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塑性应变能密度对SCM435线材表面褶皱缺陷的影响

发布时间:2021年04月06日 作者:苏州瑞厚 点击:91次

  针对SCM435冷镦钢线材轧制表面褶皱缺陷,通过Gleeble热模拟实验与有限元分析的方法,研究塑性应变能密度与表面褶皱缺陷的关系,基于塑性应变能密度讨论粗轧孔型对轧件表面褶皱缺陷发生倾向性的影响。结果表明:塑性应变能密度越大、分布越集中,轧件表面发生塑性失稳、产生褶皱缺陷的倾向性就越大;优化粗轧机组中R3,R5孔型,坯料角部对应部位附近的表面塑性应变能密度明显降低,线材褶皱缺陷显著减少。

  SCM435冷镦钢线材是生产高强度紧固件的常用材料,一旦热轧过程中线材表面产生褶皱缺陷,其在后续加工中将会产生拉拔断裂、冷镦开裂等严重问题[1-2]。线材表面褶皱缺陷是指沿轧件纵向呈多条集中出现的簇状浅微裂纹,深度0.1 mm左右。研究认为,线材表面褶皱缺陷主要是在粗轧过程中造成的,多出现于坯料角部对应区域附近。

  褶皱缺陷也可看作是一种微小的裂纹,褶皱的产生与材料塑性失稳密切相关。很多学者从断裂韧性及应变能密度的角度对塑性变形过程中裂纹的产生进行分析和预测。Sih[4] 研究了组合应力场中裂纹扩展过程,发现韧性断裂及裂纹扩展方向受应变能密度临界值的控制,当应变能密度达到临界值时裂纹开始扩展;

  基于热力学分析,认为材料的塑性失稳是由于内力相互作用而引发的,基于应变能密度的分析可对材料的塑性失稳进行有效预测;陈关龙等[6] 基于有限元法并结合断裂准则,对金属成形中韧性断裂进行了预测;薛明阳等对不同应变速率下球栅阵列(bump grid array,BGA)焊球剪切断裂行为进行了试验与模拟分析,得出应变速率越高,等效应力越大,塑性应变能密度越大,越易导致裂纹的萌生,从而使焊球失效。上述关于裂纹与塑性应变能密度关系的研究为褶皱缺陷的分析提供了重要的借鉴和参考。

  对于孔型轧制中表面褶皱缺陷控制方面的研究,多数学者采用有限元法优化孔型设计,以改善轧制规程,减少表面缺陷的产生。Kwon等[8] 采用有限元软件CAMProll对线材轧制过程进行分析,发现线材表面的褶皱缺陷主要起源于粗轧阶段,而且集中出现于轧件角部区域,认为褶皱缺陷的产生与特定变形能量有关,变形能越大,越易导致塑性失稳,产生表面褶皱缺陷;Lee等[9] 通过对两种不同成分的钢材进行热模拟压缩试验,绘制其热加工图,计算得到不同变形条件下的塑性功,发现塑性功越大,材料表面越易产生褶皱缺陷,加工图中表现出的失稳区间也就越大;Awais等[10] 引入一个新的参量并通过有限元模拟,结合孔型尺寸分析,发现孔型的圆角半径对线材表面缺陷有重要影响,孔型中欠充满量大于0.254 mm时会出现潜在裂纹,孔型中欠充满量小于0.254 mm时没有出现裂纹;Son等[11] 通过在钢坯表面不同位置留下刻痕实验并结合CAMproll模拟,对低碳钢线材轧制过程中表面缺陷变形行为进行研究,得出椭圆-圆孔型系统有利于减小表面裂纹深度,裂纹初始位置是决定最终裂纹大小的重要因素;Topno等[12] 通过对原轧制孔型进行优化来保证轧件在椭圆孔型变形量波动最小化,提高孔型的充满度,表面缺陷显著减少。可见,孔型对轧件表面质量具有重要影响,孔型优化是提高线材表面质量的重要手段。为此,笔者针对SCM435冷镦钢线材轧制表面褶皱缺陷,采用实验结合有限元分析的方法,研究塑性应变能密度与表面褶皱缺陷的关系,通过孔型优化降低粗轧过程中轧件表面关键部位的塑性应变能密度,减少线材表面褶皱缺陷。

  结论:

  1) SCM435热压缩实验和有限元仿真分析表明:试样变形时的表面褶皱缺陷是塑性失稳的一种表现,可用塑性应变能密度作为材料表面塑性失稳的判断依据;变形温度越低、应变速率越大、应变程度越大时,试样表面塑性应变能密度也越大,出现表面褶皱缺陷的可能性也越大。

  2) 优化粗轧机组中的R3,R5 道次椭圆孔型尺寸,可降低坯料角部对应部位附近的表面塑性应变能密度,减小轧件表面褶皱缺陷发生的可能性。试轧生产表明,优化孔型可显著改善线材褶皱缺陷。


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