基于FEM法的矯直壓下量與鋯合金性能研究

田春剛 　馬令坤

摘 要：本文基于有限元法（FEM）研究高溫矯直壓下量對鋯合金棒材等效應力、微區溫度和材料流動最大速度的影響。結果表明：隨著壓下量逐漸增大，Zr-4棒材中間區域所受的等效應力和最大等效應力的區域逐漸增大，Zr-4棒材與矯直輥接觸的微區溫度降低，溫降面積增大，Zr-4棒材材料流動最大速度由中間區域變為右側區域。

關鍵詞：FEM;高溫矯直;壓下量;等效應力;微區溫度;材料流動最大速度

中圖分類號：TG294文獻標識碼：A文章編號：1003-5168（2018）31-0056-03

Study on Properties of Zriconium alloy and levelling

Reduction based on FEM

TIAN Chungang1，2 MA Lingkun1

（1.Shaanxi University of Science and Technology，Xi'an Shaanxi 710021;2.Shaanxi Radio and Television University Baoji Branch，Baoji Shaanxi 721000）

Abstract： Based on the finite element method （FEM）， the effects of the amount of leveling pressure on the equivalent stress of zirconium alloy bars， microzone temperature and the maximum velocity of material flow were studied. The results showed that as the pressure drop gradually increases， the area of equivalent stress and maximum equivalent stress in the middle area of zr-4 bar gradually increased， the temperature in the micro area where zr-4 bar met the straightening roller decreased， the temperature drop area increased， and the maximum flow speed of zr-4 bar material changed from the middle area to the right area.

Keywords： FEM;high temperature straightening;reduction;equivalent stress;microzone temperature;maximum velocity of material flow

1 研究背景

鋯及鋯合金因具有優異的抗腐蝕性能和力學性能，常被用于耐酸容器或耐酸結構件。鋯合金棒坯經過鍛造、擠壓或旋鍛變形工序生產而成，中間輔助以酸洗或修磨工序。擠壓后的高溫矯直是確保鋯合金棒坯產品直線度的主要方法，該工序也為確保鋯合金棒材最終成品棒材直線度奠定了基礎。目前，針對高溫鋯合金棒材矯直的研究論文相對較少，現有文獻只是關注鐵基合金、鈦合金及高溫矯直設備工藝的研究[1-3]。馬佳[2]摸索出了適用于Cr12MoV大型矯直輥的鑄造及熱處理工藝。蘭賢輝[3]等人研制出了張力可控制的β型鈦合金絲材矯直機組。邱東[4]概述了使用背襯軸承作用支承輥的矯直機的技術優勢，闡述了選用背襯軸承座熱矯直支撐輥的注意事項。李陽華等人[5]模擬出了V150油套管熱矯直的殘余應力分布。宋凱等人[6]闡述了十一輥全液壓矯直機的結構和技術特點，并指出目前存在的問題和改進方向。本文基于有限元（FEM）法建立了Zr-4合金熱矯直過程的模型，并分析熱矯直過程中Zr-4合金棒材在各種壓下量下的等效應力、等效速率、等效應變和溫度變化趨勢，為研究Zr-4熱矯直過程提供了理論依據。

2 實驗研究

采用規格為200mm的Zr-4擠壓棒坯，其化學成分（質量分數/%）為：基體為Zr，1.25～1.8Sn，0.19～0.25Fe，0.08～0.13Cr，≤0.025C，≤0.002 5H，≤0.16O。采用電爐進行加熱，加熱至1 050℃后到溫裝爐，棒坯保溫60min后出爐，在三輥矯直機上進行熱矯直，矯直壓下量分別0%、50%和100%。基于有限元（FEM）理論，采用SIMUFACT軟件對棒材熱矯直的過程進行模擬，構建如圖1所示的熱矯直模型。

3 結果與分析

3.1 壓下量對等效應力的影響

圖2為變形量對Zr-4棒材等效應力影響的關系圖。Zr-4棒材未變形時，Zr-4棒材受力較為均勻，其結果如圖2（a）所示;隨著壓下量上升至50%，其等效應力出現在Zr-4棒材中間最大變形處，最大等效應力約為41MPa，最大等效應力的范圍相對較小，其結果如圖2（b）所示。隨著壓下量上升至100%，最大等效應力約87MPa，最大等效應力的面積相對較大。隨著變形量逐漸增大，Zr-4棒材中間區域所受的等效應力和最大等效應力的區域逐漸增大，其結果如圖2（c）所示。這是主要是因為隨著變形量的增大，Zr-4棒材與中間矯直輥接觸的區域逐漸增大，棒材所受的最大應力和應力面積逐漸增大[3-5]。

3.2 壓下量對溫度影響

圖3為熱矯壓下量對Zr-4棒材截面溫度的影響關系圖。Zr-4棒材加熱未矯直時，棒材截面的溫度均勻一致，其結果如圖3（a）所示;隨著熱矯直壓下量變為50%，Zr-4棒材與矯直輥接觸的微區溫度降低至1 125～1 185℃，溫降面積略有增大，其結果如圖3（b）所示;隨著熱矯直壓下量變為100%，Zr-4棒材與矯直輥接觸的微區溫度降低至1 004～1 155℃，溫降面積增大，其結果如圖3（c）所示。這是由于Zr-4棒材熱矯直過程是一個放熱的過程。隨著矯直輥與棒材區域的接觸，矯直輥會通過傳導傳熱的方式來降低Zr-4棒材表面的熱量[3-6]。

3.3 彎曲量對材料流動的影響

圖4為熱矯壓下量對Zr-4棒材材料流動的影響關系圖。從圖4可以看出，在未矯直，Zr-4棒材未發生流動，其結果如圖4（a）所示。隨著熱矯直壓下量變為50%，Zr-4棒材的中間區域材料流動出現最大值，材料流動最大速率為99mm/s（與矯直輥方向反向），其結果如圖4（b）所示。隨著熱矯直壓下量變為100%，Zr-4棒材在右側出現材料流動出現最大值，材料流動最大速率為-135mm/s（與矯直輥方向向），其結果如圖4（c）所示。。這可能與該支棒材受到矯直輥的受力及變形方式有關[2-4]。

4 結論

①隨著壓下量逐漸增大，Zr-4棒材中間區域所受的等效應力和最大等效應力區域逐漸增大。

②隨著壓下量逐漸增大，Zr-4棒材與矯直輥接觸的微區溫度降低，溫降面積增大。

③隨著壓下量逐漸增大，Zr-4棒材材料流動最大速度由中間區域變為右側區域。

參考文獻：

[1]劉建章.核結構材料[M].北京：化學工業出版社，2007.

[2]馬佳，晏宏山，左素敏.Cr12MoV大型矯值輥鑄造及熱處理工藝研究[J].中國鑄造裝備與技術，2015（2）：10-13.

[3]蘭賢輝，李會武，杜亞寧，等.β型鈦合金絲材在熱張力矯直機組的研制[J].鈦工藝進展，2016（1）：33-35.

[4]邱東.背襯軸承在中厚板熱矯直機中的應用[J].中國重型裝備，2017（1）：25-35.

[5]李陽華，李紅英，尹浩，等.基于ANSYS/LS-DYNA的V150有套管熱矯直殘余應力[J].中南大學學報（自然科學版），2013（4）：1373-1379.

[6]宋凱，肖川.全液壓熱矯直的結構特點及應用[J].山西冶金，2016（3）：91-95.