钛合金热挤压的有限元模拟
可 看 出 !温万升方主数要 集据中 在 变 形 的 开 始 阶 段 !随 着 变 形 过
图 / 变形区最高温度随挤压行程的变化3工艺 )4
图 : 不同变形阶段下等效应力的分布3工艺 )4
挤 压 力;行 程 曲 线 如 图 ,所 示!在 挤 压 的 开 始 阶 段!挤 压 力 很 快 上 升 至 峰 值!接 着 快 速 下 降 到 一 定 值 后 !趋 于 平 稳 *挤 压 力 在 挤 压 初 始 阶 段 的 快 速 下 降 是 由 这一阶段剧烈的温升引起的*图 5所示为在不同的挤 压变形条件下挤压力的计算值和实测值比较*在所有 变形条 件下二者 之间的 误差都 小于 .6<!说 明模 拟 分
式中(@为万摩擦方剪数切据应力3A为材料的等效流变应力0 2 收稿日期($&&$+&B+&:
在实际挤压过 程 中"-B玻 璃 被 用 作 润 滑 剂0 并 用 作者简介(娄燕!%:8%+’"女"湖南浏阳人"讲师"硕士0
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拟 材 料 的 变 形 外!本 研 究 所 采 用 的 "#$%&’(’ )" 软 件还能进行温度耦合计算*工件和模具材料的热参数 采 用 手 册 提 供 的 数 据 +,-*在 实 际 生 产 过 程 中 !由 于 工 件 暴 露 在 空 气 中 的 时 间 很 短!所 以 辐 射 热 在 计 算 中 被 忽 略*表 .中工艺 )的模拟结果将在下文中作为代表详 细讨论*
较小#温升和变形区的扩展不如在 $%&相区变 形时 厉 害!
4 结论
/01562")7248 合金挤压变形过程中温升显著!温 度 的 升 高 主 要 集 中 在 挤 压 变 形 的 开 始 阶 段#最 大 的 温 升出现在模口附近工件2模具的接触面上!在工艺 3的 变形条件下#最高温升达 0",-!
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钛合金的挤压制品通常采用正挤压法生产"其变形 圆环压缩法研究了它的高温润滑性能0不同温度下的
一 般 在 36 45 4相 变 温 度 附 近 进 行"挤 压 过 程 中 一 般 摩擦因子如表 %所示0
工艺号 铸锭温度模具温度铸锭直径铸锭长度 挤压比 摩擦因子
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分 和 晶 粒 大 小 0但 是 "通 过 实 验 的 方 法 很 难 获 得 变 形 参 数 的 演 变 情 况"而 有 限 元 法 提 供 了 分 析 金 属 加 工 过 程 参数演变的强有力手段6%70自从 8zz和 9x&#$#~%*6$7成
/ 结果与讨论
图 .为挤压过程中两个不同阶段工件的等效应变 的 分 布 *可 看 出 !变 形 集 中 在 模 口 附 近 的 较 小 区 域 *比 较 图 .012可 以 看 出!等 效 应 变 的 分 布 随 变 形 过 程 的 进 行 而 改 变 !变 形 区 随 着 变 形 的 进 行 而 扩 大 *在 用 上 限 法 分 析 塑 性 变 形 过 程 时!对 稳 态 变 形 过 程 如 挤 压1轧 制 1拉 拔 等 !变 形 区 被 认 为 在 变 形 过 程 中 保 持 不 变 * 但 是!在 实 际 加 工 过 程 中 变 形 区 的 大 小 和 形 状 是 不 可 能 保持恒定的*变形死区的高度和深度都随变形过程的 进行而减小*
挤 压 速 度 ? 9&))D~ 铸锭材料的热容 ? 6B7 75:,FD2G)) 模具材料的热容 ? 6B7 #597FD2G))
导 0 677 本文采用有限元软件分析计算了 )*+,-.+#/ 合 铸锭材料的热传导系数 ? 6B7 %B599#FD2G~
金 棒 材 挤 压 成 型 过 程"并 将 分 析 结 果 与 实 验 结 果 进 行 工件和模具之间的热传递系数 ? 6B7 $5%99FD2G~
r热加工工艺s tuuv年第 p期
工艺技术
qp
析的结果有足够的精度应用于指导实际生产!从图 " 中 还 可 看 出#当 变 形 在 $% &相 区 进 行 时#计 算 值 大 于 实测值#而在 &相区时情况正好相反!这一结果主要是 由模拟计算中所采用的摩擦因子与实际有误差引起
的!报导 指 ’"( 出#)*玻璃作润滑剂时#+*,-以下#温度 为摩擦因子 . 的 主要影 响因 素#. 随 温 度的 升 高 而减 小! 在 模 拟 计 算 时#. 被 设 定 为 挤 压 开 始 时 的 温 度 值 /表 01!但是#如上所述#挤压过程中会有显著的温升# 所以实际变形过程中的摩擦因子会小于设定值!这也 是挤压力的计算值大于实测值原因!在 +*,-以上时# 由 于 润 滑 剂 的 粘 度 下 降#润 滑 剂 不 能 完 全 将 工 件 和 模 具 分 开 #边 界 接 触 面 增 加 ! 所 以 #实 际 过 程 中 的 摩 擦 因 子 会 大 于 用 圆 环 压 缩 实 验 的 测 量 值 /试 样 两 端 带 槽 #防 止 润 滑 剂 流 失 1! 从 而 使 挤 压 力 的 计 算 值 小 于 实 测 值 !
了比较0
$ 挤压过程模拟
% 高温变形下的摩擦条件
)*+,-.+#/ 合金为两相钛合金"其 36454相变温
摩 擦 在 金 属 加 工 过 程 中 有 着 相 当 重 要 的 作 用"严 重 的 摩 擦 会 导 致 摩 擦 热 的 产 生1变 形 不 均 匀 和 模 具 的 磨损0本模拟研究采用库仑摩擦模型"摩擦因子 b!&= b= %’表 示 为 (
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功 地 将有限元法 !:;<’引入塑性 加 工领 域 以 来"该 技 术被广泛地应用于分析材料变形过程中参数的变化0 然而很少有用有限元法分析钛合金挤压加工的报
*"*z’+*y%y%x~zx&y#*!z’z{,z|*)z!y#..$5)z%’*~y|*&}y*x!x"~y|#*!"yz),z|#y}|z#!’z""z-y**z~y|z~~%#~&zz!~*)}.#yz’
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图 . 不同变形阶段下等效应变的分布3工艺 )4
变形区的扩大可以归结为变形过程中温升的结
果*图 )为相应于图 .的变形条件下工件的温度的分 布 与 变 化!可 看 出 变 形 过 程 中 有 显 著 的 温 升* 比 较 图 )012可 看出!变 形区中的 温度 分布也 随变 形 过 程而 变 化 *变 形 区 中 的 温 度 升 高 导 致 流 变 应 力 下 降 !使 得 最 初 没 有 发 生 变 形 的 区 域 的 材 料 发 生 屈 服 变 形!从 而 导 致 变形区的扩大*
K热加工工艺L MNNJ年第 C期
工艺技术
JI
钛合金热挤压的有限元模拟
娄燕
!南华大 要(采用有限元模拟技术研究了 )*+,-.+#/ 合金热挤压变形过程"并将所得的结果与实验结果进行了比较0通
过 模 拟 计 算 获 得 了 在 不 同 挤 压 变 形 条 件 下 "变 形 区 的 应 力 1应 变 和 温 度 的 分 布 规 律 0结 果 表 明 "在 钛 合 金 的 挤 压 变 形 过 程
一 般 说 来 !温 升 主 要 由 变 形 和 摩 擦 引 起 *钛 合 金 的 高流变应力和大挤压比导致了本研究中的显著温升* 从 图 )中 可 看 出!模 具 和 工 件 的 接 触 处 温 升 可 达 .567 * 另 外 !玻 璃 润 滑 剂 的 绝 热 作 用 也 是 温 升 的 一 个 重要原因*所以玻璃润滑剂在钛合金挤压过程中的作 用 是 两 方 面 的!一 方 面 能 够 减 小 摩 擦!防 止 模 具 过 热8 另 一 方 面 它 阻 止 工 件 和 模 具 之 间 的 热 传 递!从 而 使 工 件 的 内 外 层 温 度 梯 度 增 加 !影 响 产 品 的 组 织 性 能 *
TC4钛合金切削过程的有限元模拟
TC4钛合金切削过程的有限元模拟钛合金是一种具有优良性能的金属材料，广泛应用于航空航天、船舶制造、医疗器械等领域。
然而，由于其高强度和难切削的特性，钛合金切削过程中常常面临着刀具磨损、切削力过大、表面质量差等问题。
因此，利用有限元模拟方法对钛合金切削过程进行研究具有重要意义。
钛合金切削过程的有限元模拟可以分为三个主要步骤：建立模型、定义材料属性和切削条件、进行仿真分析。
首先，建立模型是有限元模拟的首要任务。
通常情况下，可以采用三维固体模型来描述钛合金工件。
在建立模型时，需要考虑切削区域的几何形状和切削刀具的位置。
此外，还需要注意钛合金的非线性行为和切削过程中材料去除的位置、方向等因素。
其次，定义材料属性和切削条件是模拟分析的基础。
钛合金的材料属性包括弹性模量、屈服强度、切削硬化指数等。
这些参数需要通过实验或文献数据进行获取，并在模型中进行设定。
切削条件包括切削速度、切削深度和进给率等，这些参数直接影响切削力和刀具磨损。
最后，进行仿真分析是利用有限元模拟方法得出钛合金切削过程中的关键信息。
主要包括切削力、温度分布和变形等。
切削力是评估切削过程中刀具负荷的重要指标，可以用来评估加工性能和刀具寿命。
温度分布可以用来评估加工过程中材料热变形、刀具磨损和冷却效果等。
变形分析可以提供切削过程中工件形状和表面质量的信息。
在实际应用中，钛合金切削过程的有限元模拟可以帮助优化刀具设计、切削参数选择和冷却系统设计。
通过调整切削条件和改进刀具形状，可以降低切削力、提高表面质量，从而提高加工效率和降低成本。
总之，钛合金切削过程的有限元模拟是一种有效的工具，可以帮助优化加工过程和提高产品质量。
随着材料科学、数值计算和计算机技术的不断进步，钛合金切削过程的有限元模拟将在未来发挥更大的作用。
TC4钛合金切削过程的有限元模拟
TC4钛合金切削过程的有限元模拟钛合金作为一种重要的工程材料，在航空、航天、医疗和汽车等领域具有广泛的应用。
在加工过程中，钛合金具有高硬度、高耐热性和高切削难度等特点，给加工过程带来了一定的挑战。
因此，采用有限元模拟方法来研究钛合金切削过程的机理和优化切削参数，可以提高加工效率和质量。
钛合金切削过程的有限元模拟主要包括建立切削模型、材料热力学模型、切削力模型和刀具磨损模型等几个方面。
首先，在钛合金切削过程的有限元模拟中，需要建立一个完整的切削模型，包括被加工工件、刀具和夹持装置等。
通过二维或三维建模软件，将实际的切削过程转化为数值模拟的切削过程。
同时，针对钛合金的特点，还需要考虑材料的非线性、蠕变和热膨胀等因素。
其次，钛合金切削过程中温度场和应力场的分析对于提高加工效率和减少刀具磨损至关重要。
通过建立材料的热力学模型，模拟切削过程中的热源和热辐射等因素。
同时，考虑切削过程中的塑性变形和应力分布，可以预测材料的变形和切削力。
此外，钛合金切削过程中的切削力是评价切削性能的重要指标。
通过建立切削力模型，可以预测切削力大小和方向的分布。
切削力模型中需要考虑切削速度、进给速度和切削深度等对切削力的影响，并得出最佳的切削参数，以提高切削效率和保证刀具寿命。
最后，钛合金切削过程中刀具磨损对于加工质量和成本控制有着重要的影响。
通过建立刀具磨损模型，可以预测刀具的磨损情况和寿命。
刀具磨损模型中需要考虑切削速度、进给速度和切削深度等因素对刀具寿命的影响，并提出最佳的刀具选择和切削参数，以延长刀具的使用寿命，减少更换次数和成本。
综上所述，钛合金切削过程的有限元模拟可以帮助研究钛合金切削机理和优化切削参数，提高加工效率和质量。
通过建立切削模型、材料热力学模型、切削力模型和刀具磨损模型等，可以预测温度场、应力场、切削力和刀具磨损等关键参数，为钛合金切削的优化和控制提供科学依据。
TC17钛合金加热过程中的有限元模型
TC17钛合金加热过程中的有限元模型何俊;惠瑞拓;曾卫东;徐建伟;陈威【摘要】采用深埋热电偶动态测量温度变化并结合有限元模拟建立了TC17钛合金棒材的加热模型,并对其升温过程进行了模拟.结果表明:总换热系数由辐射换热系数和对流换热系数组成,可通过数学运算获得,其数值与棒材温度有关,随着棒材温度的升高,总换热系数呈增大趋势.通过对φ500 mm×500 mm TC17钛合金棒材的升温过程进行有限元模拟,获得棒材心部和1/2R处的温升曲线,经过与热电偶测得的实际温升曲线对比,两者有较高的吻合度,棒材心部和1/2R处到温时间分别为196 min和166 min.采用小尺寸试样进行β单相区加热试验,通过与大尺寸棒材β晶粒尺寸的比较,验证了有限元模型的准确性.【期刊名称】《钛工业进展》【年(卷),期】2019(036)002【总页数】4页(P8-11)【关键词】TC17钛合金;加热;有限元模拟;晶粒尺寸【作者】何俊;惠瑞拓;曾卫东;徐建伟;陈威【作者单位】中国航发动力股份有限公司,陕西西安710021;中国航发动力股份有限公司,陕西西安710021;西北工业大学凝固技术国家重点实验室,陕西西安710072;西北工业大学凝固技术国家重点实验室,陕西西安710072;西北工业大学凝固技术国家重点实验室,陕西西安710072【正文语种】中文【中图分类】TG146.230 引言与传统的α+β两相区锻造相比，钛合金β锻造具有变形抗力小、金属流动性好、热加工性好、锻造成本低等优点，目前已成为航空锻件的重要加工方式[1]。
β锻造需要在高温β单相区加热，由于β晶粒在高温下容易快速长大粗化，若加热时间过长会导致β晶粒过大，造成所谓的“β脆性”问题，严重降低合金的力学性能。
因此，锻前加热是保证钛合金β锻造顺利实施的重要环节，需要根据坯料的不同尺寸，设置合理的加热时间，既要保证坯料能充分热透，又要使β晶粒不会过分长大。
钛合金锥形件温热剪旋热力耦合有限元模拟
钛合金锥形件温热剪旋热力耦合有限元模拟
钛合金锥形件是一种常用的工业构件，在航空、航天、汽车等领域得到广泛应用。
在使用过程中，锥形件往往会受到温度、力及旋转等多种复杂载荷的作用，因此需要进行有限元分析以评估其受力状态和性能。
本文基于ANSYS有限元软件，采用热力耦合有限元分析方法，对锥形件的温热剪旋装载状态进行了模拟和分析。
本文首先介绍了锥形件的几何形状和材料特性，并对其载荷情况进行了描述。
接着，对有限元模型的建立及边界条件设置进行了详细描述。
在模拟过程中，考虑了锥形件的热传导、热对流和热辐射等热学效应，并考虑了材料的塑性行为。
模拟结果表明，锥形件的温度分布呈现出明显的非轴对称性，随着处于锥形件顶部的温度不断升高，塑性应变也不断增加。
同时，锥形件在受到拉压载荷的作用下，底部出现了较大的应变集中，而出现塑性失效的区域则集中在锥形件底部附近。
此外，在旋转载荷作用下，锥形件的旋转方向对其应力分布产生显著的影响。
综上所述，本文分析了钛合金锥形件的温热剪旋装载状态，在热力耦合有限元模拟的基础上，通过对应力、位移和塑性应变等参数的分析，深入探究了锥形件在多种复杂载荷作用下的受力特性。
这对于提高锥形件的设计、制造和使用效率具有重要意义。
娄燕 钛合金热挤压的有限元模拟
《TA15钛合金型材挤压数值模拟》
《TA15钛合金型材挤压数值模拟》一、引言随着现代工业技术的飞速发展，金属材料在制造业中扮演着举足轻重的角色。
特别是TA15钛合金因其良好的强度和塑性特性，被广泛应用于航空、航天等关键领域。
而型材挤压是金属加工过程中的重要环节，其工艺的优化和模拟对于提高产品质量和效率具有重要意义。
本文以TA15钛合金型材挤压为研究对象，通过数值模拟的方法，探讨其挤压过程中的物理变化和力学行为。
二、TA15钛合金概述TA15钛合金是一种具有高强度、高韧性和良好耐腐蚀性的金属材料，因其优异的综合性能而被广泛应用于航空、航天等高技术领域。
其独特的物理和化学性能，使其在高温和高应力环境下依然能保持较好的机械性能。
然而，TA15钛合金的加工难度较高，尤其是型材挤压过程中的复杂应力分布和变形行为，给加工带来了不小的挑战。
三、型材挤压工艺及数值模拟方法型材挤压是一种通过模具将金属坯料进行塑性变形的工艺过程。
在这个过程中，金属材料在模具的挤压作用下发生变形，从而达到所需的形状和尺寸。
为了更好地理解和控制这一过程，我们采用了数值模拟的方法。
通过有限元分析软件，建立TA15钛合金型材挤压的物理模型，并运用合适的本构方程和边界条件来模拟实际的挤压过程。
四、数值模拟过程及结果分析在数值模拟过程中，我们详细地记录了挤压过程中各阶段的应力分布、温度变化和变形行为。
首先，在挤压初期，由于金属材料的塑性变形，产生了较大的应力集中现象。
随着挤压的进行，应力逐渐分散，材料逐渐进入稳定变形阶段。
同时，由于摩擦热和塑性变形的热效应，材料温度有所上升。
此外，我们还观察到在挤压过程中，材料的晶粒结构和相变行为也发生了明显的变化。
通过分析模拟结果，我们得出以下结论：1. 合理的挤压速度和温度是影响TA15钛合金型材质量的关键因素。
过高或过低的挤压速度和温度都可能导致材料的性能下降。
2. 在挤压过程中，模具的设计和制造精度对产品的尺寸精度和表面质量有着重要的影响。
钛合金的高温热膨胀行为模拟与优化
钛合金的高温热膨胀行为模拟与优化钛合金作为一种优良的结构材料，在航空航天、汽车制造、生物医疗等领域具有广泛应用。
然而，在高温环境下，钛合金的热膨胀行为对材料性能和结构可靠性产生重要影响。
因此，通过模拟和优化钛合金的高温热膨胀行为，可以提高其工程应用价值和可靠性。
1. 高温热膨胀行为模拟方法在研究钛合金的高温热膨胀行为时，常使用有限元分析方法进行模拟。
有限元分析是一种数值计算方法，可以对材料在不同温度下的热膨胀行为进行建模和仿真。
通过将钛合金材料进行离散，将其分成多个小单元，然后利用材料的温度依赖材料参数，计算每个单元的膨胀情况，并进行整体的叠加，可以得到钛合金在高温下的膨胀行为。
2. 高温热膨胀行为的优化方法为了提高钛合金在高温下的热膨胀性能，可以通过合理设计合金配比和热处理工艺来进行优化。
首先，可以通过引入合适的合金元素来改变钛合金的晶体结构和热膨胀系数，从而实现控制热膨胀的目的。
其次，在热处理过程中，可以通过恰当的温度和时间参数，使得钛合金材料的晶界结构得到优化，从而提高其高温下的热膨胀性能。
3. 高温热膨胀行为模拟与优化案例分析为了验证模拟与优化的有效性，我们以某款航空发动机叶片上的钛合金材料为例进行实例分析。
首先，我们对叶片材料进行高温热膨胀行为的有限元模拟，得到其在不同温度下的膨胀情况。
然后，根据模拟结果来选择合金配比和热处理工艺参数进行优化。
最后，通过优化后的材料进行实验验证，以进一步验证优化效果和模拟的准确性。
4. 高温热膨胀行为模拟与优化的意义和应用模拟和优化钛合金的高温热膨胀行为对材料的研究与应用有着重要意义。
首先，可以帮助工程师更好地理解和预测钛合金材料在高温条件下的变形和应力分布情况，从而为结构设计提供参考。
其次，优化钛合金的高温热膨胀行为可以提高其在高温环境下的使用寿命和安全性能，拓展其在航空航天和汽车制造等领域的应用潜力。
钛合金的高温热膨胀行为模拟与优化是一个复杂而关键的研究领域。
钛合金挤压三维热力耦合数值模拟技术研究
锻压技术 2006年 第5期钛合金挤压三维热力耦合数值模拟技术研究何铁宁1,23,李海峰2(11北京理工大学机电工程学院,北京 100081;21中国工程物理研究院计算机应用研究所,四川绵阳 621900) 摘要:钛合金材料作为武器工程的主要材料,有着广泛的应用。
本文利用刚黏塑性有限元方法,对钛合金深孔薄壁梭心套壳零件挤压成形过程进行了三维热力耦合数值模拟分析,获得了钛合金挤压成形时载荷与时间(或行程)的关系以及工件上的应力、应变、应变率和温度的分布信息。
所得结果对产品加工工艺的制定和模具设计都具有指导意义。
关键词:数值模拟;塑性成形;刚黏塑性;挤压;热力耦合中图分类号:TG 146 文献标识码:A 文章编号:100023940(2006)05200632053D thermo 2mechanical coupled numerical simulation of the Titanium alloy extrusion processHE Tie 2ning 1,2,LI H ai 2feng 2(11School of Electromechnaical Engnieering ,Beijing Institute of technology ,Beijing 100081,China ;21Computer Application Institute of China Academy Engineering &Physics ,Mianyang Sichuan 621900,China ) Abstract :Titanium alloy is widely used in the weapon industry.By using rigid visco 2plastic method ,a 3D ther 2mo 2mechanical coupled numerical simulation of the special long and thin 2walled part for Titanium alloy during extrusion is carried out in this paper.The relations between the load and time (or stroke ),the distribution rules of stress ,strain ,strain rate and temperature ,which can be very usef ul ,are obtained.This is helpf ul to the technology planning and the design of the dies.K eyw ords :numerical simulation ;plastic deformation ;rigid visco 2plastic ;extrusion ;thermo 2mechanical couple3男,36岁,博士研究生收稿日期:20052102211 引言挤压技术作为一种高效、优质、低消耗的精密成形技术,在金属材料的塑性成形领域中得到了迅速发展和广泛的应用。
Ti-B25钛合金管材挤压成形数值模拟及实验研究
Ti 穀臧Vol. 38 No. 1Februarv 2021第38卷第1期2021年 2月Ti-25钛合金管材挤压成形数值模拟及实验研究孙花梅，刘 伟，戚运莲，李修雷，毛小南，洪 权(西北有色金属研究院，陕西西安710016)摘要：为了加快推动T-B25钛合金在舰船通信系统上的应用，利用前期构造的本构方程和热加工图优化出的工艺 参数，使用DEFORM-3D 有限元软了变形温度900 >、应变速率0. 1 s"工艺参的管材挤压过程，并对模拟过程进行了实际挤压验证。
结果表明：在变形温度900 >、应变速率0.1 sT 条件下能成功挤压出#62 mm'12 m m 的Ti-B25钛合金管坯，并且管坯具有良好的表面质量,组织中存在再结晶晶粒。
管坯经过830 >/1 h +600 >/8 h 固溶时效处理后具有 的强-塑性匹配，满足舰船 管使用要求$关键词：船用钛合金；有限 ；管材挤压；固溶时效处理中图分类号：TG376. 9文献标识码：A 文章编号：1009-9964(2021)01-025-05Numedcal Simulation and Experimeetal Strdy of Extrrsion Forming of T-B25 Titanium Aloy PipeSun Huamei ， Liu Wei ， QiYuneian ， LiXiueei ， MaoXiaonan ， HongQuan(Northwest Institute for Nonferrous Metal Research ，Xi'an 710016，China)Abstract : In order to accelerate the applicCion of Ti-B25 titanium Cloy in ship communication system ，DEFORM-OD finite element software was used to simulate the pipe extrusion process under the deformation temperature of 900 > and thestaain aateof0.1 s -1 with theconstaucted constitutiveequation and theoptimiaed paocespaaameteasin thepaeviouswoak.And thepipeeetausion eepeaimentofTi-B25 aeoswaspeafoamed tovaeidatetheaesuetsofFEsimueation.The aesuetsshowthatthepipebeank of #62 mm'12 mmcan besuccesfu eseetauded undeathedefoamation tempeaatuaeof900 > and the strain rate of 0. 1 s _1. The pipe blank has good sumaco quality and recmstallized microstmcture. Aftersolution aging treatment at 830 >/l h + 600 >/8 h ， the pipe blank exhidits good stress-plastic matching ， whichmeetstheaequiaementofthepipesused in theshipboaad antenna.Key wordt ： maainetitanium aeos ； finiteeeementsimueation ； pipe e etausion ； soeution agingtaeatment舰船长期暴露在海洋环境中，对材料的耐腐蚀性有 的 。
210971535_TC2合金L型材热轧有限元模拟与实验
收稿日期:20211106基金项目:辽宁省科技厅 揭榜挂帅 科技攻关项目(2021J H 1/10400086)㊂作者简介:武小娟(1973 ),女,山西晋中人,沈阳理工大学副教授,博士;通信作者:张志强(1981 ),男,山西长治人,中国科学院金属研究所副研究员,博士㊂第40卷 第6期2022年 12月沈阳师范大学学报(自然科学版)J o u r n a l o f S h e n y a n g N o r m a lU n i v e r s i t y (N a t u r a l S c i e n c eE d i t i o n )V o l .40N o .6D e c .2022文章编号:16735862(2022)06049105T C 2合金L 型材热轧有限元模拟与实验武小娟1,张建成1,张志强2,柏春光2(1.沈阳理工大学材料科学与工程学院,沈阳 110159;2.中国科学院金属研究所轻质高强材料研究部,沈阳 110016)摘 要:建立7道次T C 2钛合金L 型材轧制模型,采用有限元法模拟初轧温度为920ħ时的轧制过程,研究轧制过程中轧件温度场㊁应变场的变化规律,并进行轧制实验㊂结果表明,轧制过程中轧件中心层的应变增长较为均匀,拐角上表面两侧和拐角下表面周围应变较大且温度较高;轧件侧边末端的应变和温度较低,轧件中心层温度一直保持相对较高水平,K 2和K 1道次在轧前需将轧件补温至920ħ;K 7~K 3道次随着道次增加组织逐渐细化,侧边的组织沿宽展方向有序分布程度增强;K 1道次轧制完成后得到均匀细小的等轴组织㊂实验得到的型材成品与模拟结果基本一致㊂关 键 词:钛合金;L 型材;轧制;有限元模拟中图分类号:T G 339 文献标志码:Ad o i :10.3969/j .i s s n .16735862.2022.06.003F i n i te e l e m e n t s i m u l a t i o na n de x p e r i m e n t a l s t u d y of h o t r o l l i n gp r o c e s s o fT C 2a l l o y L pr o f i l e WU X i a o j u a n 1,Z HA N GJ i a n c h e n g 1,Z HA N GZ h i q i a n g 2,B A IC h u n g u a n g2(1.S c h o o lo f M a t e r i a lS c i e n c ea n d E n g i n e e r i n g ,S h e n y a n g L i g o n g U n i v e r s i t y ,S h e n y a n g 110159,C h i n a ;2.L i g h t a n dH i g hS t r e n g t h M a t e r i a l s ,I n s t i t u t e o fM e t a lR e s e a r c h ,S h e n y a n g 110016,C h i n a )A b s t r a c t :T h e r o l l i n g m o d e l o f 7p a s s e so fT C 2a l l o y L p r o f i l ew a se s t a b l i s h e d ,a n dt h e r o l l i n gp r o c e s s a t a n i n i t i a l r o l l i n g t e m p e r a t u r eo f 920ħw a ss i m u l a t e du s i n g t h e f i n i t ee l e m e n tm e t h o d .T h e c h a n g i n g l a w s o f t e m p e r a t u r e a n d s t r a i no f t h e r o l l e d p i e c e i n r o l l i n gpr o c e s sw e r e s t u d i e da n d t h e r o l l i n g e x p e r i m e n tw a s c a r r i e do u t .T h e r e s u l t s s h o wt h a t t h e s t r a i n g r o w t h i n t h e c e n t r a l l a y e r o f t h e r o l l e d p i e c e i s r e l a t i v e l y u n i f o r md u r i n g r o l l i n g .T h e s t r a i n a n d t e m p e r a t u r e a r o u n d t h e u p pe r a n d l o w e r s u rf a c e o f t h e c o r n e r a r eh igh e r .T h e s t r ai n a n d t e m p e r a t u r e a t t h e s i d e e n do f t h e r o l l e d p i e c e a r e l o w e r .T h e t e m p e r a t u r e o f t h e c e n t e r l a y e r o f t h e r o l l e d p i e c e i sk e p t a t ah i gh l e v e l .K 2a n dK 1p a s s e sn e e dt ob eh e a t e da t920ħb e f o r er o l l i n g.K 7~K 3p a s s e s ,w i t ht h e i n c r e a s eo f p a s s e s ,t h em i c r o s t r u c t u r e i s g r a d u a l l y r e f i n e d .I n t h e b r o a d e n i n g d i r e c t i o n ,t h e o r d e r l y d i s t r i b u t i o n o f t h es i d e m i c r o s t r u c t u r e s g r a d u a l l y i n c r e a s e s .T h eu n i f o r m a n df i n ee q u i a x e d m i c r o s t r u c t u r e i s o b t a i n e d a f t e rK 1p a s s r o l l i n g .T h e f i n i s h e d p r o d u c t o f t h e p r o f i l eo b t a i n e d f r o mt h e e x p e r i m e n t i s b a s i c a l l y co n s i s t e n tw i t h t h e s i m u l a t i o n r e s u l t s .K e y wo r d s :t i t a n i u ma l l o y ;L p r o f i l e ;r o l l i n g ;f i n i t e e l e m e n t s i m u l a t i o n 0 引 言T C 2钛合金名义成分为T i -4A l -1.5M n ,具有良好的塑性和热稳定性,其型材常被应用于飞机的桁条和次承力框[15]㊂钛合金型材常用的生产方式有轧制㊁挤压和热绕弯成形等[67]㊂轧制生产的T C 2钛合金型材具有生产效率高㊁表面质量好的优点㊂但型材轧制是非线性复杂的成形过程,轧制成形过程受轧制温度㊁轧制速度㊁孔型设计和轧辊表面质量等因素的影响[810]㊂采用传统试轧方式进行型材轧制成本高㊁研发周期长[11]㊂通过有限元法对轧制过程进行模拟,能够了解轧制过程中材料的应变场和温度场等变化规律,对优化轧制工艺具有重要的意义[1213]㊂迄今为止,T C 2钛合金型材轧制的相关研究极少,本文通过对T C 2合金L 型材轧制成形过程进行有限元模拟,研究初轧温度为920ħ时轧制过程中轧件的温度场和应变场的变化规律,并进行轧制实验,观察微观组织演变的规律㊂1 模型建立与模拟参数确定1.1 有限元模型建立图1 型材轧制模型示意图F i g .1 M o d e l o f p r o f i l e r o l l i n g型材轧制模型如图1所示,整个模型由上辊㊁下辊㊁轧件㊁入口导卫㊁出口导卫和推块组成,轧辊直径为355mm ,坯料长宽高为150mm ˑ47mmˑ11mm ㊂将轧件设为刚塑性体,采用四面体网格划分,最大网格尺寸为1.5mm ,网格尺寸比为3,其余模型设为刚体㊂1.2 材料参数和边界条件轧制模拟过程中,轧制速度为1.65m ㊃s-1,轧件与空气对流换热系数为0.02W (m 2㊃K )-1,轧件与轧辊间接触换热系数为11W (m 2㊃K )-1,T C 2合金热辐射率为0.5,推块速度为0.2m ㊃s -1,轧件与轧辊间摩擦系数为0.4㊂T C 2合金的比热㊁热导率和热膨胀系数见表1,T C 2合金的本构方程根据文献[14]获得,见式(1):̇ε=e x p (47.7)[s i n h (0.00632σ)]4.3e x p(-456000/R T )(1)式中:̇ε为应变速率,s -1;σ为流动应力,M P a ;气体常数R =8.31J ㊃(m o l ㊃K )-1;T 为绝对温度,K ㊂表1 T C 2钛合金的比热㊁热导率和热膨胀系数测试数据T a b l e1 T h e r m a l s p e c i f i c h e a t ,t h e r m a l c o n d u c t i v i t y an dc o e f f i c i e n t o f t h e r m a l e x p a n s i o no f T C 2t i t a n i u ma l l o y温度/ħ比热/(J ㊃k g -1㊃K -1)热导率/(W ㊃m -1㊃K -1)热膨胀系数/K -11002.28810.48.0ˑ10-62002.5711.38.6ˑ10-63002.8512.19.1ˑ10-64003.0413.49.6ˑ10-66003.8116.69.8ˑ10-614006.4725.51.09ˑ10-52 模拟结果与分析2.1 应变分析图2为轧制过程中轧件的应变分布,可以看出宽展方向的应变分布基本对称,因而选择其中一侧分析,具体取点位置如图2(a)所示㊂在K 7道次,轧件的P 1点右侧应变最大,说明此部分变形量最大,中心层的P 4至P 6应变先增大后减小,其中P 5和P 6之间区域应变较大,下表面P 7和P 9周围等效应变较大㊂这主要是以下2个方面的原因所导致的:首先,轧件由扁坯轧成K 7的蝶形过程中,P 1与P 3间区域发生弯曲,P 1右侧和P 9与轧辊接触时间较长,轧制过程中持续变形,变形量不断增大;其次,K 7道次轧前轧件的表面边缘温度较低,金属受挤压时流动性较差,导致轧制过程中变形不均匀㊂K 6~K 1道次P 2至P 3间和P 9周围的应变较高,因为随着轧制道次的增加,拐角周围不断受到压缩并变薄㊂294沈阳师范大学学报(自然科学版) 第40卷(a )取点示意图;(b )K 7;(c )K 6;(d )K 5;(e )K 4;(f )K 3;(g )K 2;(h )K 1图2 取点示意图及轧件截面应变分布F i g .2 S c h e m a t i cd i a g r a mo f t a k i n gpo i n t s a n d s t r a i nd i s t r i b u t i o no f t h es e c t i o n 图3 P 5和P 6点的应变变化F i g .3 S t r a i n c h a n ge s a t P 5a n dP 6在厚度方向上,轧件末端应变最低且形变量均匀,拐角区域P 3至P 6应变相近,P 9应变最高,侧边的中心层应变小于上表面应变㊂图3为各道次轧制过程中P 5和P 6的应变变化,点P 5和点P 6的应变接近于线性增长,各道次应变相比上一道次增加约0.4,说明轧件中心层应变保持着较为均匀的增长,K 7~K 1道次P 5应变均高于P 6应变,说明轧件侧边中心变形量高于拐角中心,P 5与P 6的应变差主要是在K 7道次产生的㊂2.2 温度分析在轧制过程中,轧件表面与轧辊接触是不均匀的,不同部位的变形量会有差别,同一截面坯料表面的不同部位温度也存在差异㊂T C 2合金的热加工窗口窄,要始终让坯料的温度保持在材料的塑性稳定区进行热加工㊂轧制过程中,若轧件局部温度过高,将会产生组织缺陷;若轧件温度过低,会导致坯料在轧制过程中变形抗力增大,轧制力增大,在实际生产中则引起轧辊的跳动幅度增加,甚至轧件发生开裂,导致成品性能和尺寸不符合要求㊂轧制过程中轧件截面温度如图4所示㊂轧件侧边末端及表面温度相对较低,这是因为轧件在转移过程中与空气接触损失的热量和轧制过程中轧件表面与温度较低的轧辊接触损失的热量总和大于变形与摩擦生成的热量㊂与之相反,轧件中心层未与空气和轧辊直接接触并且在轧制过程中会产生变形热,因而在各道次中,轧件中心层温度始终保持在相对较高的水平㊂K 7~K 1道次轧件P 2与P 3之间的区域和P 9周围温度较高,因为这2个位置形变量较大,变形产生的热量多㊂图5为K 7~K 3道次点P 5和P 6轧前温度变化,P 5和P 6在K 7~K 5道次的轧前温度略有升高,因为变形和摩擦产生的热量高于损耗的热量㊂K 4~K 3道次轧前温度降低明显,其中K 3道次轧前降温幅度最大,因为随着道次的增加轧件厚度逐渐减小,散热加快㊂K 2和K 1道次轧件的厚度较薄,K 2道次轧制过程中的截面温度分布如图4(h )所示,可以看出轧制过程中温度很低,最低温度在780ħ附近,低于合理的热轧温度范围,K 2道次轧前若不进行补温,在轧制过程中可能会发生塑性失稳㊂通过模拟最终确定在K 2和K 1道次轧前需将轧件补温至920ħ,补温后K 2道次轧制过程中温度如图4(f)所示,轧制过程中轧件温度重新回到合适394第6期 武小娟,等:T C 2合金L 型材热轧有限元模拟与实验热加工温度范围㊂(a )K 7;(b )K 6;(c )K 5;(d )K 4;(e )K 3;(f )K 2;(g)K 1;(h )K 2(未加热)图4 轧制过程中轧件截面温度分布F i g .4 T e m p e r a t u r ed i s t r i b u t i o no f t h es e c t i o nd u r i n g r o l l i n gpr o c e s s 图5 P 5和P 6点轧制前的温度F i g .5 T e m p e r a t u r eo f P 5a n dP 6b e f o r e r o l l i n g3 轧制实验及分析通过轧制实验对模拟结果进行验证㊂图6(a )为实验得到的T C 2合金L 型材,型材成品直线度㊁表面质量良好㊂图6(b )为模拟的型材形状,模拟结果与轧制实验结果基本一致㊂轧制过程中由于各个部位变形程度不同,会呈现不同的组织,图7为轧件在K 7,K 3和K 1道次的侧边微观组织㊂轧件经K 7道次轧制后,侧边为片层组织,其中有部分板条α相发生弯折(如箭头所示)呈波浪状,波浪状α组织垂直于(a )实验结果;(b)模拟结果图6 轧制实验与模拟结果F i g .6 R e s u l t s o f e x pe r i m e n t a n d s i m u l a t i o n 宽展方向,因挤压作用发生弯折;平行于宽展方向的组织则继续保持长条状且厚度变薄㊂随着轧制道次及应变增加,侧边组织沿宽展方向有序分布程度逐渐增强且不断细化,可以看出K 3道次的组织比K 7道次细小㊂K 1道次轧制完成后得到均匀的等轴组织且沿宽展方向有序分布㊂图8(a )~(c )分别为K 7,K 3和K 1道次拐角的微观组织,可以看出K 7道次拐角的组织相互交错程度比侧边更加复杂,因为拐角同时受到来自下辊和上辊左右两侧给的不同方向的力并压缩,金属流动方向不一㊂K 7~K 3道次拐角的组织扭曲混乱交织分布且细化,K 3道次与K 7道次相比球形α相增多㊂K 1道次拐角为均匀细小无规则分布的等轴组织㊂494沈阳师范大学学报(自然科学版) 第40卷(a )K 7;(b )K 3;(c )K 1图7 不同道次轧件的侧边微观组织F i g.7 S i d em i c r o s t r u c t u r eo f r o l l e d p i e c e i nd i f f e r e n t p a s s e s (a )K 7;(b )K 3;(c )K 1图8 不同道次轧件的拐角微观组织F i g .8 C o r n e rm i c r o s t r u c t u r eo f r o l l e d p i e c e i nd i f f e r e n t pa s s e s 4 结 论1)轧件等效应变随着轧制道次的增加逐渐增大,中心层的应变增加较为均匀,拐角周围应变较大,侧边末端应变最低;K 7~K 5道次轧前轧件的温度略微升高,K 4~K 3道次轧前轧件的温度显著降低,轧制过程中轧件中心层温度始终相对较高,K 2和K 1道次轧前需对轧件补温至920ħ㊂2)轧制实验获得直线度和表面质量良好的L 型材,模拟结果与实验结果基本一致㊂K 7~K 3道次轧件的组织逐渐细化,拐角组织呈无规则混乱分布,侧边组织随着道次增加沿宽展方向呈有序分布,型材成品为均匀细小的等轴组织㊂参考文献:[1]王星光.置氢T C 2钛合金板材热成形性能研究[D ].哈尔滨:哈尔滨工业大学,2015.[2]吴钒,彭和平.退火态T C 2钛合金板材各向异性研究[J ].热处理技术与装备,2020,41(1):14.[3]张涛,李琦,何露,等.T C 2钛合金异型件热成形工艺研究[J ].航空制造技术,2011(16):5759.[4]T I A N XJ ,Z HA N G S Q ,L IA ,e ta l .E f f e c to fa n n e a l i n g t e m p e r a t u r eo nt h en o t c hi m p a c t t o 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