H13等徑角擠壓模具早期失效分析及結構優化方案*

劉紅麗　薛克敏　左　標　李　萍

(合肥工業大學材料科學與工程學院，安徽 合肥 230009)

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H13等徑角擠壓模具早期失效分析及結構優化方案*

劉紅麗薛克敏左標李萍

(合肥工業大學材料科學與工程學院，安徽 合肥 230009)

基于DEFORM-3D有限元軟件，通過對較大截面尺寸試樣等徑角擠壓(ECAP)變形過程中凹模過早失效問題進行分析。從模具的服役條件、自身結構以及模具熱處理等方面探究了凹模早期失效的原因。結果表明：未變形坯料在已變形坯料的作用下產生的膨脹力以及應力集中是微裂紋產生并擴展的主要原因之一；此外，冷熱循環熱應力和模具自身結構的不合理也促使了模具的早期失效；采用預應力組合結構對模具進行優化，改進后實驗效果良好。

H13鋼；等徑角擠壓；裂紋；失效分析；優化方案

隨著我國航空、航天技術的迅猛發展，特殊的服役條件對材料的組織、性能提出了越來越高的要求。因此，力學性能和使用性能優越的超細晶材料應運而生。等通道轉角擠壓(ECAP)技術被公認為是制備塊體超細晶材料的最有效的方法之一[1-3]。但是ECAP模具卻容易出現諸如開裂、磨損及塑性變形之類的失效形式。H13鋼(4Cr5MoSiV1鋼)，具有較高的韌性、熱強度和硬度，抗粘結力強，廣泛地用于擠壓模、錘鍛模和模鍛模。但由于模具本身的加工工藝缺陷和結構設計不合理等因素，近年來H13模具發生早期失效的現象呈上升趨勢。

本例H13模具在進行超高強鋁合金的等徑角擠壓實驗時，服役一段時間便出現裂紋。為此，本文借助DEFORM-3D有限元軟件對大尺寸Al-Zn-Mg-Cu合金的等通道轉角擠壓變形過程進行模擬，并對模具進行失效分析，從而提出模具結構的優化方案，并順利完成批量變形試樣試制，為以后的大塑性變形模具提供重要的指導意義。

1　模具結構

因傳統的垂直分模ECAP模具，取件困難，且通道易發生變形，由于坯料截面尺寸相對較大，要求模具有更高的強度。因此，本副模具采用上下分模結構，加強了垂直通道的強度，并在出口處設置臺階，方便取料，模具結構示意圖如圖1所示。凹模的下半模3通過內六角螺釘固定在下模座1上，凹模的上半模6與下半模3通過螺栓5聯接，下模座1固定在設備的旋轉臺上，凸模9安裝在凸模固定板8上，并通過內六角螺栓固定在上模座7上，凹模外側裝有加熱圈。實驗在課題組自主研發的RZU200HF型2000kN的旋轉壓扭液壓機上開展，模具實物及實驗工裝如圖2所示。

工作原理：利用加熱圈將模具加熱到400 ℃，從加熱爐取出加熱到400 ℃、石墨潤滑充分的坯料，放入垂直通道，凸模以1mm/s速度下行，到達指定行程后，凸模回程放入第二根坯料，每兩根坯料經過通道轉角處變形后，凹模出口處可取出一根坯料。由于ECAP變形不改變坯料的截面尺寸，取出的坯料稍加處理并加熱后可以指定變形路徑(如A、BC、BA、C路徑等，本例采用BC路徑，即每次擠壓后，旋轉90°，旋轉方向不改變)再次放入垂直通道擠壓多道次。采用上述模具工裝擠壓第二批實驗的第二根坯料時，沖頭下行時出現異常，停工仔細觀察，發現模口處出現裂紋，拆卸模具后在垂直通道的下模口四角處出現四條筆直的裂紋，徑直延續到螺栓孔，圖3中箭頭方向為裂紋擴展方向。

2　變形過程及模具應力數值模擬分析

為了更好地分析凹模發生失效的原因，利用Deform軟件對高強鋁的ECAP變形過程進行有限元數值模擬，獲取應力應變及成形載荷等相關場信息。參數設置：坯料尺寸25mm×25mm× 68mm，成形溫度400 ℃。坯料材料為7A60鋁合金，模具材料為H13鋼，其高溫力學性能如表1所示。

表1H13鋼室溫和工作溫度下力學性能

模具溫度/℃抗拉強度σb/MPa屈服強度σs/MPa延伸率δ/(%)斷面收縮率Ψ/(%)201718144411.243.7400155013801363

2.1變形過程分析

等徑角擠壓變形過程大致可以分為圖4所示的3個階段。開始階段、過渡階段以及穩定變形階段。第一階段為初始階段，試樣在沖頭的推動下逐步下移，當接觸到垂直通道的拐角部位逐漸發生類似鐓粗的變形。第二階段為過渡階段，當拐角處金屬達到屈服極限時，金屬開始向水平方向流動。金屬流向水平通道并發生剪切變形，該區域內不同部位金屬所受到的阻力不同，因而流動速度也不相同(如圖5所示)。外側金屬受到的阻力小，故外側金屬的流動速度大于內側且從而導致金屬頭部的形狀發生翹曲。第三階段為穩定變形階段，剪切變形趨于穩定，擠壓力基本不發生變化。各階段的載荷如圖6所示。

2.2失效模具的等效應力場分析

圖7為凹模上半模的等效應力場，觀察發現：應力成花瓣狀主要分布在通道附近，由于ECAP的變形特點，處于模具內角側的坯料變形劇烈，故模具內角側的等效應力遠大于其他三側。另外，基于通道的截面形狀為方形，四個直角部位出現了應力集中，最大值達到571MPa。通過數值模擬得到的一道次變形試樣形貌與實際擠壓的試樣形貌完全一致(如圖8所示)，驗證了數值模擬的可靠性。

3　模具失效原因分析

由模擬結果可知，上下分模的模具在開展ECAP變形實驗時，凹模上半模不同部位的應力狀態有很大差異。故從服役條件、模具結構以及熱處理工藝等方面詳細剖析模具發生早期失效的原因。

3.1服役條件

模口處出現的裂紋與模具失效時所處的服役環境密切相關。由實驗時的工況可知，第一根坯料經變形后，產生加工硬化。而第二根坯料經退火后比較軟，當沖頭下行時，與沖頭直接接觸的第二根坯料不能很好地傳遞力，自身發生鐓粗類變形，給上半模施加一個很大的膨脹力，這是微裂紋產生并擴展的主要原因之一。此外，由于工作時模具需要不斷地刷水基石墨乳進行潤滑，反復的升溫降溫，會導致循環熱應力的產生，促使模具發生應力疲勞，形成裂紋源。

3.2模具結構

模具是否能夠服役長久，與模具自身的結構密切相關。由圖3凹模上半模的結構可知，本實驗采用的是方形截面，通道棱角處容易出現應力集中，雖等效應力值遠低于H13鋼在400 ℃時的屈服強度，但由于服役條件惡劣，在冷熱循環熱應力以及模具自身成分、熱處理等因素的綜合影響下，在通道與4個螺栓孔一起形成的薄弱地帶容易形成微裂紋。一旦裂紋萌生，變形金屬會在外力的作用下嵌入裂紋部位，促使裂紋快速擴展[4-5]。

3.3模具熱處理工藝及自身組織、成分的影響

熱處理工藝是否合理是影響模具壽命的關鍵因素之一[6-8]。由圖9可知，H13淬火硬度是隨著溫度的升高而提高的，這是由于淬火加熱時碳化物會逐漸溶入奧氏體，且溫度越高，溶入的越多，從而增加奧氏體中的碳及合金元素的含量，淬火后H13鋼的硬度值會升高。若淬火溫度過低，淬火后鋼的硬度低，性能差，當溫度低于1 020 ℃時，在淬硬區與未淬硬區會產生較大的拉應力，造成裂紋隱患。溫度過高則導致殘留奧氏體增多，晶粒粗大，斷裂韌度值顯著下降。熱處理不當還會在鋼表面形成氧化脫碳層，造成模具表面硬度低，且表面的膨脹系數與心部不同，容易產生內應力，增加裂紋傾向。本例模具尺寸較大，熱處理質量不易控制，也為模具早期失效埋下了隱患。

碳化物、S、P等雜質的偏聚也會使組織不均勻，產生附加內應力，從而誘導模具裂紋的優先形成，這可以從相關資料和早期數據中得到證實[9-11]。因此模具鋼的組織、成分均勻性也會對模具使用壽命造成影響。

4　模具結構優化

模具在服役過程中，由于拉應力的作用而產生張開型裂紋(Ⅰ型裂紋)，即材料在與裂紋面正交的拉應力作用下，裂紋面產生張開位移而形成的一種裂紋。根據彈塑性體裂紋尖端應力場理論，和斷裂準則(式(1))來判斷線彈性條件下模具是否發生斷裂。

(1)

式中：KⅠ為張開型裂紋應力強度因子；KⅠc為臨界應力強度因子；σ為模具所受載荷強度；ac為裂紋失穩擴展的臨界長度。對于本模具而言，降低應力集中，增加模具本身強度使得KⅠ小于KⅠc即可避免或減緩裂紋的產生及擴展現象[12-13]。

當模具有尖角、棱角、臺階和缺口時，這些部位很容易產生應力集中，導致模具局部區域應力過高，削弱模具強度，降低其承載能力，嚴重影響模具壽命。為了避免凹模上半模在服役過程中過早出現裂紋，本例模具在優化時，首先增大了通道棱角處的圓角半徑，以緩解應力集中現象。其次，采用預應力組合結構對模具進行優化。預應力組合凹模即通過預應力圈與凹模的過盈配合，制成的組合模具結構，改進后的模具如圖10所示，預應力圈1與模芯2壓入后產生接觸面的預應力，可與擠壓時模膛內產生的(部分)膨脹力相抵消。取消通道出口處位于上半模的臺階，減小了試樣頭部翹曲程度，同時保留下半模的臺階，方便取料。重新配做凹模上半模后已順利完成四批試樣的制備，未發現異常。

為了避免凹模上半模在服役過程中過早出現裂紋，除了對模具結構進行改進以外，還應制定合理的熱處理工藝，并控制升降溫的速度，減小熱應力，緩解模具熱疲勞。嚴格控制鋼材的成分、組織，盡量減少或消除碳化物的偏聚分布狀態，使材料盡可能均勻，提高模具壽命。

5　結語

(1)ECAP變形過程分為3個階段，開始階段、過渡階段以及穩定變形階段。應力成花瓣狀分布在通道附近且模具內角側的等效應力遠大于其他三側。通道4個直角部位出現了應力集中，最大值達到571MPa。

(2)模口處出現的裂紋與模具失效時所處的服役環境及模具自身結構密切相關。未變形坯料在已變形坯料的作用下產生的膨脹力是微裂紋產生并擴展的主要原因之一。此外，冷熱循環熱應力和模具自身結構的不合理也促使了模具的早期失效。為了提高模具壽命，還應該嚴格控制模具鋼的組織、成分及熱處理工藝。

(3)采用預應力組合結構對模具進行優化，并增大通道棱角處的圓角半徑，減輕應力集中現象，取消通道出口處位于上半模的臺階，減小試樣翹曲程度，同時保留下半模的臺階，方便取料，改進后實驗效果良好。

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Analysis on early failure and optimization scheme of H13 die for equal channel angular pressing

LIU Hongli, XUE Kemin, ZUO Biao, LI Ping

(SchoolofMaterialsScienceandEngineering,HefeiUniversityofTechnology,Hefei230009,CHN)

BasedonthefiniteelementsoftwareofDEFORM-3D,theearlyfailureofthedieduringtheEqualChannelAngularPressing(ECAP)processingofsamplesinlargercross-sectionsizeisanalyzedinthispaper.Thereasonsforfailureofthedieisdiscussedfromtheaspectsofserviceconditions,structureandheattreatmentandsoon.Theresultsshowthatexpansiveforcecausedbytheunformedsampleundertheeffectofthedeformedsampleandthestressconcentrationareoneofthemainreasonsforthegenerationandgrowthofthemicrocrack;inadditions,thehot-coldcyclethermalstressandunreasonablepartsinstructurealsocontributetotheearlyfailure;thestructureofthedieisimprovedbyusingprestressedcompoundstructure,andtheeffectisgood.

H13steel;ECAP;crack;failureanalysis;optimizationscheme

TG376

A

劉紅麗，女，1990年生，碩士，研究方向為精密塑性成形，大塑性變形等。

(編輯孫德茂)(2015-09-08)

160334

*國家部委基金資助項目(2013-Q012)；國家自然科學基金資助項目(51575153)