D0I:10.13374/j.issn1001053x.2004.05.020 第26卷第5期 北京科技大学学报 Vol.26 No.5 2004年10月 Journal of University of Science and Technology Beijing 0ct.2004 33Mn2V油井管张力减径过程的 三维热力耦合有限元模拟 王辅忠2)刘国权》张勇钢引 1)北京科技大学材料科学与工程学院，北京1000832)渤海大学物理系，锦州121003 3)无锡西姆莱斯钢管有限公司，无锡214026 摘要利用MARC/AutoForge3.1元件，使用三维弹塑性热力耦合有限元方法模拟采用新型 油井管用钢33M2V热轧制管的双道次张力减径过程，并直观地显示了三维管件材料内部和 表面不同方位的金属流动、应力、应变和温度演化情况.模拟结果表明：不论是工件表面还是 内部，在张力减径过程中金属流动、应变、应力和温度分布都是不均匀的：分析成品管显微组 织时应当考虑这些因素， 关键词无缝钢管：热轧：张力减径：有限元模拟：热力耦合仿真 分类号TG163 随着有限元方法(FEM)的不断改进和计算 生产：实验用样是取自无锡西姆莱斯钢管公司提 机技术的发展，在研究金属材料热轧、锻造等过 供的33Mn2V钢连铸连轧管坯上切取其相同部 程时，数值模拟技术日益成为强有力的工具. 位，加工成若干个尺寸为中8mm×15mm的试样. 生产无缝钢管的张力减径过程是一个重要而复 根据实际生产中的各种工艺参数，在热/力模拟 杂的工序，它不仅受材料的性能、变形温度、轧制 试验仪上进行热镦锻实验，将得到的流变应力曲 速度、变形量、接触摩擦条件和减径率等的影响， 线按MARC/AutoForge.3.1软件的要求格式代入计 还是一个三维热力耦合的非等温过程，研究该过 算机中以备调用.所得流变应力曲线如图〡所 程必须考虑工件和轧辊之间的热传导、工件和周 示.不同温度下的热物理参数，如热导率、比热 围环境之间的热辐射和热对流，以及由于金属变 容、热膨胀系数等，可直接从软件窗口中输入.不 形和摩擦产生的热量等一系列因素，这样复杂的 同温度下的物理参数可通过表1及外推法得到 过程要想找到准确的解析解是非常困难的，在本 得到刀 文中采用三维弹塑性热力耦合有限元方法对其 250 750℃ 进行模拟，以了解毛管在双道次张力减径过程中 200 800℃ 内部发生的一系列变化， 150 850℃ 1 实验材料 100 1100℃ 试样的化学成分（质量分数）为：C,032%;Mn, 50 1.70%;Si,0.29%;S,0.006%,P,0.013%;VN,Ti等适 1180℃ 0 量.由于MARC/AutoForge3..1软件的数据库中没 有33Mn2V钢的流变应力曲线，必须通过实验得 0.2 0.40.6 0.8 1.0 真应变 到.实验用钢33Mn2V由江阴兴澄钢铁有限公司 图1不同温度下的流变应力曲线.应变速度为0.02s 收稿日期2003-11-20王辅忠男，43岁，教授，博士 Fig.1 Flow stress at a strain rate of 0.02/s at different tem- *国家自然科学基金资助项目No.50271009:50334010) peratures第 卷 第 期 年 月 北 京 科 技 大 学 学 报 油井管张 力减径过程 的 三维热力藕合有限元模拟 王 辅 忠 ‘， 刘 国权 ” 北 京科技大 学材料 科学 与工 程 学 院 ， 北 京 无锡 西 姆 莱斯钢管有 限 公 司 张 勇钢 ” 渤 海大 学物 理 系 ， 锦 州 ， 无锡 摘 要 利用 元件 ， 使用 三 维 弹塑 性热力祸合 有 限元方法 模拟 采 用 新型 油 井 管用钢 热 轧制管 的双 道 次张 力减 径过程 ， 并直 观 地显 示 了三 维管件材 料 内部和 表面不 同方 位 的金 属 流 动 、 应 力 、 应 变和 温度 演 化情 况 模拟 结果 表 明 不 论 是 工 件 表 面 还 是 内部 ， 在张 力减 径过 程 中金 属 流 动 、 应 变 、 应 力和 温度 分布 都 是 不 均 匀 的 分 析成 品管 显 微 组 织 时应 当 考虑 这 些 因 素 关键 词 无 缝钢 管 热 轧 张 力减 径 有 限元 模拟 热 力祸 合 仿真 分 类号 ， 以︸叹︸ 八 只侧峪﹄目 随着 有 限元 方法 的不 断 改进 和 计 算 机 技 术 的发 展 ， 在研 究金 属 材料 热 轧 、 锻 造 等 过 程 时 ， 数 值 模拟 技 术 日益 成 为 强有 力 的工 具 ‘喇 生 产 无 缝 钢 管 的张 力 减 径 过 程 是 一 个 重 要 而 复 杂 的工 序 ， 它 不 仅 受材料 的性 能 、 变 形温 度 、 轧制 速度 、 变形 量 、 接触摩擦 条件和减径率等 的影 响 ， 还 是 一 个三 维 热 力祸合 的非等温 过程 研 究 该过 程 必 须考 虑 工 件和 轧辊 之 间 的热传 导 、 工件和 周 围环 境之 间 的热辐 射 和 热对 流 ， 以及 由于金 属变 形 和 摩擦产 生 的热 量 等 一 系列 因素 这 样 复 杂 的 过程 要想 找 到准 确 的解 析 解 是 非常 困难 的 ， 在本 文 中采 用 三 维 弹 塑 性 热 力 祸 合 有 限元 方 法 对 其 进 行模 拟 ， 以了解 毛 管在 双 道 次 张 力减 径 过 程 中 内部 发 生 的一 系 列 变化 生产 实验用 样是取 自无 锡 西姆 莱斯 钢 管公 司提 供 的 钢 连 铸 连 轧 管 坯 上 切 取 其 相 同部 位 ， 加 工 成 若 干 个 尺 寸 为邮 巧 们。 的试 样 根 据 实 际 生 产 中 的各 种 工 艺参 数 ， 在 热 力模 拟 试 验 仪上 进 行热 墩锻 实验 ， 将 得 到 的流 变应 力 曲 线按 软件 的要求格式代 入 计 算机 中 以备 调 用 所 得 流 变 应 力 曲线 如 图 所 示 不 同温 度 下 的 热物理 参 数 ， 如热 导率 、 比 热 容 、 热 膨胀 系数等 ， 可直 接从 软件 窗 口 中输入 不 同温 度 下 的物 理 参 数 可 通 过 表 及 外 推 法 得 到 得 到， ” 一 一 一 ℃ ℃ 实验 材 料 试样 的化 学成 分 质 量 分数 为 ，犯 ， ， ， 只 ， ， 等适 量 由于 人 软件 的数 据 库 中没 有 钢 的流 变应 力 曲线 ， 必 须 通 过 实验 得 到 实验 用 钢 由江 阴兴澄 钢 铁 有 限 公 司 收稿 日期 一 一 王 辅忠 男 ， 岁 ， 教 授 ， 博士 国家 自然科学基 金 资助项 目 ℃ 一，一 一 一一一一一一， 一一 一 一叱一 ， 一 一 ℃ 真应 变 图 不 同 温 度下 的流 变应 力 曲线 应 变速度 为 妞 · DOI ：10．13374／j ．issn1001－053x．2004．05．020