辊型对半固态变形影响的三维有限元分析

D0I:10.13374/i.issn1001053x.2003.01.015 第25卷第4期 北京科技大学学报 Vol.25 No.4 2003年8月 Journal of University of Science and Technology Beijing Aug.2003 辊型对半固态变形影响的三维有限元分析 董洪波》陈贵江)高元军》 康永林) 1)北京科技大学材料科学与工程学院，北京1000832)广州珠江钢铁有限责任公司，广州5107303)济南钢铁集团公司，济南250101 摘要采用多孔材料的几何模型，利用MARC有限元软件对弹簧钢60Si2M血半固态轧制 过程进行了三维有限元模拟，分析了在平辊和孔型轧制条件下的应力、应变场.在孔型中轧 制，轧件变形区横截面上应力、应变场分布均匀，模拟结果与实验结果相吻合，说明半固态材 料适合在孔型中轧制. 关键词有限元：应力场：应变场：半固态；流变轧制 分类号TG335.17 将钢铁材料的非枝晶半固态浆料制备技术 体：③半固态材料成形过程中，忽略材料的弹性 与连续轧制技术相结合，形成钢铁材料的半固态 变形；④假设半固态材料为非牛顿流体，即 连续轧制，即流变轧制.它不同于目前以枝晶凝 G二K(m+1)2 固为基础的任何形式的轧钢技术，是以非枝晶凝 1.2基本方程 固为基础的一种崭新的轧制技术四. 据上述假设，对半固态钢铁材料采用各相同 计算机模拟与实验相结合是探索钢铁材料 性的、可压缩的刚一粘塑性模型进行模拟分析. 半固态直接轧制成形的有效方法，应力、应变场 (1)刚-粘塑性材料的本构方程. 分析是优化轧制工艺的基础.准确模拟的关键是 假设弹性应变分量与应变速率无关，同时由 半固态材料模型的建立以及模拟参数的优化，三 于当应变速率效应显著时，材料的强化效应往往 维模拟进一步增加了难度.本文对钢铁半固态材 不太显著，因此可忽略应变硬化的影响.由于假 料在不同变形条件下直接轧制成形过程进行了 设半固态材料与多孔材料等价，因此弹性变形可 三维模拟，模拟结果较好地反映了实际情况， 以忽略不计，由Perzyna所给出的粘塑性应变速 率e与瞬时应力o,之间有如下关系，可得到半固 1半固态材料的分析模型 态材料的刚一粘塑性本构方程为”： 1.1基本假设 名='g8 (2) os 半固态浆料的固相率￡主要由温度T来决定， 式中，= 1g)g≥0 由实验数据回归可得到半固态60Si2Mn一T的 0,g08为静力屈服函数，Y 关系式： 为材料常数，且少=”为粘性系数。 f=7.8-0.005T (1) (2)屈服准则. 本次模拟温度为1400℃，固相率0.8.为了有 MARC软件的粉末材料屈服条件如下： 效地对钢铁材料半固态直接轧制成形过程进行 2a-时m-ma-}e) 计算机模拟，对半固态材料假设如下：①由于半 式中，，2，为主应力：0为平均应力：为屈服 固态材料是由固相和液相组成的，假设固相、液 应力.对应于半固态材料，与粉末材料相似，取材 相均匀分布，并将半固态材料的组成视为与多孔 料参数y,B为 材料等价；②假设半固态材料为可压缩的连续 y=,B=2.49(1-f)4 (4) 收稿日期2002-11-08董洪波男，31岁，博士研究生 13半固态轧制的计算条件 *国家自然科学基金资助项目(No.50174003,No.59995440) 用60Si2Mn半固态坯料制成Gleeble1500热

第 卷 第 期 年 月 北 京 科 技 大 学 学 报 恤 】 辊型对半固态变形影响的三维有限元分析 董洪 波 ‘， 陈贵江 ” 高元 军 ” 康永林 ” 北京科技大学材料科学与工 程学 院 ，北京 广 州珠江钢铁有 限责任公 司 ， 广州 济南钢铁集 团公 司 ，济南 摘 要 采 用 多孔 材料 的几何 模型 ， 利用 有 限元 软件对 弹簧钢 半 固态 轧制 过程进行 了三 维有 限元 模拟 ， 分 析 了在平 辊和 孔 型 轧制条件 下 的应 力 、 应 变 场 在 孔 型 中轧 制 ， 轧件变形 区横截 面上应 力 、 应变场 分布均匀 模拟 结果 与 实验 结果相吻合 ， 说 明半 固态材 料 适合 在孔 型 中轧制 关键词 有 限元 应 力场 应 变场 半 固态 流变轧制 分 类号 将钢 铁 材 料 的 非 枝 晶 半 固态 浆 料 制 备 技 术 与连 续 轧制 技术相 结合 ， 形 成 钢 铁 材料 的半 固态 连 续 轧制 ， 即流 变 轧 制 它 不 同于 目前 以枝 晶凝 固为基础 的任 何 形 式 的轧钢 技术 ， 是 以非枝 晶凝 固为基 础 的一 种崭新 的轧 制 技 术〔 计 算 机 模 拟 与 实验 相 结 合 是 探 索 钢 铁 材 料 半 固态 直 接 轧 制 成 形 的有 效方 法 ， 应 力 、 应 变 场 分 析是优化 轧制 工 艺 的基础 准确模拟 的关键 是 半 固态材料模型 的建立 以及模拟参数 的优 化 ， 三 维模拟进 一 步增加 了难度 本文对钢 铁 半 固态材 料 在 不 同变 形 条件 下 直 接 轧 制 成 形 过 程 进 行 了 三 维模 拟 ， 模 拟 结 果 较好 地 反 映 了实 际情 况 半 固 态材料 的分 析模 型 基 本假 设 半 固态 浆料 的 固相 率人主 要 由温度 来 决定 ， 由实验 数 据 回归 可 得 到 半 固态 不一 的 关系式 不 一 本 次模拟 温度 为 ℃ ， 固相 率 为 了有 效 地 对 钢 铁 材料 半 固态 直 接 轧制 成 形 过 程 进 行 计 算机模 拟 ， 对 半 固态 材 料假 设 如 下 ① 由于 半 固态材 料 是 由固相 和 液 相 组 成 的 ， 假 设 固相 、 液 相均匀 分布 ， 并将 半 固态材料 的组成 视 为 与 多孔 材 料 等 价 ② 假 设 半 固 态 材 料 为 可 压 缩 的 连 续 收稿 日期 一 刁 董洪波 男 ， 岁 ， 博士研 究生 国家 自然科学基 金 资助项 目 ， 体 ③半 固态材 料 成 形 过 程 中 ， 忽 略 材料 的弹性 变 形 ④ 假 设 半 固 态 材 料 为 非 牛 顿 流 体 ， 即 叮 犬云 用 李 川 基 本方 程 据 上述 假 设 ， 对 半 固态钢 铁 材料 采 用 各相 同 性 的 、 可 压 缩 的刚 一 粘 塑 性模 型 进 行 模 拟 分 析 刚 一 粘 塑 性材 料 的本 构 方 程 假 设 弹性应 变分 量 与应 变速 率无 关 ， 同时 由 于 当应变速 率效应 显 著 时 ， 材料 的强 化效应往往 不 太 显 著 ， 因此 可 忽 略应 变硬 化 的影 响 由于假 设 半 固态 材料 与 多孔 材料 等价 ， 因此 弹 性变形 可 以忽 略 不 计 ， 由 所 给 出 的粘 塑 性 应 变速 率乌与 瞬 时应 力丙之 间有 如 下 关 系 ， 可 得 到 半 固 态 材料 的刚 一 粘 塑 性 本 构 方 程 为‘钊 。 ， ， 、 刁它 场 一 夕 一 吸岁娜 户币荀 式 中 ， 叼一 甲爵 “ 静 “ 屈 服 函 ” ， 尹 为材 料 常数 ， 且 尹一 命 ， 。 为粘 性 系数 · 屈 服 准 则 软 件 的粉 末 材 料 屈 服 条 件 如 下 。 一 十合。一 。 一 。 一 借 ‘ 式 中 ， ， 氏 ， 伪 为 主 应 力 为平 均 应 力 为 屈 服 应 力 对 应 于 半 固态 材料 ， 与粉末 材料 相 似 ， 取材 料 参 数少 ，刀为 刀 ， 刀 一不 ，， 半 固 态 轧 制 的计 算条件 用 半 固态坯 料 制 成 热 DOI ：10．13374／j ．issn1001－053x．2003．04．015

·350· 北京科技大学学报 2003年第4期 模拟试样，将试样加热到半固态温度区，在不同 材料的低流变应力及较好流动性的特征，顺利地 温度不同变形速率下进行单道次压缩变形，获得 在大变形的状况下完成了模拟，发现其具有独特 应力应变关系曲线，建立材料数据库， 的变形特征.从图3中可以看到，由于平辊对轧 半固态轧制的有限元分析是一个高度非线 件侧边无约束，横向展宽量较大，同时由于轧辊 性问题，在考虑材料非线性、边界非线性、温度非 摩擦力的作用，使轧件头部与轧辊接触部分沿纵 线性的情况下，采用简单的几何模型是取得研究 向延伸量较大，形成螺旋形凹陷，轧辊向下的拉 进展的一个手段.为了研究半固态在轧制中的变 力作用使轧件剩余部分发生收缩变细，由此也进 化情况，采用了平辊和闭口孔型两种轧制方式. 一步表明，半固态材料具有低的流变应力和良好 在平辊中轧制，将半固态浆料简化成圆棒（图1）. 的流动性 而在孔型中轧制，在孔型和侧封工具的限制下， (a) 增量/步350 450 550 半固态浆料流动性较好，将在型孔上方形成小的 时间/s2.1542.769 3.385 熔池，因此可将半固态浆料简化成长方体（图2）， 考患到轧制的对称性，在平辊轧制中，取1/4轧件 和单个轧辊进行分析，在闭口孔型中轧制，取轧 件和双辊的一半进行分析. 有限元模拟的计算条件为：(1)轧辊直径d= 240mm,轧辊转速n=3.5rs,轧辊表面温度0=100 ℃：(2)半固态浆料初始温度a,=1400℃，浆料密度 p=7.2gcm',固相率0.8：(3)轧件与轧辊的传热系 (b) 增量/步350450 550 数，=40kW(mK),轧件与环境的传热系数= 时间s2.1542.769 3.385 0.3kW/(mK),摩擦因数μ=0.7. 图3轧件在平辊中变形过程，(a)z方向视图，)x方向 视图 图1半固态在平辊中轧制 Fig.3 Deformations of the rolling metal during flat rolling. Fig.1 Semi-solid rolling in flat rolls (a)In the z-direction,and (b)in the x-direction 2.2等效应力应变场分析 左 由于半固态材料具有低的流变应力和良好 轧辊 轧辊 的流动性，可以进行大变形量轧制，但同时易造 成横截面上应力分布不均匀.从图4、图5中可以 轧件 看到，变形区横截面上应力分布不均匀，在同一 截面上从心部到侧边部递减；而且变形区表面应 图2半固态在闭口孔型中轧制 力梯度纵向变化不一致. Fig.2 Semi-solid rolling in groove rolls 等效应力分布的不均匀造成了等效应变分 布的不均匀（如图4，图5所示）.等效应力、应变 2半固态平辊轧制有限元模拟 分布的不均匀，将影响轧件的组织分布.本模拟 所用固相率是0.8，属于高固相率.把高固相率的 2.1变形特征 半固态浆料形象地看作“吸满水的无弹性海绵”， 采用刚一粘塑性模型，成功地反映了半固态 固相颗粒相互结合形成骨架，液相充斥其间.在

一 北 京 科 技 大 学 学 报 年 第 期 模拟 试 样 ， 将试 样 加 热 到 半 固态 温 度 区 ， 在 不 同 温度 不 同变 形速 率 下 进行 单 道 次压 缩 变 形 ， 获得 应 力应 变 关 系 曲线 ， 建 立 材 料 数据 库 半 固态 轧 制 的有 限 元 分 析 是 一 个 高度 非 线 性 问题 ， 在考 虑 材料 非线 性 、 边 界 非 线性 、 温度 非 线性 的情况 下 ， 采用 简单 的几 何模 型 是 取 得研 究 进 展 的一 个 手 段 为 了研 究 半 固态 在 轧制 中 的变 化 情 况 ， 采 用 了平 辊 和 闭 口 孔 型 两 种 轧 制 方 式 在 平 辊 中轧制 ， 将 半 固态浆料 简化成 圆棒 图 而 在孔 型 中轧制 ， 在 孔 型 和 侧 封 工 具 的 限制 下 ， 半 固态浆料流 动 性较 好 ， 将在 型孔 上方 形 成 小 的 熔 池 ， 因此 可 将 半 固态浆料简化成 长 方 体 图 考 虑 到 轧制 的对 称 性 ， 在 平 辊 轧制 中 ， 取 轧件 和 单 个 轧辊进 行 分 析 ， 在 闭 口 孔 型 中轧制 ， 取 轧 件 和 双 辊 的一 半进 行 分 析 有 限元 模拟 的计 算 条 件 为 轧 辊 直 径 们比 ， 轧辊 转速 ， 轧辊 表 面温 度 ℃ 半 固态浆料初 始温度 ℃ ， 浆料密 度 留 ， 固相 率 轧件 与 轧 辊 的传 热 系 数又 ， 找 ， 轧件 与 环 境 的传 热 系 数兄 耐 ， 摩 擦 因数产 材料 的低 流 变 应 力及 较 好流 动 性 的特 征 ， 顺 利地 在 大 变 形 的状 况 下 完 成 了模拟 ， 发现其具 有独特 的变 形特 征 从 图 中可 以看 到 ， 由于 平 辊 对 轧 件 侧 边 无 约 束 ， 横 向展 宽量 较大 ， 同时 由于 轧 辊 摩 擦 力 的作用 ， 使 轧件 头 部 与 轧 辊接触 部 分沿 纵 向延 伸 量 较 大 ， 形 成 螺 旋 形 凹 陷 ， 轧 辊 向下 的拉 力 作 用 使 轧件 剩 余 部分 发 生 收缩变 细 ， 由此 也 进 一 步表 明 ， 半 固态 材料 具 有低 的流变应 力和 良好 的流 动 性 、卜﹃巧 ，兮饰衬肛了 尸 增量 步 曰翩燃姗嫩蒯催翻渊驯绷叼心旧 时 间 ，丫甲份 尸 口 一 一 口以 增 量 步 时 间 户 愁 沐 丈丫 、 认捆 之、 一之 二 、 ‘决、 共介了厂 篡 图 半 固 态 在 平辊 中轧 制 图 轧 件 在 平 辊 中变形 过 程 ， 方 向视 图 ， 助 方 向 视 图 · 住 山 址 ， 伪 吮 廿 口沙咨 甘 国 亘 洲仲 甘 ‘ 右 轧左辊 轧辊 竹， 作尸节 卜 苦 卜 愈· ，甲 轧件 盯」 日旧 圈 半 固 态 在 闭 口 孔 型 中轧 制 二 山 半 固 态 平 辊 轧 制有 限 元 模 拟 变形 特征 采 用 刚 一 粘 塑 性 模 型 ， 成 功 地 反 映 了 半 固态 等 效 应 力应 变场 分 析 由 于 半 固 态 材 料 具 有 低 的流 变 应 力 和 良好 的流 动 性 ， 可 以进 行 大变 形 量 轧 制 ， 但 同 时 易造 成 横截 面 上 应 力 分 布 不 均匀 从 图 、 图 中可 以 看 到 ， 变 形 区 横 截 面 上 应 力 分 布 不 均 匀 ， 在 同一 截 面 上 从 心 部 到侧 边 部 递 减 而 且 变形 区表 面应 力 梯 度 纵 向变 化 不 一 致 等 效 应 力 分 布 的不 均 匀 造 成 了等 效 应 变 分 布 的不 均 匀 如 图 ， 图 所 示 等 效应 力 、 应 变 分 布 的不 均 匀 ， 将影 响轧件 的组 织 分 布 本模拟 所 用 固相 率是 ， 属 于 高 固相 率 把 高 固相 率 的 半 固态 浆料 形 象地 看 作 “ 吸满水 的无 弹 性 海 绵 ” ， 固相 颗 粒 相 互 结 合 形 成 骨 架 ， 掖相 充 斥 其 间 在

VoL.25 No.4 董洪波等：辊型对半固态变形影响的三维有限元分析 ·351· (a等效应力MPa b)等效应变 增量/步0 50 00 150 200 938.07 2 90.9484 8-34.05 8-0.8497 7-30.02 7-0.7511 3 6-26.00 6-0.6524 521.98 5-0.5538 4-17.96 40.4551 3-13.94 30.3565 2-9.915 20.2578 1 1-5.893 0 10.1592 挂 00.6050 EEEEI EEEEEEEEEN 01.871 1 0 图6轧件在孔型中变形过程 图4在平辊中轧制时轧件表面的等效应力应变场（增 Fig.6 Deformations of rolling metal during groove rolling 量350步，2.154).(a)等效应力场，(b)等效应变场 网格横向变形受到孔型侧壁的限制，网格变得致 Fig.4 Distributions of equivalent stress and strain on the 密并沿轧向伸长.但由于两轧辊与轧件接触时的 surface during flat rolling.(a)Equivalent stress field,and 线速度不同，造成了轧件弯曲变形 (b)equivalent strain field 3.2等效应力应变场分析 半固态在孔型中轧制时变形区横截面的应 力、应变场分布非常均匀.图7显示了轧件表面 等效应力、应变变化情况，从图8可以看到，在轧 制过程中，轧件中部截面上不同部位的等效应 力、应变的变化情况.截面上取中心和两侧边三 个节点，在稳定轧制过程中，各节点应力、应变基 本相同.因为轧件受到压应力时，孔型限制了液 相向侧边流动，所以组织也会相对均匀， (a) (b) (a)等效应力，MPa b)等效应变 947.30 90.6981「 0 等效应力MPa0-6.958, 等效应变MPa00.1514, 842.05 80.6215 18.793.2-10.63, 1-0.1999,2-0.2485, 7-36.79 270.5450 3-12.46.4-14.30, 30.2970.4-0.3456, 6-31.54 460.4684 5-16.13,6-17.97, 50.3942.60.4427, 5-26.29 50.3918 7-19.80,8-21.64, 7-0.4913,8-0.5398. 4-21.04 40.3125 9-23.47 90.5884 3-15.78 30.2386 图5在平辊中轧制时轧件横藏面上等效应力应变场 2-10.53 20.1621 (增量350步，2.154).(a)等效应力场，(b)等效应变场 1—5.277 10.0855 Fig.5 Distributions of equivalent stress and strain on the 00.024 0 00.0089 9 cross section during flat rolling.(a)Equivalent stress field, 图7在孔型中轧制时轧件表面的等效应力应变场（增 and (b)equivalent strain field 量150步，0.75s.(a)等效应力场，(b)等效应变场 受到挤压时，液相将优先向应力小的部位流动， Fig.7 Distributions of equivalent stress and strain on the 固相颗粒被压扁拉长，使得轧件边部液相多，固 surface during groove rolling.(a)Equivalent stress field, 相少，固液相分布不均匀，进而造成组织性能的 and (b)equivalent strain field 不均匀 4 有限元模拟结果与分析 3半固态孔型轧制的有限元模拟 孔型轧制组织与平辊轧制组织比较可以发 3.1变形特征 现，沿轧件宽度方向上，孔型轧制的轧件内部组 由于孔型侧边的限制，使轧件保持了良好的 织的固一液两相的分布比平辊轧制时的要均匀 形状，网格畸变较小（图6）.在受到双辊挤压时， 些，尤其体现在轧件的边部位置处，如图9所示

董洪波等 辊 型对 半 固态变形 影 响的三 维有 限元分析 二卜巴口︸日口﹃口︸ 等效应力八刃 伪 等 效应 变 增量 步 ‘如卜﹂匕工口﹄吐坏廿又卜迁阵陌出团叫刀妇 一 一 一 吞一 一 一 一 一 一 一 一刁 一 一 吞一 一一一刁 一习 一 一 一 丫 阅 图 在平辊 中轧制 时轧件表 面 的等效应 力应 变场 增 步 ， · 等效 应 力场 ， 等效应 变场 地 · ， 叫 洲 狱 洲 … 图 车件 在 孔型 中变形 过程 馆 拍班 珑 网格横 向变形 受 到孔 型侧 壁 的限制 ， 网格变得致 密 并沿 轧 向伸 长 但 由于 两 轧辊 与 轧 件接触 时 的 线速 度 不 同 ， 造成 了轧件 弯 曲变形 等效 应 力应 变场 分 析 半 固态 在 孔 型 中轧 制 时 变 形 区 横 截 面 的应 力 、 应 变 场分布 非 常均匀 图 显 示 了轧件表 面 等 效应 力 、 应变变化 情 况 ， 从 图 可 以看 到 ， 在轧 制 过 程 中 ， 轧 件 中部 截 面 上 不 同部 位 的等 效 应 力 、 应 变 的变 化 情 况 截 面 上 取 中心 和 两侧 边 三 个节 点 ， 在 稳 定轧制过程 中 ， 各节 点应 力 、 应 变基 本 相 同 因 为轧件 受 到压 应 力 时 ， 孔 型 限制 了液 相 向侧 边 流 动 ，所 以组 织 也 会 相 对 均 匀 等效应 力 ， 伪 等效应 变 ︷一皿 等 效应 力 一石 ， 等 效应变介以 。 一。 ， 一 ， 一 ， 一习 ， 一 ， 一 ， 一 ， 一刁 ， 一 ， 一 ， 一 ， 一刁 ， 一 ， 一 ， 一 ， 一 ， 一 ， 一 一刁 图 在 平辊 中轧制 时轧件横截面 上等效应 力应 变场 增 步 ， 等效应 力场 ， 等效应变场 落 卜 恤 二伙廿。 血 山 记 ， 一 祖 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一刁 几… 二二工二二卜一 卜二经 曝 娇尸八 一 「「 一 二 二， 气 尸 丁，」卜丫气 － 一－仁 一刁 习 一刁 一 一 一习 一 月 习 一刃 一刁 受 到挤 压 时 ， 液相将优 先 向应 力 小 的部位 流 动 ， 固相 颗 粒 被压 扁 拉长 ， 使 得 轧 件 边 部 液 相 多 ， 固 相 少 ， 固液 相 分布 不 均 匀 ， 进 而造 成 组 织 性 能 的 不均匀 图 ， 在 孔 型 中轧 制 时轧件 表面 的等效应 力应 变场 增 皿 步 ， 等效应 力场 ， 等效应 变场 巾 作 恤 拍 ， ， 何 血 半 固 态 孔 型 轧制 的有 限 元 模 拟 变形特 征 由于 孔 型侧 边 的 限制 ， 使 轧件保 持 了 良好 的 形 状 ， 网格 畸变较小 图 在受 到双 辊挤 压 时 ， 有 限 元 模拟 结 果 与分 析 孔 型 轧 制 组 织 与 平 辊 轧 制 组 织 比较 可 以发 现 ， 沿 轧件 宽度 方 向上 ， 孔 型 轧 制 的轧件 内部 组 织 的 固 一 液 两 相 的分 布 比平 辊 轧 制 时 的 要 均 匀 些 ， 尤其 体现在 轧件 的边 部位 置 处 ， 如 图 所 示

352· 北京科技大学学报 2003年第4期 --134 0.6 (a) (b) H ●3212 30 -★6290 0.4 0.2 -■-134 -◆3212 -▲6290 时d 0 *ea春维0 0 100 200 300 0 100 200 300 增量/步 增量/步 图8在孔型中轧制时的等效应力、应变变化情况.横截面上不同节点的等效应力(a)和等效应变(b) Fig.8 Numerical values of equivalent stress and strain during groove rolling.(a)Equivalent stress and(b)equivalent strain of different nodes on the cross section 200m 图9(a)平辊轧制与)孔型轧制时边部的组织比较 Fig.9 Metallographic structures at the edge of the workpiece during flat rolling (a)and groove rolling(b) 通过对比可以看到，孔型轧制时，由于有了侧壁 耦合问题，反映了半固态材料低流变应力和良好 制约，使液相在宽度方向上的流动受到了限制， 流动性的特征. 因而沿轧件宽度方向上的组织均匀性得到了提 (2)半固态材料在平辊中轧制，变形区横截 高， 面各部位应力、应变场分布很不均匀，各部位变 形不均匀，组织也不均匀， 5结论 (3)半固态材料在闭口孔型中轧制，应力、应 (1)采用多孔材料的几何模型和刚-粘塑性 变场分布均匀，因此为了获得良好的组织性能， 有限元模型，能够正确描述半固态轧制的热一力 半固态材料适合在孔型中轧制

北 京 科 技 大 学 学 报 年 第 期 一一 一 一盛尸 州 俐侧娜汁 侧外只戴、白乏 一 一 一卜 习卜 橱甸 卜“ 一“ “ 增量 步 增量 步 图 在 孔 型 中轧制 时的等效应 力 、 应 变变化情况 横截面 上 不 同 节点的 等效应 力 和 等效应 变 时 】 引 代 功 图 ， 平 辊 轧制 与 孔 型 轧 制 时边部 的组织 比较 通 过对 比可 以看 到 ， 孔 型 轧制 时 ， 由于 有 了侧 壁 制 约 ， 使液相 在 宽度 方 向上 的流 动 受 到 了 限制 ， 因而 沿 轧 件 宽度 方 向上 的组 织 均 匀 性 得 到 了提 高 结 论 采 用 多 孔 材 料 的几 何 模 型 和 刚 一 粘塑 性 有 限元模型 ， 能够 正确 描 述 半 固态 轧 制 的热 一 力 祸合 问题 ， 反 映 了半 固态材料 低 流 变应 力和 良好 流 动 性 的特 征 半 固态 材 料 在 平 辊 中轧制 ， 变 形 区 横截 面 各 部位 应 力 、 应 变 场 分 布 很 不 均 匀 ， 各 部位 变 形 不 均 匀 ， 组 织 也 不 均 匀 半 固态材料在 闭 口 孔 型 中轧制 ， 应 力 、 应 变 场 分 布 均 匀 ， 因此 为 了获得 良好 的组 织 性 能 ， 半 固态 材料 适 合 在 孔 型 中轧制

Vol.25 No.4 董洪波等：辊型对半固态变形影响的三维有限元分析 ·353· 参考文献 度对金属半固态成形变形力的影响[A小.罗守靖，谢 】宋仁伯，康永林，孙建林，等。半固态钢铁材料流变 水生.第一届半固态金属加工技术研讨会论文集 轧制的试验).北京科技大学学报，2001,23(5)：439 [C].北京：中国机械工程学会锻压分会半囿态加工 2罗守靖，田文形.半固态金属塑性加工力学的研究 学术委员会，中国有色金属学会合金加工学术委员 进展[A】.罗守靖，谢水生.第一届半固态金属加工 会，2000.57 技术研讨会论文集[C].北京：中国机械工程学会锻 5 Geindreau C,Auriault J L.Investigation of the viscoplas- 压分会半固态加工学术委员会，中国有色金属学会 tic behavior of alloys in the semi-solid state by homogeni- 合金加工学术委员会，2000 zation [J].Mech Mater,1999,31:535 3 Lalli Lawrence A.A model for deformation and segrega- 6谢水生，沈健，张学军.数值模拟在半固态金属加工 tion of solid-liquid mixtures [J].Metall Trans,1985,16A 中的应用[刀.塑性工程学报，2000,7(1)：6 (8):1393 7 Perez M,Barbe JC,Neda Z.Computer simulation of the 4罗守靖，祖丽君.应变速率、液体体积分数和液体粘 microstructure and rheology of semi-solid alloys under shear [J).Acta Mater,2000,48:3773 Finite-Element Analysis on the Rolling Process of Semi-solid Steel in Different Roll Shapes DONG Hongbo",CHEN Guijiang",GAO Yuanjun',KANG Yonglin" 1)Materials Science and Engineering School,University of Science and Technology Beijing.Beijing 100083,China 2)Guangzhou Zhujiang Iron and Steel Co Ltd,Guangzhou 510730,China 3)Jinan Iron and Steel Group Co,Jinan 250101,China ABSTRACT With a geometrical model of porous materials,3D finite-element analysis on the rolling process of 60Si2Mn in the semi-solid state was carried out using the software MARC.In terms of flat and groove rolling con- ditions,the stress field and strain field were studied.During groove rolling,the distributions of stress and strain on the cross-section of the deformation zone is more uniform than those during flat rolling.Simulation results are good agreement with experiment data,and show that semi-solid material is suitble for groove rolling. KEY WORDS finite-element analysis;stress field;strain field;semi-solid;rheorolling

叭， 董洪 波 等 辊 型对半 固态 变 形 影 响 的三 维有 限元 分 析 绍 参 考 文 献 宋仁伯 ， 康永林 ， 孙建林 ， 等 半 固态 钢铁材料流 变 轧制 的试 验 北 京 科 技大 学 学报 ， ， 罗 守靖 ， 田 文彤 半 固态金属塑 性加工 力学的研 究 进展 罗 守靖 ， 谢水 生 第 一 届 半 固态 金属 加 工 技术研 讨 会 论文集 北京 中国机械工 程 学会 锻 压 分会半 固态 加 工 学术委 员会 ， 中国有色金 属 学会 合金 加工 学术委 员会 ， 加 叭度 ” 一 】】 ， ， 罗 守靖 ，祖 丽君 应 变速率 、 液体体积 分 数和 液体粘 度 对金属 半 固态成 形 变 形 力 的影 响脉 罗 守靖 ， 谢 水 生 第 一 届 半 固态金 属 加 工 技术研 讨会 论 文 集 北 京 中国机械工 程 学会锻压 分会 半 固态加 工 学术委 员会 ， 中 国有 色金 属 学会 合 金 加工 学术委 员 会 ， ， 一 乙 ， 谢 水生 ， 沈健 ， 张学 军 数值模拟在半 固态金 属加工 中的应 用 塑 性 工 程 学 报 ， ， ， ， 而 一 刀 ‘ ， 一 一 ， 万 犷 ，， ’ 刀， 喇 ” 比面 ， ， ， 朋 加 吮 ， 山 ， 以咖 忱 ， ， 加 八 ， · 一 币 ， 、 面 ， 一 班 刀 面 ， 翻 一 一 加 一