镍基合金圆柱形热模拟试样热变形后鼓形的有限元研究.pdfVIP

镍基合金圆柱形热模拟试样热变形后鼓形的有限元研究 袁向前  张贤锴  时旭 焦四海  （宝山钢铁股份有限公司 研究院（技术中心）， 上海，201900 ）  摘要：通过abaqus 有限元分析软件，对镍基合金圆柱形热模拟试样在加热和保温后的单向压缩变形过程进行了模拟。研究结 果表明，由于镍基合金材料导热系数较小，在快速变形条件下，试样在单向压缩过程中产生的变形热不能充分扩散，从而导 致变形后试样内部局部温度升高。通过与热模拟试样变形后鼓形的实测值进行比较，结果均表明，变形后试样的鼓形随着应 变速率的提高而增大。  关键词：有限元、数值计算、热模拟、镍基合金、鼓形    1、介绍 热模拟实验是钢铁材料研究过程中传统的研究手段之一[1‐6] 。相对于现场大生产实验，热模拟具有节约材料，节省时间和 人力等优点，以快速便捷地获取钢铁材料的热物性参数，对于现场大生产具有指导意义。  圆柱形试样的单向压缩是钢铁材料热模拟实验中较为常见的变形方式[4]，在真空环境下，圆柱形试样两端的端面与压头 接触并被压头固定，控制通过试样的电流产生电阻热或者分布在试样周围的感应线圈对试样进行加热，利用焊在试样侧面中 间部位的热电偶来测量并控制试样被加热的温度。当加热保温过程完成后，分布在试样两端的压头对试样进行一定变形量和 变形速率的变形，然后以一定的冷却方式冷却至室温。在室温下，研究加热和变形工艺参数对试样组织性能的影响。  鼓形[6]是热模拟实验过程中普遍存在的现象。相对于普通的钢铁材料，镍基合金的特点就是导热系数较小。试样在变形 过程中会产生变形热，在变形速率较快的条件下，变形热在较短的时间内不能充分扩散，使试样内部局部温度升高，材料的 变形性能也会随之发生改变，从而对试样变形后的形状产生一定的影响。  为了实现对镍基合金试样变形后试样内部的温度分布和鼓形进行研究，利用abaqus 有限元分析软件，对热模拟条件下， 镍基合金材料试样的加热和单向压缩变形过程进行了模拟分析。计算了试样加热保温后的温度场，以及加热后经不同应变速 率变形后试样的温度场，同时计算了变形后试样的鼓形[6] 。对模拟计算的鼓形与实际的实验结果进行了对比。    2、热模拟实验条件 表1 为镍基合金的成分及部分热物性参数。图 1 为圆柱形热模拟试样，尺寸为 φ8 ×12 （mm）。试样的侧面中间部位焊有一对热电 偶丝，用来测量和控制试样的温 度。试样的上下两个端面分别和两个垂直分布的压 头接触，试样侧面周围为真空环 境。图2 为镍基合金单道次压缩热模拟实验规程图， 试样被加热到1200°C，保温5min 后冷却到1100°C，对试样进行应变为0.693 的单向 压缩变形，应变速率为分别为0.1  s‐1、1s‐1 和10s‐1 。    图1、建模平面示意图  表1、镍基合金的成分及部分热物性参数％  Ni  Fe  Nb  Al  Cr  Mo Ti  导热系数 比热  53  17.9  5.1  1.1  19  2.9 1.0  27J/(smK) 502 J/(kgK)    3、有限元分析模型的建立 如图1 所示，取过圆柱形试样轴线的四分之一平面进行二维有限元建模，图中阴影面所示，为轴对称面。针对图2 热模 拟实验规程，对1200°C 保温后的冷却过程及随后的热变形过程，分别建立了热分析模型和热力耦合分析模型。上述两个模型 中，