维普资讯 http://www.cqvip.com 韧性断裂准则的研究及其在冷镦成形过程中的应用 杨树宝，陈大宏，阎军 （安徽工业大学材料科学与工程学院，安徽马鞍山２４３００２） 摘要：塑性成形过程中，材料的韧性断裂是主要约束因素之一。本文用实验与有限元法结合的方法，对几种有代表 性的韧性断裂准则进行了分析。结果说明以孔洞理论为基础的Ｏｙａｎｅ断裂准则能够较准确的预测成形中的启裂位 置，与实验结果相吻合。同时将Ｏｙａｎｅ断裂准则用于冷镦内六角螺钉成形过程中，结果与实际生产相符合。 关键词：冷镦；韧性断裂；有限元；内六角螺钉 Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ｏｎ Ｄｕｃｔｉｌｅ Ｆｒａｃｔｕｒｅ Ｃｒｉｔｅｒｉａ ａｎｄｔｈｅ Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｉｎ Ｃｏｌｄ Ｈｅａｄｉｎｇ Ｐｒｏｃｅｓｓ Ｙａｎｇ Ｓｈｕｂａｏｌ，Ｃｈｅｎ Ｄａｈｏｎｇ，Ｙａｎ Ｊｕｎ （Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ｍａｔｅｒｉａｌ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ａｎｈｕｉ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｍａ’ａｎｓｈａｎ ２４３００２ Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ： Ａｎ ｉｍｐｏｒｔａｎｔ ｃｏｎｃｅｒｎ ｉｎ ｍｅｔａｌｗｏｒｋｉｎｇ ｐｒｏｃｅｓｓｅｓ ｉＳ ｗｈｅｔｈｅｒ ｔｈｅ ｄｅｓｉｒｅｄ ｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ ｃａｎ ｂｅ ａｃｃｏｍｐｌｉｓｈｅｄ ｗｉｔｈｏｕｔ ｆａｉｌｕｒｅ ｏｆ ｔｈｅ ｍａｔｅｒｉａ１．ＴｈｉＳ ｐａｐｅｒ ｄｅｓｃｒｉｂｅｓ ｔｈｅ ｕｔｉ１ｉｚａｔｉｏｎ ｏｆ ｄｕｃｔｉｌｅ ｆｒａｃｔｕｒｅ ｃｒｉｔｅｒｉａ ｉｎ ｃｏｎｊｕｎｃｔｉｏｎ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｆｉｎｉｔｅ ｅｌｅｍｅｎｔ ｍｅｔｈｏｄ ｆｏｒ ｐｒｅｄｉｃｔｉｎｇ ｓｕｒｆａｃｅ ａｎｄ ｉｎｔｅｒｎａｌ ｆａｉｌｕｒｅｓ ｉｎ ｃｏｌｄ ｍｅｔａ１ｗｏｒｋｉｎｇ ｐｒｏｃｅｓｓｅｓ． Ｆｏｕｒ ｐｒｅｖｉｏｕｓｉＦ ｐｕｂｌｉｓｈｅｄ ｄｕｃｔｉｌｅ ｆｒａｃｔｕｒｅ ｃｒｉｔｅｒｉａ ａｒｅ ｓｅｌｅｃｔｅｄ， ａｎｄ ｔｈｅｉｒ ｒｅｌａｔｉｖｅ ａｃｃｕｒａｃｙ ｆｏｒ ｐｒｅｄｉｃｔｉｎｇ ａｎｄ ｑｕａｎｔｉｆｙｉｎｇ ｆｒａｃｔｕｒｅ ｉｎｉｔｉａｔｉｏｎ ｓｉｔｅｓ ｉＳ ｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｅｄ．Ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔ ｉｍｐｌｉｅｄ ｔｈａｔ：Ｏｙａｎｅ ｄｕｃｔｉｌｅ ｆｒａｃｔｕｒｅ ｃｒｉｔｅｒｉａ ｗｈｉｃｈ ｉＳ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｖｏｉｄ ｇｒｏｗｔｈ ｍｏｄｅｌ ｃａｎ ｓｕｃｃｅｓｓｆｕｌｌｙ ｐｒｅｄｉｃｔ ｔｈｅ ｌｏｃａｔｉｏｎ ａｔ ｗｈｉｃｈ ｆｒａｃｔｕｒｅ ｉｎｉｔｉａｔｅｓ ｏｎｌｙ，ａｎｄ ｈａｓ ａ ｇｏｏｄ ａｇｒｅｅｍｅｎｔ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｓ．Ｗｈａｔ’Ｓ ｍｏｒｅ，Ｏｙａｎｅ ｄｕｃｔｉ ｌｅ ｆｒａｃｔｕｒｅ ｃｒｉｔｅｒｉａ ｉＳ ｕｓｅｄ ｔｏ ｐｒｅｄｉｃｔ ｔｈｅ ｆｒａｃｔｕｒｅ ｏｆ ｓｏｃｋｅｔ ｈｅａｄ ｓｃｒｅｗｓ ｉｎ ｃｏｌｄ ｈｅａｄｉｎｇ．Ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔ ｈａｓ ａ ｇｏｏｄ ａｇｒｅｅｍｅｎｔ ｗｉ ｔｈ ｔｈｅ ｒｅａｌ ｉ ｔｙ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｃｏｌｄ ｈｅａｄｉｎｇ：ｄｕｃｔｉ ｌｅ ｆｒａｃｔｕｒｅ；ＦＥＭ；ｓｏｃｋｅｔ ｈｅａｄ ｓｃｒｅｗ １前言 断裂准则是预测成形过程中缺陷的基础。长 冷镦工艺是无切削金属压力加工工艺之～， 期以来，人们从实验模拟和理论分析等方面提出 它广泛适用于生产螺栓、螺钉等标准紧固件。在冷 了许多断裂准则。使用过程中，一般是将断裂准则 镦过程中，材料经常发生开裂、断裂等缺陷，导致 与有限元模拟相结合，例如日本的Ｈ．Ｔａｋｕｄａａ 产品报废，给生产带来了很大损失。这种缺陷的产 和Ｋ．ＭｏｒｉｂＩｓ］等人，使用Ｏｙａｎｅ、Ｂｒｏｚｚｏ等断裂准 生与金属的成形性能密切相关。金属的成形性与 则对板料成形过程可能产生的缺陷进行了预测； 材料本身的性能以及加工条件有关。为了避免缺 Ｋａｚｕｔａｋｅ Ｋｏｍｏｒｉ则利用Ｆｒｅｕｄｅｎｔｈａｌ、Ｃｏｃｋ— 陷的产生，对可能发生的缺陷进行预测是一种有 ｃｒｏｆｔ ａｎｄ Ｌａｔｈａｍ等断裂准则，对棒料多道次拉 效的方法。近年来，随着高性能计算机的普及和计 伸过程中产生的裂纹进行了预测［６］。本文通过圆柱 算方法尤其是有限元技术的发展，使得预测这类 压缩实验对四种有代表性的韧性断裂准则进行对 塑性变形过程中的缺陷成为可能［卜 。 比，选择一个较适合于冷镦过程的准则，并利用此 瓣ｈｔｔ ｐ．￣属ｗ ． ｉｓ篓ｑｚｚ悉． ｃｏｎｒ ２００７垒篁６车第期■豳 塑＿ 维普资讯 http://www.cqvip.com 准则对冷镦过程进行了分析。 Ａ ㈤ ２韧性断裂准则 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。目前断裂准则一般 其中Ａ、Ｃ 为与材料有关的常数，可以通过压 缩类实验获得，当左端积分值Ｉ达到１时，即认为 材料开始发生韧性断裂。 ３实验对比 用公式ｆ （盯，￡）ｄｅ＝Ｃ来表示。当积分值达到某个 临界值Ｃ时，材料就开始发生断裂。 Ｆｒｅｕｄｅｎｔｈａｌ较早的提出了以应变能为原理 的断裂准则，认为当塑性应变功达到某个临界值Ｃ。 通过圆柱镦粗实验对上述四种准则进行对 比，实验所用材料为３５Ｋ钢，直径（Ｄ０）为８ｍｍ，取高 径（Ｈ０／Ｄ０）比为１，１．１，１．２，１．２５，ｌ＿３的五组试样， 设备为１５０吨液压机，速度设定为５０￣／ｓ。分多阶 段压缩，每次压缩量约为总高度的１０％，记录下每 时，材料发生断裂，即： ，￡ｆ一一 个阶段时的方格的高度Ｈ、宽度Ｄ，直到试样表面 Ｊ。（ｒｄｓ Ｃ１ 生断裂时的等效应变。 （１） 出现肉眼可见裂纹，如图１所示，可以看出：一般 为４５度斜裂纹，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ｅ 及周向ｅ。应 变大小。 其中盯为等效应力，￡为等效应变，￡ 为材料发 因为材料受到拉伸应力时容易发生破裂， Ｃｏｃｋｃｒｏｆｔ和Ｌａｔｈａｍ就以最大拉伸应力盯１取代 公式（１）中的等效应力盯，认为当公式（２）达到临界 值Ｃ 时，材料发生断裂。 ，断 一 Ｊ ０ ｉｆ，ｄｅ Ｃ２ （２） 一 图１冷镦试样 公式（１）（２）认为材料断裂的临界值只与等效 根据记录的试样塑性应变路径，根据 应力或主应力盯有关，但是在实践中人们知道，静 水应力Ｐ对材料的成形性能有很大的影响，在很 高的Ｐ下，甚至某些脆性材料都可以发生变形，因 此Ｂｒｏｚｚｏ等人对ｐ加以考虑，对公式（２）进行了改 进，得到一个经验公式： ｆ￡ｆ ｒ）一 一 Ｌｅｖｙ—Ｍｉｓｅｓ可以计算出公式（１）（２）（３）（４）的断裂 门槛值Ｃｉ，理想情况下，针对某种断裂准则试样的 断裂门槛值Ｃ 应该是相同的；为了对各韧性断裂 准则的稳定性进行比较，将不同试样计算出的断 裂门槛值Ｃ 与其平均值Ｃ平均进行比较，取其比值 进行对比，结果如图２（ａ）所示。 Ｊ。 妇 Ｃ （３） Ｃｏｃｋｃｒｏｆｔ ａｎｄ Ｌａｔｈａｍ准则的方差值为 ０．０４５。通过比较四个准则，发现在压缩类实验中 Ｏｙａｎｅ准则最稳定，其次为Ｃｏｃｋｃｒｏｆｔ ａｎｄ Ｌａｔｈ－ ａｍ准则。 为了进一步比较各准则的稳定性，现通过有 目前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 当体应变达到某临界值（与材料有关）时，断裂行为 发生，该准则如下所示： 限元计算的方法来计算断裂门槛值Ｃ ，计算方法 同上。计算结果如图（２ｂ），可以看出，Ｃｏｃｋｃｒｏｆｔ ａｎｄ Ｌａｔｈａｍ与Ｏｙａｎｅ准则下的数值分布比较均 一 三皇蔓垒塑 ｔｔｐ：ｗ属ｗｗｄ世ｓｓｊｚｚ界．ｃｏｍ 维普资讯 http://www.cqvip.com 维普资讯 http://www.cqvip.com ｌ— 篁 ２ ０馆 ： Ｉ．１ｌ１． ０ 予善 ３趣１｛ ： 一 ’ ４． ＊ 一 ｉ０ 憾瑚 ￡一 【８６ 蕊 工步１的Ｉ积分分布 工步２的Ｉ积分分布 工步３的Ｉ积分分布 工步４的Ｉ积分分布 图５各工步的Ｉ积分分布 的现象，而且最大的积分值也在这个区域。从工步 （２）从实验与计算结果来看，Ｏｙａｎｅ准则能够 四的Ｉ积分分布情况来看，等直线主要集中在螺 预测启裂点的准确位置。Ｆｒｅｕｄｅｎｔｈａｌ及Ｃｏｃｋ－ 栓头部，但是值得注意的是：最大的积分值不是出 ｃｒｏｆｔ ａｎｄ Ｌａｔｈａｍ准则预测的启裂位置均在试 现在应变最大的六角头端部，而是在螺栓根部，其 样的上表面的拐角处，而Ｂｒｏｚｚｏｎ准则的启裂点 最大积分值达到了１．４４，破裂的可能性较大，而且 则在材料的内部，因此在有限元模拟压缩类变形 螺栓头部外壁上的积分值也较大。 时，使用Ｏｙａｎｅ韧性断裂准则比较合适。 从内六角外壁节点的Ｉ积分分布图（图６）也 （３）螺钉表面的积分值大于内部，工件更易于 可以看出：螺栓端面及外侧面上半部份的Ｉ积分 从表面开裂，因此冷镦材料的表面质量要求较高，一一一一 值很小，而外侧面下半部及螺栓根部的积分值则 需要减少划痕等缺陷，提高工件的表面质量。 较大，螺栓杆部的积分值基本为零，甚至为负值， （４）Ｏｙａｎｅ准则与有限元方法相结合，可以比 说明杆部发会发生开裂的可能性比较小，这与实 较准确的预测螺钉成形过程中开裂点的位置与分 际生产相符合。实际生产中内六角螺栓经常在螺 布情况，且与生产实际比较符合，因此合适的断裂 栓头部端面、角部以及螺栓根部发生开裂现象，很 准则能够预测工件成形过程中的开裂情况。 少在螺栓杆部发生开裂，而Ｉ积分分布图也反映 了这一现象，与实际基本吻合。从图中也可看出： 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。 一 一 ～一一 一内六角取点示意图 取点处Ｉ积分值 图６内六角外壁Ｉ积分分布图 ５结论 （１）通过比较各断裂准则的稳定性，可以看 出：各准则在实验还是理论计算方面，都有不同程 度的波动。Ｏｙａｎｅ准则波动值稍微小一些。 －■ 三主 塑 ｍ 一一一～ ～一
