DT14钢高温临界损伤值测定与计算机模拟

栗文锋 韩笑宇

(天津重型装备工程研究有限公司，天津300457)

型钢轧辊及立辊因长期处于恶劣的工况条件下，时常经受高温、高载荷的冲击，因此需要具有良好的抗热裂性、耐磨性、耐腐蚀性等性能。具有良好综合力学性能的锻造半钢，是制造型钢轧辊及立辊的重要材料，但材质本身碳合金含量高，在热成形过程中极易产生裂纹，即韧性断裂。韧性断裂是指材料在断裂前产生了明显的宏观变形的断裂。在塑性成形过程中，金属内部损伤会不断积累，最终达到一个临界值，材料产生裂纹，该临界值即为材料的临界损伤值[1]。

国内外专家学者对临界损伤值都有不同程度的研究[2]，并建立多种损伤模型，通过计算机软件模拟与物理实验相结合，来预测实际生产中裂纹的形成。这些断裂准则主要是基于应力、应变或应变速率综合考虑提出的，例如Freudenthal以单位体积塑性为参数建立的材料发生大变形时的韧性断裂准则；Cockcroft & Latham损伤模型；Oyane韧性断裂模型；McClintock材料韧性断裂判断准则以及Rice和Tracey共同提出的三向应力作用下材料的韧性断裂准则等。

半钢材质热态成形过程中容易产生裂纹缺陷，在实际生产中，不同的变形温度和应变速率又会对材料的塑性造成影响，导致临界损伤值的变化。为采用有限元数值模拟软件对轧辊及立辊锻造过程中裂纹的形成进行预测，需要得到不同温度和应变速率下的临界损伤值。本实验基于Normalized Cockcroft & Latham损伤模型，对临界损伤值的实验测定方法进行了理论分析与研究。并引入一种基于Normalized Cockcroft & Latham损伤模型和Gleeble Fracture Limit试验结合的临界损伤值测定方法，得到了在变形温度为750～1200℃、应变速率为0.01 s-1条件下材料DT14钢的临界损伤值。并通过计算机模拟，对锻造过程中裂纹产生的倾向进行了预测。

1 高温拉伸实验

1.1 实验方案

实验材料为我公司为立辊开发的DT14锻造半钢材质，化学成分如表1所示。

表1 DT14钢的化学成分(质量分数，%)Table 1 Chemical composition of DT14 steel (Mass, %)

图1 试样及其尺寸示意图Figure 1 Schmatic diagram of sample and its dimension

拉伸试样尺寸如图1 所示。实验前在试样中心位置进行标记，距离为25 mm。

高温拉伸实验在Gleeble-3500热模拟实验机上进行。试验过程中，试样在Gleeble-3500热模拟实验机上以恒应变速率进行等温高温拉伸变形，试验以10℃/s的速度将试样加热到750～1200℃，保温180 s后，以0.01 s-1的应变速率进行拉伸，其高温拉伸工艺如图2所示。拉伸过程中，Gleeble试验机自动采集记录数据，试验结束后，根据采集的数据绘制DT14半钢的工程应力-应变曲线和真实应力-应变曲线。

图2 高温拉伸工艺Figure 2 Stretching process at high temperature

1.2 实验结果

Normalized Cockcroft & Latham损伤模型，或称韧性断裂准则。该准则认为，对于韧性金属材料，当积累损伤达到一个临界值C时，即当塑性变形中的拉伸应力达到一个极限值时，断裂发生。C值也称损伤因子，计算如下式：

(1)

张菁丽等人研究[3]认为，在拉伸过程中，裂纹是由拉伸方向的真应变造成的，因此上式中的等效应力和等效应变可以做简化处理，即用拉伸的真应变代替等效应变，用最终拉伸强度代替等效应力，得到最终的公式为：

(2)

其中，σlimit为极限应力；σUTS为材料的拉伸强度；εlimit为极限应变。

对高温拉伸的实验数据进行处理，得到DT14钢不同温度的工程应力-应变曲线及真应力-应变曲线。根据简化后的计算公式(2)，计算材料的损伤值C，得到变形温度为750～1200℃、应变速率为0.01 s-1条件下DT14钢的临界损伤值，结果如表2所示，损伤值随温度变化曲线如图3所示。

表2 不同温度下的临界损伤值Table 2 Critical damage value at different temperature

图3 损伤值随温度变化曲线Figure 3 Curve of damage vaule versus temperature

2 计算机模拟分析

通过高温拉伸试验与该模型结合可以测定材料在不同温度的临界损伤值C。在DEFORM-3D模拟软件中，我们可以通过下式得到C值的分布云图，从而利用有限元模拟软件预测半钢材质锻件在锻造过程中的开裂情况。损伤模型进行离散化处理，公式如下：

Deform-3D模拟软件用户子程序USRUPD是一个用户定义节点和单元变量的子程序，用户可以通过定义特殊的节点或单元变量实现后处理中不具备的参量的计算功能。为了计算C值，我们对用户子程序USRUPD进行处理，以下为计算C值的部分语句：

IF(ISTATUS.EQ.1.AND.KELE.GT.0) THEN

USRE2(1)=USRE1(1)

USRE2(1)=TEPSE

CALL MAXPRN(STSE,PRNSTS,IFLG)

IF(IFLG.EQ.0)D=PRNSTS

USRE2(2)=USRE1(2)

USRE2(2)=USRE2(2)+(TEPSE-USRE1(1))*D/EFSTSE

ENDIF

2.1 模拟方案及建模

根据我公司辅具尺寸及钢锭大小在Pro/E里建模，如图4所示。镦粗辅具采用上凹面镦粗板+下漏盘。KD拔长选用我公司1200 mm宽上、下V型砧。拔长出成品先用400 mm上平下V型砧。选取镦粗比2.5，压下速度为5 mm/s，钢锭选

用我公司36 t下注锭，炼钢方式采用LH+MBC。锻造工艺为：压钳口→镦粗→KD拔长→出成品。

2.2 模拟结果分析

利用Deform-3D软件进行计算机模拟，对比分析坯料在镦粗、KD拔长以及出成品过程中各处C值的大小以及开裂倾向。图5(a)所示为镦粗及KD拔长时损伤值C在坯料内部的分布情况。在镦粗时，可以看出，C值主要分布在表层，从内部向外逐渐降低，这与坯料在镦粗过程中表面受拉应力相符。从模拟结果来看，表面C值最大达到0.397，小于我们通过高温拉伸实验测得的结果，可以认为镦粗时，坯料的高温损伤值处于安全范围内。

图5(b)所示为坯料在KD拔长时损伤值C的分布云图。可以看出，在图中箭头所示位置C值高于0.54，材料开裂的倾向比较大，这主要是因为钳把与坯料锭身的圆角处在拔长过程中容易产生应力集中，锭身底部末端损伤值也比较高的位置，这主要是KD拔长效率比较高，如压下量过大，端部所受拉应力较大，也会造成材料达到临界C值，最终塑性开裂。

图4 计算机模拟建模Figure 4 Computer simulation modeling

图5 镦粗及KD拔长过程中C值的分布情况Figure 5 Distribution of value C at process of upsetting and KD drawing

图6 出成品时C值和等效应变的分布情况Figure 6 Value C and distribution of equivalent strain at time of producing finished product

图6(a)所示为轧辊成品在锻造终了时损伤值C的分布云图。从图6可见，在小辊颈处，特别是辊身与辊颈相接处的C值比较大，开裂倾向也最大。图6(b)是轧辊对应的等效应变分布图，等效应变云图较大的区域相应C值也比较大，可见C值与等效应变有一定的关系。

3 结论

(1)通过Gleeble Fracture Limit物理试验，测得了在变形温度为750～1200℃、应变速率为0.01 s-1条件下材料DT14钢的临界损伤值。

(2)通过计算机模拟研究分析，在镦粗时材料的损伤值最大为0.397，材料处于安全范围内。在KD拔长时，在坯料的钳把与锭身圆角处及锭身底部区域有发生开裂的倾向，在最后出成品火次，辊颈与辊身的圆角处损伤值超过了材料的临界值，材料开裂的倾向较大。

[1] 张菁丽，陈学文，刘泽虎. 支承辊材料45Cr4NiMoV钢高温临界损伤值测定方法与试验[J]. 塑性工程学报，2012，19(3)：44-47.

[2] 方刚，雷丽萍，曾攀. 金属塑性成形过程韧性断裂的准则及其数值模拟：海内外青年设计与制造科学会议[C]. 2002．

[3] 邓冬梅. 大型锻件锻造新理论与新工艺的数值模拟[D]. 秦皇岛：燕山大学，2000．

[4] Jing Guo, Bo Liao, Li-Gang Liu, et al. Forging limit of a novel high-speed-steel cold work roll based on ductile fracture criteria by finite element model[J]. Materials and Design，2013，52(24)：1027-1034．

[5] 贾薇. 大型锻件镦粗工艺理论的研究[J]. 大型铸锻件，2005(2)：4-5．

[6] 曾志朋. DEFORM软件的二次开发与大型锻件锻造工艺优化[D]. 北京：机械科学研究院，2002.