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，<(g>= 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