镍基合金圆柱形热模拟试样热变形后鼓形的有限元研究

镍基合金圆柱形热模拟试样热变形后鼓形的有限元研究
袁向前1
,张贤锴1
,时
旭1
,孔
伟2,焦四海
1
(宝山钢铁股份有限公司1.研究院;2.厚板厂,上海201900)
摘要:通过abaqus 有限元分析软件,对镍基合金圆柱形热模拟试样在加热和保温后的单
向压缩变形过程进行了模拟。

研究结果表明,由于镍基合金材料导热系数较小,在快速变形条件下,试样在单向压缩过程中产生的变形热不能充分扩散,从而导致变形后试样内部局部温度升高。

通过与热模拟试样变形后鼓形的实测值进行比较,结果均表明,变形后试样的鼓形随着应变速率的提高而增大。

关键词:有限元;数值计算;热模拟;镍基合金;鼓形
中图分类号:TG146.1+
5文献标志码:B 文章编号:1008-0716(2010)05-0038-04do:i 10.3969/.j issn .1008-0716.2010.05.009
R esea rch on D ru m type D eform a ti on i n Cyli ndr i ca l N i ba sed
A lloy Sam p l es by F i n ite E le m en t Ana l ysis
Y UA N X i angqian 1
,ZHANG X ianka i 1
,S H I Xu 1
,KONG Wei 2
and J IA O Siha i
1
(1.R esear ch In stitu te ;2.H eavy P l a te P l an t ,
Baoshan Iron &Steel Co .,L td .,Shangha i 201900,Ch ina )
Abstr act :W ith the abaqus fi n ite ele ment analysis soft ware ,the axial co mpressi on ofN i based allo y sa mp les a f ter being heated and te mpered is si m ulated .The results sho w t hat w ith a rap i d def or matio n rate ,the heat produced by def or matio n can not d iff use suffic iently i n the sa mp le due to the s ma ll conducti vity factor ofN i based a ll oy .It resu lts in no nun if or m hig her te mperature i nsi de the sa mp le .By co mparing the calcu lated and measured dru m type values ,a co nclusio n can be o btained that t he dr u m ty pe value goes up w it h the i ncrease of the strain rate after the sa mp le was def or med .
K ey w ord s :fi nite ele men;t nu merical calculati o n ;
ther mal si m u l ati on ;
N i based allo y ;
dru m ty pe
袁向前博士年生年毕业于东北大学
现从事材料加工专业电话
6665y x q @0前言
热模拟试验是钢铁材料研究过程中传统的研
究手段之一[1-6]。

相对于现场大生产试验,热模拟具有节约材料,节省时间和人力等优点,以快速便捷地获取钢铁材料的热物性参数,对于现场大生产具有指导意义。

圆柱形试样的单向压缩是钢铁材料热模拟试验中较为常见的变形方式
[4]
,在真空环境下,圆
柱形试样两端的端面与压头接触并被压头固定,控制通过试样的电流产生电阻热或者分布在试样
周围的感应线圈对试样进行加热,利用焊在试样侧面中间部位的热电偶来测量并控制试样被加热的温度。

当加热保温过程完成后,分布在试样两端的压头对试样进行一定变形量和变形速率的变形,然后以一定的冷却方式冷却至室温。

在室温下,研究加热和变形工艺参数对试样组织性能的影响。

鼓形[6]
是热模拟试验过程中普遍存在的现象,相对于普通的钢铁材料,镍基合金的特点就是导热系数较小。

试样在变形过程中会产生变形热,在变形速率较快的条件下,变形热在较短的时
197920072408
E m ail
uan i ang ian baostee.l co m
间内不能充分扩散,使试样内部局部温度升高,材料的变形性能也会随之发生改变,从而对试样变形后的形状产生一定的影响。

为了实现对镍基合金试样变形后试样内部的温度分布和鼓形进行研究,利用abaq us有限元分析软件,对热模拟条件下,镍基合金材料试样的加热和单向压缩变形过程进行了模拟分析。

计算了试样加热保温后的温度场,以及加热后经不同应变速率变形后试样的温度场,同时计算了变形后试样的鼓形,对模拟计算的鼓形与实际的试验结果进行了对比。

1热模拟试验条件
表1为镍基合金的成分质量分数及部分热物性参数。

图1为圆柱形热模拟试样,尺寸为8 12mm。

试样的侧面中间部位焊有一对热电偶丝,用来测量和控制试样的温度。

试样的上下两个端面分别和两个垂直分布的压头接触,试样侧面周围为真空环境。

图2为镍基合金单道次压缩热模拟试验规程图,试样被加热到1200,保温5m i n后冷却到1100,对试样进行应变为0.693的单向压缩变形,应变速率分别为0.1,1和10s-1。

表1镍基合金成分的质量分数及部分热物性参数
Table1Chem ical co m positi on and therma l para m e ters of t he N i based a ll oy% w N i w Fe w N b w A l w Cr w Mo w T i导热系数/(W!m-1!K-1)比热容/(J!kg-1!K-1)
53.017.95.11.1192.91.027
502
2有限元分析模型的建立
如图所示,取过圆柱形试样轴线的四分之一平面进行二维有限元建模,图中阴影面所示为轴对称面。

针对图热模拟试验规程,对保温后的冷却过程及随后的热变形过程,分别建立了热分析模型和热力耦合分析模型。

上述两个模型中,设定环境温度为50,压头温度为800。

在热分析模型中,试样的网格采用DC AX4单元类型。

在随后的热变形模型中,压头为轴对称刚体,试样的网格采用CAX4RT单元类型,以热分析模型计算的温度场作为热变形模型中试样的初始温度场,对试样的变形过程进行热力耦合分析。

图3示出了试样网格划分情况和模型布置情况,在计算过程中跟踪了试样高度方向中心轴
向和试样表面径向的温度分布。

图3试样网格划分情况和模型布置示意图
F ig.3Sche m atic ill ustrati on of the m esh and
model arrange m ent
3结果和讨论
3温度分布
图示出了热分析模型计算的结果。

1
2 1200.1
4
图4热分析模型
F i g .4A the r ma l ana l ys i s m ode l
图5(a)~(c)为热力耦合分析模型计算的变形后试样的温度场,应变速率分别为0.1,1,10s -1。

从图中可以看出,变形结束时,应变速率
对变形后试样内部温度分布的影响很大。

对变形
图5变形后试样温度分布云图
F 5
T f f 后试样轴向和径向的温度进行了跟踪,图6(a)和(b)分别示出了变形后试样轴向和试样表面径向
的节点温度。

图6变形前后的节点温度分布
F ig .6
The node temperature distr i butio n before and
afte r defor m atio n
结合图5和图6可以看出,应变速率为0.1s -1
时,轴向和径向节点的温度比较均匀,且
低于变形前的温度,表明在慢应变速率条件下,变
形热有足够的时间进行充分地扩散;当应变速率为时,试样整体温度高于应变速率i g .e m pe rature co ntour o t he de or m ed sa m ples
1s -1
0.1s
-1
时的情况,表明在变形速率较快时,变形时间短,变形热对整个试样起到了加热的作用;当应变速率为10s -1
时,试样温度分布极不均匀,表明在变形较快时,变形时间更短,试样变形产生的热在试样内部尚未完全扩散。

从温度分布云图上还可以看出,应变速率为10s -1
时,试样内部的局部温度高于应变速率为1s -1的情况,但也有局部
温度低于应变速率为1s -1
的情况,且高温分布集中在变形较大的网格区域,更表明了试样内部变形热没有充分散开,从而导致试样内部温度分布极不均匀。

3.2鼓形
图7示出了热模拟试验变形后且经解剖的试样,变形速率分别为0.1,1和10s -1
,图8示出了
剖面形状。

根据鼓形的定义,测量了上述试样的鼓形。

图9示出了有限元模拟计算值和试验实测值的对比。

从图中可以看出,随着变形速率的提高,镍基合金圆柱形压缩试验热模拟试样的鼓形增大,但是增大的速度随着变形速率的提高而变得较为平缓,这种增加的趋势在有限元计算的结果中也得到了同样的验证。

上述结果表明,镍基合金材料由于导热系数较小,在相同的变形量和不同的变形速率条件下,变形时间的长短直接影响了变形热的扩散。

变形速度较快时,变形热集中在试样的变形区域,导致这些区域温度升高,当变形温度升高时,试样局部区域的力学性能也发生了改变,从而最终影响了
试样变形后的形状。

图9有限元模拟计算值和试验实测值的对比
F ig .9
Co mparison of t he FE M and m easured resu lts
4结论
(1)通过abaqus 有限元分析软件,建立了镍基合金材料的热分析模型和热变形分析模型,分别计算了不同变形速率条件下,试样变形后的温度场,计算了变形后试样的鼓形。

计算结果表明,随着应变速率的提高,试样内部温度随之提高,温度场分布不均匀性也提高,最终引起变形后试样鼓形的增大。

(2)通过热模拟试验,测量了镍基合金在不同应变速率条件下变形后试样的鼓形。

(3)模拟计算结果和试验测量结果表明,镍基合金材料的圆柱形试样经单向压缩后的鼓形随着应变速率的提高而增大。

参
考
文
献
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(收稿日期6)
:2010-01-0。