第11期 张宁等：楔横轧成形GH4169合金的热力耦合数值模拟 ·1397· 综合的变形条件切.对金属变形行为的研究最终体 GH4169合金的弹性模量E=202.7GPa,密度 现在对金属流动规律的描述上，本构方程是表达这 p=8.24×103kgm-3,泊松比v=0.37 种关系的具体形式，它反映了流动应力和应变速率、 1.1.245#钢的流动应力-应变曲线 温度、应变和材料初始条件之间的变化关系.因此， Deform-3D软件带有材料库，提供了各种常用 准确确定材料的本构关系对于研究金属的变形至关 材料的流动应力-应变曲线，其中AISI1045相当于 重要. 中国牌号45#钢.45#钢的弹性模量E=210GPa,密 热变形中，对于给定的材料，材料的初始条件是 度p=7.82×103kgm3,泊松比v=0.3回 不变的，那么流动应力是应变、应变速率和温度等热 1.2有限元几何模型及边界条件的建立 变形参数的函数习 采用三维设计软件Po/E建立楔横轧成形的几 1.1.1GH4169合金的本构方程 何模型，如图1所示.该模型由带有模具的轧辊、轧 GH4169合金在变形过程中对变形温度和应变 件和导板组成.考虑到模型的对称性，为节约计算 速率都很敏感，且楔横轧的轧制过程属于大变形问 时间，只取模型的一半进行计算，同时对轧件施加对 题，因此本文采用了Kumar模型描述其本构关系a: 称面约束 a=Amh(ao]rep(-是) (1) 式中，A、a和n为材料常数或应变的函数，Q为变形 激活能，R为气体常数(R=8.314Jmol-1·K-1),σ 为流动应力，ε为应变速率，T为变形温度 对称面 将棒材GH4169合金加工成b8mm×15mm的 轧件导板 圆柱试样，在Gleeblel1500试验机上进行热模拟压 缩实验，变形温度分别为9501000、1050和1100℃，应 变速率分别为0.1、1和20s1,得到材料的真应力 图1楔横轧模型 应变曲线，通过对其线性回归得到GH4169合金的 Fig.1 Cross wedge rolling model 本构方程： 楔横轧轧制成形模拟的主要工艺参数如表1所 E=7.2333×105sinh(0.0012×)]6s1. 示，轧辊与轧件之间的摩擦采用剪切摩擦模型，同时 313620 exp (2) 忽略导板与轧件之间的摩擦. 8.314×T 表1主要工艺参数 Table 1 Main technological parameters 轧件直 断面收缩 展宽长度/ 轧件初始 轧辊转速/ 轧辊初始 轧辊直径/ 成形角1()展宽角/() 径/mm 率/% mm 温度/℃ (rmin-1) 温度/℃ mm 40 60.9 80 1050 8 630 本文建立的是热力耦合模型，因此充分考虑了 元软件Deform-3D后处理中跟踪点的位移来描述. 热传导、对流换热、热辐射、塑性功及摩擦生热等因 本文通过对比分析两种材料轧件轧后的轴向位移， 素的影响，GH4169合金和45#钢间的主要换热 得出楔横轧成形高温合金过程中金属的流动特点和 系数如表2所示 规律 表2换热系数 跟踪点的选取如图2(a)所示，对轧件截取了距 Table 2 Main heat transfer coefficients 接触热传导系数/ 对流换热系数/热功转换 轴向对称中心不同位置(0、3、8、15、25mm)的五个 材料 (Wm2.k1) (Wm2K-1) 系数 截面(I、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ和V),同时在每个截面上选取 GH4169 2.5×10 200 0.9 21个跟踪点，从心部到表面沿半径方向均匀分布. 45#钢 2.9×10 200 0.9 图2(b)和图2(c)分别是GH4169合金和45#钢轧 件轧后各跟踪点的分布情况.从图中可明显的看 2 轴向金属流动特点 出，两种材料的轧件在楔横轧成形后各跟踪点轴向 在轧制过程中轧件的金属流动规律可通过有限 和周向的分布情况是不同的第 11 期 张 宁等: 楔横轧成形 GH4169 合金的热力耦合数值模拟 综合的变形条件［7］． 对金属变形行为的研究最终体 现在对金属流动规律的描述上，本构方程是表达这 种关系的具体形式，它反映了流动应力和应变速率、 温度、应变和材料初始条件之间的变化关系． 因此， 准确确定材料的本构关系对于研究金属的变形至关 重要． 热变形中，对于给定的材料，材料的初始条件是 不变的，那么流动应力是应变、应变速率和温度等热 变形参数的函数［8--9］． 1. 1. 1 GH4169 合金的本构方程 GH4169 合金在变形过程中对变形温度和应变 速率都很敏感，且楔横轧的轧制过程属于大变形问 题，因此本文采用了 Kumar 模型描述其本构关系［10］: ε · = A［sinh( aσ) ］n ( exp － Q ) RT ( 1) 式中，A、a 和 n 为材料常数或应变的函数，Q 为变形 激活能，R 为气体常数( R = 8. 314 J·mol － 1 ·K － 1 ) ，σ 为流动应力，ε · 为应变速率，T 为变形温度． 将棒材 GH4169 合金加工成 8 mm × 15 mm 的 圆柱试样，在 Gleeblel 1500 试验机上进行热模拟压 缩实验，变形温度分别为950、1000、1050 和1100 ℃，应 变速率分别为 0. 1、1 和 20 s － 1 ，得到材料的真应力 应变曲线，通过对其线性回归得到 GH4169 合金的 本构方程: ε · = 7. 233 3 × 1015 ［sinh ( 0. 001 2 × σ) ］6. 755 1 · ( exp － 313 620 8. 314 × ) T ( 2) GH4169 合金的弹性模量 E = 202. 7 GPa，密度 ρ = 8. 24 × 103 kg·m － 3 ，泊松比 ν = 0. 37 ［11］． 1. 1. 2 45#钢的流动应力--应变曲线 Deform--3D 软件带有材料库，提供了各种常用 材料的流动应力--应变曲线，其中 AISI--1045 相当于 中国牌号 45#钢． 45#钢的弹性模量 E = 210 GPa，密 度 ρ = 7. 82 × 103 kg·m － 3 ，泊松比 ν = 0. 3 ［12］． 1. 2 有限元几何模型及边界条件的建立 采用三维设计软件 Pro /E 建立楔横轧成形的几 何模型，如图 1 所示． 该模型由带有模具的轧辊、轧 件和导板组成． 考虑到模型的对称性，为节约计算 时间，只取模型的一半进行计算，同时对轧件施加对 称面约束． 图 1 楔横轧模型 Fig． 1 Cross wedge rolling model 楔横轧轧制成形模拟的主要工艺参数如表 1 所 示，轧辊与轧件之间的摩擦采用剪切摩擦模型，同时 忽略导板与轧件之间的摩擦． 表 1 主要工艺参数 Table 1 Main technological parameters 成形角/( °) 展宽角/( °) 轧件直 径/mm 断面收缩 率/% 展宽长度/ mm 轧件初始 温度/℃ 轧辊转速/ ( r·min － 1 ) 轧辊初始 温度/℃ 轧辊直径/ mm 25 7 40 60. 9 80 1 050 8 20 630 本文建立的是热力耦合模型，因此充分考虑了 热传导、对流换热、热辐射、塑性功及摩擦生热等因 素的影响，GH4169 合金［11］和 45#钢［13］的主要换热 系数如表 2 所示． 表 2 换热系数 Table 2 Main heat transfer coefficients 材料 接触热传导系数/ ( W·m － 2 ·K － 1 ) 对流换热系数/ ( W·m － 2 ·K － 1 ) 热功转换 系数 GH4169 2. 5 × 104 200 0. 9 45#钢 2. 9 × 104 200 0. 9 2 轴向金属流动特点 在轧制过程中轧件的金属流动规律可通过有限 元软件 Deform--3D 后处理中跟踪点的位移来描述． 本文通过对比分析两种材料轧件轧后的轴向位移， 得出楔横轧成形高温合金过程中金属的流动特点和 规律． 跟踪点的选取如图 2( a) 所示，对轧件截取了距 轴向对称中心不同位置( 0、3、8、15、25 mm) 的五个 截面( Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ和Ⅴ) ，同时在每个截面上选取 21 个跟踪点，从心部到表面沿半径方向均匀分布． 图 2( b) 和图 2( c) 分别是 GH4169 合金和 45#钢轧 件轧后各跟踪点的分布情况． 从图中可明显的看 出，两种材料的轧件在楔横轧成形后各跟踪点轴向 和周向的分布情况是不同的． ·1397·