BCD，NBCDT，NOD，MATR，NBDRY，KOBJ，NUMEL，NUMNP，NDSTART，NDEND，NUMFAC，NUSRVE，NUSRND，NPHASE，ISTATUS，NROUTINE，NONP)
其中TEMP为温度，DTMP为该迭代步的温度增量，EFEPS(NUMEL)是等效应变率，TEPS(NUMEL)是塑性应变增量。

在子程序中需读入组织模拟需要的以上四个基本参量。

对于组织模拟来说，通过USRMSH可以修改以下参量：
VF(NPHASE，*): 再结晶分数
DFV(NPHASE，*):再结晶分数增量
DFN(NPHASE，*):静态再结晶分数
GRNSZ(*): 晶粒尺寸
2 实例分析
扇形齿轮摇臂轴广泛应用于汽车等各种机动车的发动机、转向系统、循环球方向系统。

由于在工作时受力复杂，工作环境恶劣，要求摇臂轴有较高的力学性能。

因此对其热成形过程中的组织演化过程进行模拟，指导工艺有着重要的意义[4，5]。

摇臂轴采用一步成形，材料采用20CrMnTi，模具材料为5CrNiMo。

因为工件为平面对称，所以，取其一半进行模拟，坯料划分为52111个六面体单元，共7085个节点，上模1918个单元，下模5823个单元。

坯料的材料为20CrMnTi，其组织模型如下所示：
（1）动态再结晶模型
（2）静态再结晶模型
将组织数学模型离散化，通过修改USRMSH子程序获得了模拟结果。

图3是模拟使用的模型图。

反映材料热成形过程的主要特征参量为温度场（图4）、应变与应变速率分布（图5和图6）等。

而热成形过程中材料内部显微组织的变化，可由再结晶程度和晶粒度大小来说明（图7和图8）。

图中坯料内的温度场与图中应变与应变率的等值线分布符合塑性加工过程中热力因素的变化规律。

由图7可以看出，在这种等效应变分布条件下坯料内各区域都发生了不同程度的再结晶。

3 结论
采用热力耦合刚粘性有限元微观组织模拟技术，对20CrMnTi结构钢摇臂轴镦锻成形进行了模拟研究，所得到的有关场量信息符合变形规律。

数值模拟结果表明：有限元组织模拟可以为摇臂轴热成形工艺的实施及产品质量的控制、生产合格产品提供理论依据。

参考文献
[1] Kai Karhausen K. and Reiner Kopp R.. Model for Integrated Process and Microstructure Simulation in Hot Forming. Steel Research，63(1992) No.6 p.247-256
[2] Yong-Soon Jang，Dae-Cheol Ko，Byung-Min Kim. Application of the Finite Element Method to Predict Microstructure Evolution in the Hot Forging of Steel. Jounal of Materials Processing Technology，101(2000) 85-94
[3] 杨慧，张质良。

温热精密成形微观组织模拟研究。

热处理vol18，No.4，2003，p1-p4
[4] 陈慧琴，刘建生，郭会光。

Mn18Cr18N钢热成形晶粒变化的模拟研究。

金属学报，vol35，NO.1，1999，p53－p57
[5] 曲周德，张士宏，许沂，王忠堂。

扇形摇臂轴镦挤成形热力耦合分析。

热加工工艺。

2004。

4
[6] Zhou-de Qu，Sh.H ZHANG。

FEM analysis of forming and Microstructure and Prediciton of Properties for Wayshaft. Materials processing and design:modeling，simulation and application，NUMIFORM 2004，edited by S.Ghosh，J.C.Castro，and J.K. Lee，P1737-1741
曲周德1，2 张伟红1 张士宏1 王忠堂1
1中国科学院金属研究所沈阳市文化路72号
2太原科技大学太原市瓦流路138号(end)。