雙向拉應力條件下鍛件內部孔洞缺陷的模擬分析

常海平

(中信戴卡輪轂制造股份有限公司產品研制開發部，河北066003)

大型鍛件內部孔洞缺陷的研究是大型鍛件理論研究的一個重要課題，它為制定大型鍛件鍛造工藝和研制新工藝提供了依據，同時它又制約著大型鍛件理論研究工作的進一步發展，在大型鍛件的生產和研究中有著不可替代的作用。

目前，對孔洞缺陷的研究，國內外大部分工作僅停留在研究孔隙性缺陷的閉合過程上，已有的孔隙性缺陷的閉合條件基本上都考慮了靜水應力對孔洞閉合的影響，有些計算還考慮了鍛件尺寸及孔洞形狀對孔洞閉合的影響。但是，對鍛件受雙向拉應力時孔洞變形研究還沒有明確的結論。本文采用Deform軟件，對在雙向拉伸條件下正方體內部孔洞缺陷進行分析，總結其變形條件，這也對制定鍛造成形工藝具有參考意義。

1 有限元模型的建立

取邊長為500 mm的正方體，在其中心處設置直徑為1 mm的球形孔洞。利用正方體結構的對稱性，模擬時取其1/8建模。網格劃分采用四面體單元，并在孔洞區域進行了局部細化，網格模型如圖1所示。鍛件材料為45#鋼，視為剛塑性材料，變形溫度為1 200℃。

圖1 網格模型Figure 1 The mesh model

在對稱面上施加對稱約束，分以下兩種情況進行模擬計算：

(1)正方體X面、Y面施加均布拉力，且在變形中保持不變，稱之為條件A。

(2)正方體X向、Y向施加均布拉力，Z向為均布壓力，且在變形中保持不變，稱之為條件B。

X向的均布拉力為Px，Y向均布拉力為Py，Z向均布壓力為Pz，加載時間為t。

2 數值模擬結果與分析

η為鍛件沿Y方向的變形率，z坐標軸代表球形孔洞經變形成橢球的短軸，x坐標軸代表中軸，y坐標軸代表長軸。

2.1 條件A下的孔洞變形

圖2是孔洞體積隨η增加的變化曲線。圖3是短軸隨η增加的變化曲線。圖4是長軸隨η增加的變化曲線。

圖2 Px=100 MPa、Py為不同值時孔洞體積隨η增加的變化曲線Figure 2 The change of hole volume along with η variation on the condition of Px=100 MPa and Py being assigned different values

圖3 Px=100 MPa、Py為不同值時孔洞短軸隨η增加的變化曲線Figure 3 The change of hole short axis along with η variation on the condition of Px=100 MPa and Py being assigned different values

由圖2可知，當η≤30%時，孔洞體積近似線性增大；當η>30%后，孔洞體積的增長減緩。在變形過程中，三者相比，px=py=100 MPa時孔洞體積始終保持最大，Py=120 MPa時孔洞體積始終保持最小。即Y向與X向的均布拉力比為1∶1時，孔洞體積擴展率最大，兩者的比值越大，孔洞體積擴展率越小。

由圖3可知，短軸隨 的增加而逐漸減小。在變形過程中，三者相比，Py=120 MPa時孔洞短軸始終保持最大；Py=100 MPa時孔洞短軸始終保持最小，即Y向、X向的拉力比為1∶1時，孔洞短軸最小，兩者的比值越大，則孔洞短軸越大。

由圖4可見，孔洞長軸隨 的增加而近似線性增大。對于同一 值，Py的變化對長軸基本無影響。即：在條件A下，孔洞長軸的變化與X向、Y向的拉力比無關，只與變形率 有關。

圖4 Px=100 MPa、Py為不同值時孔洞長軸隨η 增加的變化曲線Figure 4 The change of hole long axis along with η variation on the condition of Px=100 MPa and Py being assigned different values

2.2 條件B下的孔洞變形

2.2.1 孔洞的形狀變化

圖5是孔洞在XZ截面上隨η變化的形狀。

(a) =10% (b) =20% (c) =50% (d) =60%圖5 條件B下孔洞XZ截面隨η 變化的形狀Figure 5 The shape of the XZ cross section of the hole under condition B changed along with the η variation

由圖5可見，孔洞逐漸由球變為橢球，z軸變短，x、y軸變長，孔洞邊緣逐漸呈尖銳狀。當 50%時，短軸端點已接近閉合，而長軸端點處留有一定的空間，孔洞已不再保持橢球特征，而成環狀。當 60%時，孔洞完全閉合。表明在雙向拉應力條件下，另一方向壓應力的存在使孔洞閉合成為可能。

2.2.2 孔洞的體積變化

圖6是在Px=100 MPa、Pz=-70 MPa、Py分別為100 MPa、110 MPa、120 MPa條件下，孔洞體積隨Y方向變形率η增加的變化曲線。

圖6 Py不同時孔洞體積隨η 增加的變化曲線Figure 6 The change of hole volume along with η variation on the condition of Py being assigned different values

由圖6可知，在條件B、Pz不變的情況下，孔洞在Py與Px的比值為1∶1時體積減小的最快；Py與Px的比值越大，孔洞體積減小的越慢。

同時，模擬還得出以下結論：孔洞在Px=Py=100 MPa、Pz=-100 MPa時的體積小于Px=Py=100 MPa、Pz=-70 MPa時的體積，即在條件B下，Pz值越大，孔洞體積越小。

2.2.3 孔洞短軸變化

圖7是在Px=100 MPa、Pz=-70 MPa、Py分別為100 MPa、110 MPa、120 MPa條件下，孔洞短軸隨η增加的變化曲線。

圖7 Py不同時孔洞短軸隨η 增加的變化曲線Figure 7 The change of hole short axis along with η variation on the condition of Py being assigned different values

圖8 Py不同時孔洞長軸隨η 增加的變化曲線Figure 8 The change of hole long axis along with η variation on thecondition of Py being assigned different values

由圖7可見，孔洞短軸均隨 的增加而減小。在Px=100 MPa、Pz=-70 MPa條件下，在Py=100 MPa、 =60%時孔洞短軸為0。在Py分別為110 MPa、120 MPa和 =70%時孔洞短軸為0。可知，Pz不變時，Px=Py比PxPy時更有利于孔洞短軸的減小。

2.2.4 孔洞長軸變化

圖8是在Px=100 MPa、Pz=-70 MPa、Py分別為100 MPa、110 MPa、120 MPa條件下，孔洞長軸隨η增加的變化曲線。

由圖8可見，孔洞長軸均隨 的增加而近似線性增大。對于同一η值，孔洞長軸大致相等，即在上述情況下，Py的變化對長軸基本無影響。所以在Pz不變時，孔洞長軸變化與Px、Py的大小無關，只與變形率η有關。

3 結論

對在雙向拉應力條件下正方體鍛件內部的中心孔洞缺陷進行了有限元模擬，得出以下結論：

(1)不受壓力的情況下，孔洞體積和尺寸均持續擴展，無閉合可能。Px∶Py=1∶1時，孔洞體積擴展最大，兩者的比值越大，孔洞體積的擴展越小。

(2)當Pz<0時，在所研究的條件下，變形中內部孔洞的體積和尺寸呈減小趨勢，孔洞存在閉合可能。且在Pz恒定、Px∶Py=1∶1時孔洞體積減小最快，兩者的比值越大，孔洞體積減小越慢。

(3)Pz不變時，Px=Py比PxPy更有利于孔洞短軸的減小。

(4)孔洞長軸變化與Px、Py的大小無關，只與變形率 有關。

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