基于Deform的Cr20Ni80合金锻造过程的裂纹成因分析

洪 宇，周晓龙

1.广东省半导体产业技术研究院，广东 广州 510650；2.昆明理工大学材料科学与工程学院，云南 昆明 650093

Cr20Ni80合金是一种将铬熔于镍且具有奥氏体组织的电热合金[1].该合金具有电阻率稳定、熔点高、热膨胀系数小等诸多优点[2-3]，被广泛应用于应力应变元件、电加热元件以及特种仪表电子元器件的制备[4].

目前，国内外学者对Cr20Ni80电热合金的制备、性能与改进做了大量的研究，如潘丽霞[5-6]等人发现固溶时效和添加稀土元素有利于细化Cr20Ni80合金晶粒度，提高Cr20Ni80合金的力学性能；T.Hupf[7]等人在研究线状Cr20Ni80合金中，发现Cr20Ni80合金的性能与纯元素的平均性能有很大的不同.在实际生产中，Cr20Ni80合金锻造过程中易出现开裂现象，而针对此现象如何控制与改善的研究较少.

随着计算机的发展，数值模拟已被广泛应用于材料裂纹成因分析的研究，如Takuda[8]等人通过分析比较，发现韧性断裂准则中的Brozzo准则、CockcroR-Latham准则和Oyane准则可以较好的预测材料成形过程中的断裂情况；梁晓宇[9]等人利用Deform数值模拟及其实验找出影响12Cr钢锻造开裂的主要因素，并给出控制与改善裂纹扩展的条件和方法，提高了其综合性能；刘革[10]等人分析了42CrMo钢在锻造过程中的损伤演化规律，通过模拟试验，发现当速率为0.3 s-1、温度为1150 ℃时，大锻件在锻造过程中的塑性最好，适于高温锻造.

鉴于国内外对Cr20Ni80合金的研究现状，本文利用Deform软件对合金的锻造过程进行模拟，并对锻造过程中的应力、应变等进行分析，找出锻造过程中产生微裂纹的影响因素，进而在实际生产中通过控制这些因素来提高锻件的质量，为今后对Cr20Ni80材料的研究发展奠定基础.

1 Cr20Ni80合金模型的建立

为了使锻造过程的模拟更准确以及缩短模拟时间，将原材料的模拟形状和尺寸进行简化，经综合考虑，本次模拟选取高50 mm、底面直径225 mm的圆柱体作为模拟对象.将一个高1440 mm、底面直径225 mm圆柱体形状的Cr20Ni80合金毛坯，锻造成底面为正方形(边长为50 mm)的长方体棒材.用Deform软件建立Cr20Ni80合金的初锻模型，其锻造前的形状如图1(a)所示.坯料设置为塑性体，上、下模具均设为刚体[11].上下模都导入后的示意图如图1(b)所示.锻造前在坯料上选取3个点P1，P2，P3，如图1(c)所示.锻造后3个点P1，P2，P3位置的示意图，如图1 (d)所示.利用软件变形体上点坐标追踪功能提取3个点的整个变形过程的状态量.

图1 锻造前后样品的示意图(a) 锻造前形状；(b)上下模导入后的状态；(c)坯料上选取3个点；(d)锻造后样品的3个点Fig.1 Schematic diagram of samples before and after forging (a)the shape before forging；(b) the shape of the upper and lower die introduced；(c)the 3 points on the blank；(d) three points after forging.

2 Cr20Ni80合金在锻造过程中的应力分布分析

Cr20Ni80合金的锻造温度一般为800～1200 ℃.在Cr20Ni80合金锻造过程中，会出现部分位置的应力大于Cr20Ni80合金抗拉强度650 MPa的情况，而导致微裂纹的产生.现将模拟过程中应力大于抗拉强度的步骤列出来，如图2所示.它们分别是锻造模拟过程中第195步、225步、255步和320步的示意图.

图2 等效应力大于抗拉强度的步骤示意图Fig.2 Schematic diagram of the equivalent stress greater than the tensile strength

随着时间延长，Cr20Ni80合金的温度逐渐降低，锻造应力逐渐增大.从图2看出，应力大于抗拉强度的步骤，都出现在模拟的后阶段，因此可得出这种情况与温度下降有很大的关系.为了更清楚地说明温度变化对锻造应力的影响，现将坯料的温度设置为恒定的，即用等温变形代替非等温变形，选择Cr20Ni80合金锻造温度范围的最低温度800 ℃和最高温度1200 ℃分别进行等温变形的模拟分析[12-13].

3 Cr20Ni80合金的等温变形分析

3.1 等效应力分布

图3分别是800 ℃等温锻造时第30步、120步、210步和270步材料的等效应力分布图，其中左边是等效应力分布图，右边是对应等效应力的等高线分布图.从图3可看出，在800 ℃下等温锻造时，材料所受的等效应力较大，并且大面积范围的应力都超过了Cr20Ni80材料的抗拉强度650 MPa.因此，在800 ℃下锻造容易出现应力集中而导致坯料大面积的变形、开裂.

图4分别是1200 ℃等温锻造时第30步、120步、210步和270步材料的等效应力分布图，其中左边是等效应力分布图，右边是对应等效应力的等高线分布图.从图4可看出，在1200 ℃下等温锻造时，材料所受的等效应力比较小，并且整个模拟过程中材料所受的应力都小于材料的抗拉强度650 MPa.因此，在1200 ℃下进行锻造不会出现因应力过大而导致开裂的情况.

图3 800 ℃等温锻造时合金的等效应力分布图Fig.3 Equivalent stress distribution of alloy under the condition of 800 ℃ isothermal forging

图4 1200℃等温锻造时合金的等效应力分布图Fig.4 Equivalent stress distribution of alloy under the condition of 1200 ℃ isothermal forging

3.2 载荷/行程曲线分析

图5为Cr20Ni80合金在800，1200 ℃的载荷/行程曲线.由图5(a)、5(b)可知，材料在800 ℃等温条件下载荷/行程曲线的z轴受力为107数量级.说明材料在温度比较低时，容易出现变形抗力比较大的情况，所需的载荷也比较大，这样便会导致应力集中而出现裂纹.由图5(c)、5(d)可知，在1200 ℃条件下锻造所受的最大载荷较低.因此，Cr20Ni80合金在较高的温度下锻造所受的载荷较低，材料的变形抗力较小，不会因应力集中而出现裂纹.

3.3 点迹追踪分析

在800 ℃等温锻造过程中，选择3个点进行受力追踪分析，得到3个点的应力示意图，如图6(a)、6(b)所示.从图6(a)、6(b)可看出，在800 ℃下材料所受的应力较大，并且大部分的步骤都超过了材料的抗拉强度650 MPa.因此，在800 ℃下进行锻造会使材料严重变形和开裂，甚至损坏锻件.在1200 ℃等温锻造过程中，选择3个点进行受力追踪分析，得到3个点的应力示意图，如图6(c)、6(d)所示.从图6(c)、6(d)可看出，在1200 ℃条件下材料所受的应力较小，并且远低于Cr20Ni8合金的抗拉强度650 MPa，比800 ℃等温变形和非等温变形模拟过程中所受的应力小很多，因此在1200 ℃下进行锻造是不会出现裂纹的.Cr20Ni80合金在800 ℃条件下锻造所受的应力较大，在这个温度或是更低温度下进行锻造会使材料变形甚至开裂.因此，Cr20Ni80材料应在高于800 ℃的温度下进行锻造，才能得到高质量的锻件.

图5 在800 ℃和1200 ℃等温锻造时合金的载荷/行程曲线Fig.5 Load vs displacement curve of alloy isothermal forging at 800 ℃ and 1200 ℃

图6 在800 ℃和1200 ℃下材料锻造的应力分布图Fig. 6 Stress distribution diagram of material forging at 800 ℃ and 1200 ℃

4 Cr20Ni80合金锻造条件的分析

4.1 Cr20Ni80合金的最佳锻造温度

采用Steam hammer-1000 lb(能量10304000 N·mm，落锤效率0.85，落锤质量0.4532 N·s2/mm)，分别在850，880，890，900，910，920 ℃对合金材料进行锻造，其第2步、7步的等效应力分布如图7所示.

图7 不同温度下锻造第2步、7步的等效应力分布图Fig.7 Distribution of equivalent stress of forging under different temperatures

从图7可看出，材料在不同温度下锻造所产生的应力并不相同，随着温度的升高，坯料所受的应力逐渐减小.图7显示，材料在910 ℃锻造时产生的应力值和抗拉强度非常接近，而在920 ℃时受到的应力低于抗拉强度.材料在910 ℃以上进行锻造可以使材料所受的应力较小，并且与Cr20Ni80合金的抗拉强度650 MPa值非常接近.因此，在高于910 ℃温度下锻造可避免裂纹的产生，得到高质量的锻件.

4.2 锻锤的能量分析

选择Deform软件中自带的Steam hammer-1000 lb，Steam hammer-6250 lb，Steam hammer-10000 lb这三种蒸汽锤分别在温度为900，910，920 ℃时对合金材料进行锻造，其第6步的应力分布如图8～10所示.

图8 900 ℃时不同锻锤锻造第6步的应力分布图 (a)Steam hammer-1000 lb; (b)Steam hammer-6250 lb; (c)Steam hammer-10000 lbFig.8 Different hammer forging force at 900 ℃

图9 910 ℃时不同蒸汽锤锻造第6步的应力分布图(a)Steam hammer-1000 lb；(b)Steam hammer-6250 lb；(c)Steam hammer-10000 lbFig. 9 Different hammer forging force at 910 ℃

图10 920 ℃时不同蒸汽锤锻造第6步的应力分布图(a)Steam hammer-1000 lb；(b)Steam hammer-6250 lb；(c)Steam hammer-10000 lbFig.10 Different hammer forging force at 920 ℃

从图8～10可看出，蒸汽锤能量不同时锻造所产生的应力也是不相同的，但是最大应力值与所用蒸汽锤的能量大小并没有呈规律的变化，说明应力的大小与锻造能量的大小没有太大的关系.从图8可看出，在900 ℃锻造时应力值都高于Cr20Ni80合金的抗拉强度650 MPa.从图9可看出，在910 ℃锻造时，其最大应力值与Cr20Ni80合金的抗拉强度650 MPa很接近.从图10可看出，在920 ℃锻造时，其最大应力值都远低于Cr20Ni80合金的抗拉强度650 MPa.这说明在锻造Cr20Ni80合金时为了避免微裂纹的产生，合金的锻造温度应为910～1200 ℃.

从图8～10可得出，锻造能量与微裂纹的产生没有直接的关系.虽然模拟结果中没有体现变形量与应力之间的关系，但是从理论上应力的大小和变形量的大小是有关系的，材料锻造时抵抗变形的应力值随着变形量的增大而增大.当变形量过大时，容易出现应力集中，甚至产生裂纹[14].因此，在锻造过程中应注意控制变形量的大小，否则会因为变形量过大而使锻件的表面出现微裂纹.

5 结 论

Cr20Ni80合金在锻造过程中，随着时间的推移，温度逐渐降低，锻造应力逐渐增大，会出现应力大于抗拉强度650 MPa，从而导致微裂纹的产生.Cr20Ni80合金在800 ℃等温条件下锻造时，其应力最大值大于Cr20Ni80合金的抗拉强度650 MPa，会出现微裂纹；在1200 ℃等温条件下锻造时，其应力最大值远低于其拉强度650 MPa，可以得到高质量锻件.为了避免微裂纹的产生，其锻造温度应该为910～1200 ℃.

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