摩擦作用對鋁合金熱變形的影響研究

卜春陽，袁戰偉，李 晶，何 凱

(1.金堆城鉬業股份有限公司技術中心，陜西 西安 710077)(2.長安大學材料科學與工程學院，陜西 西安 710061)

0 引 言

金屬材料的熱加工是材料加工的重要方式，在成型過程中，變形溫度、加載速率、變形程度等均有顯著的影響[1，2]，合理的變形條件最終決定了材料成型的質量，材料熱加工工藝是材料熱成型的基礎，一直以來也是材料研究熱點[3-6]。此外，在變形過程中，摩擦作用對材料的變形也有著重要的影響，一方面影響變形過程中加載載荷，而另一方面也對成型質量有影響[7-9]。

對于摩擦作用對材料變形的影響，已有不少學者做了研究。李達人等[7]通過數值模擬方法確定了W-40%Cu粉末燒結材料在熱加工數值模擬過程中的摩擦因子。鄧華紅等[8]通過數值模擬研究了葉片精鍛過程中摩擦的作用，發現摩擦對溫度場和載荷形成曲線均有較大影響。馬勇等[9]采用有限元軟件分析了不同摩擦條件對7075鋁合金等通道角擠壓過程的影響，發現隨著摩擦因數增大，載荷峰值明顯增大甚至成倍增長，且載荷值波動加劇，等效應力應變分布不均勻。本文結合Deform 3D有限元軟件，研究了摩擦系數對2024鋁合金的熱模擬壓縮過程的影響。

1 有限元模型

本研究根據實際熱模擬壓縮過程采用Deform 3D有限元軟件建立模型，在模型中分別建立了上砧板、下砧板和試樣幾何模型，其中試樣大小為φ10×15 mm，材料為2 024鋁合金，試樣上的網格采用四面體單元，單元數量為11 200，畫網格后的模型如圖1所示。在加載過程中，上砧向下加載，下砧固定不動，加載位移為9 mm。

圖1 有限元分析模型

在實際熱模擬壓縮試驗過程中，采用石墨片作為潤滑劑置于兩個砧子和試樣之間以減少摩擦作用，然而由于摩擦作用的存在，坯料變形后不可避免出現鼓肚，因此有必要對摩擦的作用進行進一步研究。在本研究中，為了研究摩擦作用對熱變形的影響，將摩擦系數f分別設為0.2、0.3、0.4和0.5，其他設置保持一致。

材料中的損傷用Deform 3D軟件中所帶的Cockcroft-Latham準則損傷參數進行表征，其表達式為[10]：

(1)

(2)

式中σ1，σ2，σ3三主應力。

2 結果與分析

2.1 模擬結果云圖

整個模擬過程91步完成，下面以摩擦系數為0.2的模型結果為例，分別對第30、60和91步的結果進行分析。圖2為模擬后不同壓下量下的等效應力分布云圖，整個變形過程中等效應力分布在66.8～83.0 MPa之間。從圖2(a)可以發現，在第30步時，試樣出現了一定程度的鼓肚，上下端面位置應力較大，心部最小，在試樣鼓肚位置應力均勻分布。圖2(b)中的應力分布和圖2(a)中的分布相似，只是最小和最大應力值有所提高。在圖2(c)中，試樣中的最小等效應力分布在試樣鼓肚位置，與圖2(a)、(b)存在明顯差別，端面處的等效應力有所提高，心部的應力分布相對較高。

圖3為模擬后不同壓下量下的等效應變分布云圖，從圖3(a)可以發現，在第30步時，上下端面位置應變較大，心部最小，在試樣鼓肚位置應力均勻分布。圖3(b)中的應變分布有所增加，其最小和最大應變值均有所提高。在圖3(c)中，試樣中應變分布與圖3(b)相似，應變值進一步增加。

圖2 不同分析步下的等效應力分布云圖(a)第30步；(b)第60步；(c)第91步

圖3 不同分析步下的等效應變分布云圖(a)第30步；(b)第60步；(c)第91步

圖4 不同分析步下的損傷分布云圖(a)第30步；(b)第60步；(c)第91步

圖5 不同摩擦作用下的結果(a)鼓肚；(b)等效應力；(c)等效應變；(d)損傷最大值

圖4為不同壓下量的Cockcroft-Latham損傷結果，對比3個不同壓下量下結果可以發現，在試樣鼓肚及附近位置出現明顯損傷，特別是鼓肚位置的損傷值較大，而坯料上下端未見明顯損傷。隨著壓下量的增加，鼓肚位置的損傷值不斷增加。分析其原因，是由于在鼓肚位置由于沒有約束，處于自由變形狀態，在正的應力三軸度的作用下，此處的損傷將不斷增加。當達到材料的臨界損傷值時，試樣中將出現明顯的裂紋。

2.2 結果分析

通過后處理，將變形過程不同階段下的鼓肚(試樣上下端面直徑平均值d1和中間鼓肚位置的最大直徑d2之間的差值)、等效應力、等效應變及損傷結果進行分析，具體結果如圖5所示。從圖5(a)所示結果可以發現，隨著加載的進行，不同摩擦作用下的鼓肚變化趨勢基本一致，均是先增大后趨于平衡；而不同摩擦系數之間的差異在于，摩擦系數越高，所引起的鼓肚幅值也越大，分析原因，主要是鼓肚位置為徑向自由變形，而由于摩擦作用的存在，使得坯料和砧板結合處材料徑向流動受阻，摩擦作用越大，材料受阻越嚴重，與鼓肚位置材料流動差異也就越大，鼓肚就越明顯。圖5(b)中為試樣中平均值變化，誤差棒表示試樣中的最大值和最小值，可以發現不同摩擦作用下，平均應力的變化不大，而摩擦作用越大，最大值和最小值之間的差異越大，試樣中的應力均勻性相對降低。在圖5(c)中，隨著加載的進行，試樣中的等效應變逐漸增加，等效應變最大值和最小值(誤差棒中的最大值和最小值)的差異也逐漸增大，說明試樣中應變均勻性也逐漸降低，且摩擦系數越大，應變均勻性越差。圖5(d)中給出了基于Cockcroft-Latham準則的損傷最大值結果，隨著變形的進行，試樣中損傷最大值不斷增加，且摩擦的作用影響非常明顯，摩擦系數越大，損傷最大值越大。因此，從以上結果分析，可以發現，由于摩擦作用的存在，對材料變形、等效應力、等效應變及損傷均不同程度有影響，為了使得材料變形均勻及避免損傷，應當減少摩擦作用的影響。

3 結 論

為了分析摩擦作用對材料在熱變形過程中的影響，本文結合Deform 3D有限元軟件對其進行研究，分別設置摩擦系數f為0.2、0.3、0.4和0.5，對變形過程中的變形鼓度、應力、應變及Cockcroft-Latham損傷結果進行分析，發現隨著加載壓下量的增加，不同摩擦系數條件下試樣中的鼓度、應力、應變和損傷值均逐漸升高；而隨著摩擦系數的增加，所引起的鼓肚幅值也越大，應力和應變的最大值和最小值之間的差異越大，應力應變均勻性相對降低，且損傷最大值越大。