材料韧性断裂的主要影响因素

材料韧性断裂的主要影响因素

1材料的断裂准则内六角螺钉广泛应用于机械工程、建筑、汽车、硬件等行业，每年都非常流行。内六角螺钉一般采用35K冷镦钢为原材料,采用下料、头部镦粗及内六角成形的工序进行生产。在生产中,经常出现内六角头开裂的情况,开裂位置也不固定(如图1所示),废品率比较高,部分品种冷镦开裂率有时高达20%,给企业带来了很大损失。对材料的断裂已有过许多研究,从实验模拟和理论分析等方面已提出过许多断裂准则。使用过程中,一般是将断裂准则与有限元模拟相结合,例如使用Oyane,Brozzo等断裂准则对板料成形过程可能产生的缺陷进行预测;利用Freudenthal,CockcroftandLatham等断裂准则对棒材多道次拉伸过程中产生的裂纹进行预测。随着高性能计算机的普及和计算方法尤其是有限元技术的发展,使得预测冷镦变形过程中的缺陷成为可能。断裂准则是预测塑性成形过程中缺陷的基础。笔者采用Oyane韧性断裂准则对冷镦过程进行分析,采用有限元模拟的方法,对以35K为材料的内六角螺钉的冷镦成形过程进行分析,探讨六角头易于开裂的部位及其原因,从而为设计更加合理的成形工艺提供依据。2弹性误差规则2.1大学生能够正确发生断裂材料的成形性能与工件中的应力、应变以及应变速率的大小、变形温度的高低有关,是各种因素综合影响的结果。金属塑性成形时,材料很少发生脆性断裂,基本是韧性断裂。一般用孔洞理论来解释韧性断裂,就是材料在加工过程中,因为受到应力的作用而产生孔洞,孔洞进一步长大、合并最终导致裂纹的产生,材料就发生了断裂。基于孔洞理论,Oyane准则认为当应变达到某临界值(与材料有关)时,断裂现象发生,该准则由式(1)表示1c∫ε¯f0(1+Aσmσ¯)dε¯=I(1)1c∫0ε¯f(1+Aσmσ¯)dε¯=Ι(1)其中A,c是与材料有关的常数,可以通过材料的压缩实验获得;σ¯σ¯为等效应力;ε¯ε¯为等效应变;ε¯ε¯f为材料发生断裂时的等效应变,该式还考虑了静压力的影响。Oyane准则认为:当左端积分值I达到1时,即认为材料开始发生韧性断裂。因此通过积分值I的大小可以判断出工件开裂的倾向性。2.2试样尺寸及裂纹情况实验所用材料为35K冷镦钢,试样直径(D0)为8mm,取高径比(H0/D0)为1,1.1,1.2,1.25,1.3的5组试样,设备为150t液压机,速度设定为9.8mm/s。分多阶段压缩,每次压缩量约为总高度的10%,记录每个阶段的方格的高度H、宽度D,直到试样表面出现肉眼可见裂纹,如图2所示,一般为45°斜裂纹,都是从圆柱鼓形处开始开裂。计算鼓形开裂位置各阶段的轴向及径向应变大小。根据记录的试样塑性应变路径,按照Levy-Mises方程计算出35K冷镦钢断裂准则中的常数值:A=0.32,c=0.126。3节点c的几何积分图3为冷镦某内六角螺钉的简化工艺过程,共分为4个工序:前3个为预镦,第4个镦出内六角,模拟软件为Marc/SuperForm,材料为35K冷镦钢,摩擦因数取为0.3,冷镦速度设定为50mm/s,坯料长度L=40mm,直径为11.7mm,划分单元总数为1000。模具尺寸取自生产实际。在前3个工序中,无论工件及模具均满足轴对称的条件,为了减少运算量,模型采用轴对称状态;而第4工序冷镦内六角的过程已经不满足轴对称条件,仅取模型的1/4进行分析。螺钉的杆部较长,且在生产中很少发生开裂,因此仅取头部及一段杆部进行分析。通过压缩试验计算出35K冷镦钢的断裂准则中的常数:A=0.32,c=0.126,将参数写入子程序,代入计算模型,通过编制程序,读出Marc中保存的每个节点的应力应变值,从而能够实现每个节点I积分的计算,并用等值线图显示出来。运算后I积分值分布如图4所示。从图4可以看出:随着变形程度的增加,I积分值也越来越大,这也说明了I积分值是一个累积值,与变形历史有关。螺钉根部以下即杆部位置的I积分值很小,这说明正常情况下螺钉杆部基本不会发生开裂现象,这点在生产实践中也得到了验证。随着变形程度的增加,I积分值也一直在增加,第1工序时最大积分值仅为0.22,而第4工序时竟达到了1.44,已经有了开裂的倾向,而且分布规律相同,都是工件表面积分值最大,然后向工件内部递减。图4还显示:在前两工序中积分值较小,最大不超过0.5,开裂倾向较小,而后两工序积分值较大。在前两工序中,最大I积分点都位于工件表面的同一点,从积分值的分布状态来看与镦粗过程很相似。第3工序时,在凸模的镦挤下,金属向轴向及径向流动,变形主要发生在头部。由于凸模的台阶部分不断挤压金属流向外面的凹模,使得这部分金属应变很大,从而造成了如图4c所示的I积分值较大的现象,而且最大的积分值也在这个区域。从工序4的I积分分布情况来看,等值线主要集中在螺钉头部,但是值得注意的是:最大的积分值不是出现在应变最大的六角头端部,而是在螺钉根部,其最大积分值达到了1.44,破裂的可能性较大,而且螺钉头部外壁上的积分值也较大。从内六角外壁节点的I积分分布图(图5)也可以看出:螺钉端面及外侧面上半部分的I积分值很小,而外侧面下半部及螺钉根部的积分值则较大,螺钉杆部的积分值基本为零,甚至为负值,说明杆部发生开裂的可能性比较小。实际生产中内六角螺钉经常在螺钉头部端面、角部以及螺钉根部发生开裂现象,很少在螺钉杆部发生开裂,而I积分分布图也反映了这一现象,与实际基本吻合。从图5也可看出:螺钉表面的积分值较大而内部的相对较小,这也说明螺钉头部易于从表面发生开裂。4螺钉表面积分值i(1)通过材料镦粗实验,得出了35K的材料常数A=0.32,c=0.128。(2)前3工序中积分值I都小于1,因此工件开裂的倾向性较小;而在第4工序中,在螺钉根部及角部等位置积分值I都大于1,说明开裂的倾向性较大,因此需要采取措施,提高材料的成形能力,防止工