基于DEFORM-3D的2024鋁合金鍛造變形過程晶粒度分析

方秀梅，荊志杰，龔 毅

（成都錦城學(xué)院，四川 成都 611731）

齒輪鍛造工藝是指齒輪由坯料經(jīng)過鍛造直接獲得完整形狀的加工工藝，與傳統(tǒng)的機(jī)加工工藝相比較，通過鍛造加工出的齒輪具備更優(yōu)的綜合力學(xué)性能，并且能夠提高材料的利用率，從而節(jié)約生產(chǎn)成本。2024硬鋁合金鋼具有質(zhì)量輕、強(qiáng)度高、相對(duì)密度小等優(yōu)點(diǎn)，主要用于航天航空、高鐵及軍工等方面，目前硬鋁合金鋼通過鍛造工藝所得鍛件表現(xiàn)出高防腐性能及高強(qiáng)度等優(yōu)異性能，在鍛造成形過程中可以有效的消除金屬內(nèi)部的缺陷，如縮孔、氣孔、夾雜等，能改善晶粒的內(nèi)部微觀組織，使得鋁合金鋼鍛件在材料學(xué)界所受到的關(guān)注越來越廣泛[1]。現(xiàn)今，隨著CAE有限元仿真技術(shù)的普及化，可通過DEFORM-3D軟件對(duì)于鍛造加工工藝過程進(jìn)行模擬，調(diào)整鍛造工藝參數(shù)，快速優(yōu)化鍛造工藝，以縮短產(chǎn)品開發(fā)周期，提高材料的綜合力學(xué)性能。本文采用了有限元模擬仿真軟DEFORM-3D，對(duì)于2024硬鋁材質(zhì)的直齒圓錐齒輪進(jìn)行鍛造過程模擬仿真，并對(duì)此次鍛造工藝的參數(shù)進(jìn)行對(duì)比，通過后處理分析鍛造工藝中齒輪鍛件的微觀組織演變情況及其影響因素及其對(duì)性能的影響。

1 直齒錐齒輪鍛造過程有限元模型建立

直齒圓錐齒輪鍛件主要參數(shù)如下：齒數(shù)為20，模數(shù)為2.5，壓力角為45°，齒寬15mm。直齒錐齒輪鍛件三維圖和鍛造模具上模、下模如圖1所示。

圖1 直齒錐齒輪和模具三維圖

本文所采用毛坯材料為2024硬鋁合金鋼圓棒料，對(duì)應(yīng)為AlCuMg2，匹配材料庫數(shù)據(jù)AL-2024，默認(rèn)塑性。模具材料為AISI-H13，默認(rèn)剛性。坯料采用絕對(duì)尺寸網(wǎng)格劃分，設(shè)置尺寸比3，最小單元尺寸設(shè)置0.04。設(shè)置坯料與模具之間接觸摩擦系數(shù)0.4。

鍛造工藝設(shè)置冷鍛和熱鍛，冷鍛在室溫（20℃），熱鍛820℃，設(shè)置坯料單元與大氣的熱對(duì)流系數(shù)為20W/(m2·℃)以及坯料與模具之間的傳熱系數(shù)11kW/(m2·℃)。上模的運(yùn)動(dòng)速度加載設(shè)置3組值對(duì)比，分別為2mm/s，5mm/s，8mm/s。硬鋁合金冷鍛過程，溫度較低，不考慮到動(dòng)態(tài)再結(jié)晶，在820°熱鍛加工時(shí)，考慮到溫度較大，需設(shè)置默認(rèn)動(dòng)態(tài)再結(jié)晶參數(shù)。設(shè)置動(dòng)態(tài)再結(jié)晶的臨界位錯(cuò)密度為0.02，形核概率為0.01。標(biāo)定組織晶粒度參考《金屬平均晶粒度測定方法》，采用截點(diǎn)法，1-4級(jí)為粗晶粒，5-8級(jí)為細(xì)晶粒。本文在對(duì)坯料變形進(jìn)行追蹤選項(xiàng)設(shè)置時(shí)，在圓柱形坯料上定義了3個(gè)點(diǎn)，分別是點(diǎn)P1坯料底面中心；點(diǎn)P2坯料側(cè)面；點(diǎn)P3坯料邊界。

2 鍛造工藝參數(shù)對(duì)鋁合金變形組織晶粒度的影響

2.1 形變程度對(duì)晶粒度演變

由于2024鋁合金鋼的強(qiáng)度、硬度較大，形變程度影響晶粒度的演變。圖3是鋁合金室溫冷鍛不同變形程度的晶粒度。初始晶粒較大，晶粒數(shù)較少。當(dāng)變形量達(dá)到50%左右時(shí)，晶粒體積分布開始不斷增加，晶粒數(shù)量也開始增多，出現(xiàn)了變形織構(gòu)的取向晶粒形態(tài)；當(dāng)變形量到達(dá)90%左右的時(shí)候，其晶粒數(shù)量和體積分布開始趨于穩(wěn)定，晶粒形態(tài)接近等軸晶。由于此次模擬仿真的低溫條件，追蹤點(diǎn)區(qū)域的變形能不足以提供晶粒形核長大的激活能，所以不會(huì)發(fā)生動(dòng)態(tài)再結(jié)晶。取追蹤點(diǎn)P2的不同變形時(shí)期的晶粒度變化，如圖2所示。a圖為形變量50%晶粒度大小，晶粒度標(biāo)定5級(jí)，b為形變量50%晶粒度大小，標(biāo)定8級(jí)，c圖為最終變形完成晶粒度，標(biāo)定8級(jí)。

圖2 室溫冷鍛不同變形程度的晶粒度

圖3 不同形變速度下晶粒度狀況

2.2 鍛造溫度對(duì)晶粒度的影響

冷鍛和熱鍛對(duì)變形組織、性能的影響很大，本文中分別設(shè)置了20℃室溫冷鍛和820℃熱鍛進(jìn)行對(duì)比，選取鍛件上的點(diǎn)P1處對(duì)其晶粒度大小進(jìn)行觀測。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明冷鍛溫下的晶粒度大小標(biāo)定晶粒度7級(jí)，820°熱鍛下的晶粒度大小，標(biāo)定晶粒度6級(jí)。高溫鍛造過程中，因回復(fù)-動(dòng)態(tài)再結(jié)晶的發(fā)生，變形后晶粒呈現(xiàn)等軸狀，晶粒度稍長大，再結(jié)晶可以完全消除塑性變形所引起的硬化現(xiàn)象。

2.3 變形速度對(duì)晶粒度的影響

應(yīng)變速率高應(yīng)對(duì)晶粒細(xì)化產(chǎn)生積極的影響，熱加工工藝中，應(yīng)變速率越快，應(yīng)變能越高，動(dòng)態(tài)再結(jié)晶形核率越高，晶粒得到細(xì)化[2]。本文通過設(shè)置凸模加載速率來控制鋁合金的應(yīng)變速率。從鍛件上選取為坯料邊界點(diǎn)P3，對(duì)比分析3種不同速度變形后的所處點(diǎn)P3的晶粒度大小。如圖3所示，其中a圖為加載速度為2mm/s時(shí)的鍛件晶粒度大小，標(biāo)定晶粒度6級(jí)；b圖表示速度為5mm/s時(shí)的鍛件晶粒度大小，標(biāo)定晶粒度7級(jí)；c圖表示8mm/s的鍛件晶粒度大小，標(biāo)定晶粒度8級(jí)。2mm/s的變形后的晶粒度較為粗大，而隨著變形速度的提高，其晶粒度也是往細(xì)化發(fā)展，在8mm/s時(shí)達(dá)到一個(gè)較為理想的狀態(tài)。變形速度越大，晶粒度細(xì)化越明顯，晶粒出現(xiàn)取向的織構(gòu)狀態(tài)。

2.4 晶粒度對(duì)材料性能的影響

金屬材料晶粒度越小，晶粒度等級(jí)越高，其韌性及強(qiáng)度越高，疲勞壽命越久[3]。本文對(duì)工件內(nèi)部晶粒度大小進(jìn)行觀測，比較了影響晶粒度的因素，能有效細(xì)化晶粒度。晶粒度越大，內(nèi)部晶界增多，晶界面積越大，能減少裂紋的產(chǎn)生。如圖4所示，a為細(xì)小晶粒所加載的曲線，b為粗大晶粒加載的曲線。如圖可知，應(yīng)力曲線差別較大，細(xì)晶粒變形的應(yīng)力應(yīng)變曲線，屈服平臺(tái)更明顯，表現(xiàn)出良好的塑性和較好的強(qiáng)度，粗大晶粒無明顯屈服，出現(xiàn)脆斷趨勢。

圖4 不同晶粒度加載應(yīng)力曲線

3 結(jié)論

本文通過D EFORM-3D仿真模擬分析了2024硬鋁合金鋼的直齒圓錐齒輪在鍛造工藝過程中不同形變區(qū)域、不同形變程度晶粒度的演變規(guī)律，研究了不同形變速度、不同鍛造工藝對(duì)變形后晶粒度及性能的影響，得出以下結(jié)論：當(dāng)形變程度越大時(shí)，其晶粒度大小越細(xì)，等級(jí)越高。當(dāng)變形量超過80%的時(shí)候，金屬晶粒度大小和晶界體積分布會(huì)趨于穩(wěn)定，金屬晶粒度大小得以細(xì)化。當(dāng)形變速度為8mm/s的時(shí)候，材料在變形后的晶粒度較小，其微觀組織的均勻性得到改善；熱鍛存在再結(jié)晶晶粒長大，晶粒度大小相比室溫冷鍛來說較大；晶粒度越大，晶粒越細(xì)，力學(xué)性能得到改善。