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第11期 潘红波等：平面应变过程中摩擦对金属流变规律的影响 ,1267 被广泛用来模拟块体材料的热轧以及温轧过程，测 试样长度为120mm,厚度50mm,宽度60mm,试样 量热轧板带钢的流变应力，研究变形过程中金属的 从初始厚度的50mm压缩到10mm,试样为MARC 流变规律以及组织、性能的变化，也是建立材料本构 材料库中的C45即45#钢，实验温度为1000℃.在 方程的主要物理模拟方法[]. 分析过程中采用不同的摩擦因数，以研究摩擦的影 真正的平面应变要求很苛刻，对试样尺寸、模具 响.物理模拟在自制的大试样平面应变热模拟试验 尺寸、对称性、摩擦都有严格的要求，因此在实验室 机上进行，主体设备结构图如图2所示，为四柱式万 是很难实现的]，要想严格实现平面应变过程， 能液压机，由液压活塞带动活动横梁与上模一起运 试样的总变形量将很小，无法与现场的板带轧制变 动，实现工件的变形过程，由于在模拟过程中主要 形相比，但是，我们根据实验的需要，可以将某些条 是考虑摩擦不均对金属流动的影响，因此对试样尺 件简化或者对随后分析不重要的参数忽略，大大地 寸没有严格要求，试样长度为80mm,试样厚度与 增大试样的总变形量，提高试样尺寸，甚至可以达到 宽度均为60mm,试样由初始的60mm压缩到 板带钢轧制所需试样尺寸·虽然近年来广泛应用平 5mm.试样为工业纯铝，实验温度为室温. 面应变技术来研究材料的有关知识[]，但是对平 面应变技术本身的知识研究较少，本文主要研究摩 擦对金属变形过程中的材料变形抗力以及流变 液压缸 规律 立柱 1实验方案 试样 采用数值模拟与物理模拟相结合的方法研究摩 擦的影响，为了与物理模拟条件接近，在数值模拟 下模 过程中试样参数及模子尺寸与自制大试样平面应变 热模拟试验机的尺寸一致；模具宽30mm,长 150mm·为了详细分析摩擦的影响，在模拟过程中 采用二维与三维热力耦合的方式，模拟软件采用美 国MSC公司的MARC/Superform软件.试样变形 图2平面应变模拟试验机结构示意图 的二维有限元模型如图1所示.在二维模拟过程 Fig.2 Schematic diagram of a plane strain simulator 中，试样尺寸为60mm×40mm,试样从原始厚度的 40mm,压缩到10mm.在三维有限元模拟过程中， 2实验结果分析 2.1摩擦对载荷力的影响 采用MARC软件对三种不同的摩擦因数μ下 材料变形抗力的大小进行了模拟分析，不同摩擦条 件下所受的载荷力如图3所示，在开始阶段，由于 温度较高，三种摩擦条件下所受的力几乎相同：随着 变形的增加，加工硬化作用使变形抗力不断增加；当 变形抗力达到峰值应力时，载荷力有减小的趋势，这 是由于在变形过程中材料发生了动态再结晶，使变 形过程中的再结晶软化作用大于加工硬化作用，在 载荷力示意图上呈现下降趋势.随着变形的继续进 行，载荷力不断上升，而且随着摩擦因数的增加载荷 力上升比较明显，这是因为变形过程中温度下降比 较快，致使变形抗力不断增加；另外，在此阶段，变形 已经渗透到材料的中心部位，接触面的摩擦将对金 图1试件的有限元模型 属流动起着强烈的阻碍作用，致使载荷力随着摩擦 Fig.1 FEM model of a specimen 因数的增加而增大，被广泛用来模拟块体材料的热轧以及温轧过程测 量热轧板带钢的流变应力研究变形过程中金属的 流变规律以及组织、性能的变化也是建立材料本构 方程的主要物理模拟方法［1—3］． 真正的平面应变要求很苛刻对试样尺寸、模具 尺寸、对称性、摩擦都有严格的要求因此在实验室 是很难实现的［4—5］．要想严格实现平面应变过程 试样的总变形量将很小无法与现场的板带轧制变 形相比．但是我们根据实验的需要可以将某些条 件简化或者对随后分析不重要的参数忽略大大地 增大试样的总变形量提高试样尺寸甚至可以达到 板带钢轧制所需试样尺寸．虽然近年来广泛应用平 面应变技术来研究材料的有关知识［6—8］但是对平 面应变技术本身的知识研究较少本文主要研究摩 擦对金属变形过程中的材料变形抗力以及流变 规律． 图1 试件的有限元模型 Fig．1 FEM model of a specimen 1 实验方案 采用数值模拟与物理模拟相结合的方法研究摩 擦的影响．为了与物理模拟条件接近在数值模拟 过程中试样参数及模子尺寸与自制大试样平面应变 热模 拟 试 验 机 的 尺 寸 一 致；模 具 宽 30mm长 150mm．为了详细分析摩擦的影响在模拟过程中 采用二维与三维热力耦合的方式．模拟软件采用美 国 MSC 公司的 MARC／Superform 软件．试样变形 的二维有限元模型如图1所示．在二维模拟过程 中试样尺寸为60mm×40mm试样从原始厚度的 40mm压缩到10mm．在三维有限元模拟过程中 试样长度为120mm厚度50mm宽度60mm试样 从初始厚度的50mm 压缩到10mm．试样为 MARC 材料库中的 C45即45＃钢实验温度为1000℃．在 分析过程中采用不同的摩擦因数以研究摩擦的影 响．物理模拟在自制的大试样平面应变热模拟试验 机上进行主体设备结构图如图2所示为四柱式万 能液压机由液压活塞带动活动横梁与上模一起运 动实现工件的变形过程．由于在模拟过程中主要 是考虑摩擦不均对金属流动的影响因此对试样尺 寸没有严格要求．试样长度为80mm试样厚度与 宽度均为 60mm试样由初始的 60mm 压缩到 5mm．试样为工业纯铝实验温度为室温． 图2 平面应变模拟试验机结构示意图 Fig．2 Schematic diagram of a plane strain simulator 2 实验结果分析 2∙1 摩擦对载荷力的影响 采用 MARC 软件对三种不同的摩擦因数 μ下 材料变形抗力的大小进行了模拟分析．不同摩擦条 件下所受的载荷力如图3所示．在开始阶段由于 温度较高三种摩擦条件下所受的力几乎相同；随着 变形的增加加工硬化作用使变形抗力不断增加；当 变形抗力达到峰值应力时载荷力有减小的趋势这 是由于在变形过程中材料发生了动态再结晶使变 形过程中的再结晶软化作用大于加工硬化作用在 载荷力示意图上呈现下降趋势．随着变形的继续进 行载荷力不断上升而且随着摩擦因数的增加载荷 力上升比较明显．这是因为变形过程中温度下降比 较快致使变形抗力不断增加；另外在此阶段变形 已经渗透到材料的中心部位接触面的摩擦将对金 属流动起着强烈的阻碍作用致使载荷力随着摩擦 因数的增加而增大． 第11期 潘红波等： 平面应变过程中摩擦对金属流变规律的影响 ·1267·