20钢/316L复合管固液复合制坯工艺研究

双金属复合管在石油运输行业中应用前景广阔,结合性能是考察复合管是否合格的重要指标之一。为了能在轧制成形过程中得到高品质的复合管材,在复合管制坯过程中要求实现界面处的冶金复合。以20钢和316L为原材料,基于结合温度及元素扩散情况,采用固液复合方式,并且结合界面的温度模型及通过Pro CAST软件模拟,获得了外模最佳预热温度为1050—1100℃。通过现场试制界面处实现了冶金复合,在最佳温度范围既保证了固态20钢和液态316L之间能达到冶金复合,又能使元素有充分的扩散时间而增强了界面结合强度,同时又可以防止因元素过渡扩散而导致316L腐蚀性能下降。该方法为后续复合管连轧提供了优良的管坯,可实现高品质复合管的现场生产。

弯曲参数对304不锈钢管材大曲率无芯弯曲成形性的影响

针对管材无芯弯曲多缺陷耦合的成形问题,以管材壁厚变化率及截面短轴变化率作为成形指标,在不同弯曲参数下进行304不锈钢管材大曲率无芯弯曲试验,结合硬度测试及微观组织表征,研究了弯曲参数对弯曲成形及微观组织演变的影响规律。结果表明:随着弯曲速度、弯曲角度及相对管径的增大,壁厚变化率呈增加趋势,且壁厚增厚率始终大于壁厚减薄率,同时,弯管截面畸变程度加剧。在各弯曲参数下,管材弯曲内外侧均发生奥氏体向马氏体转变,马氏体组织含量及硬度与壁厚变化率呈正相关关系,中性层几乎不存在马氏体。通过选择合适的工艺,最终弯制出相对弯曲半径为1.4的合格弯管。

不同初轧温度下钛合金三辊斜轧穿孔工艺研究

根据三辊斜轧穿孔工艺的技术特征与钛合金塑性变形特点,通过有限元软件对TC4钛合金进行不同初轧温度的穿孔轧制有限元模拟,分析轧制过程应力、应变、温度、材料流动情况。以初轧温度为变量进行穿孔实验,对比不同温度下轧制力及轧后毛管微观组织。结果表明:三辊斜轧穿孔工艺完全适合钛合金生产,并且不同初轧温度下均可获得变形魏氏组织的钛合金毛管,验证了三辊斜轧穿孔生产钛合金管的可行性与有效性,为工艺推广提供指导和依据。

辊速对AZ61B镁合金管材纵连轧成形性的影响

基于Abaqus软件建立了AZ61B镁合金管材连轧有限元模型,模拟和分析了辊速对管材成形性的影响,通过试验验证了模型可靠性。结果表明:在稳定轧制阶段,管材周向壁厚随辊速增加而减薄,且平均壁厚均匀性改善,纵向伸长率与辊速呈正相关,辊速由2.46 r/s增加到2.90 r/s时,周向平均壁厚由5.762 mm减小到5.224 mm,耳子由6.453 mm减小到5.856 mm,纵向伸长率由41.33%增加到51.86%。

间隙对0Cr18Ni9不锈钢管大曲率无芯弯曲成形性的影响

基于Abaqus有限元平台建立了0Cr18Ni9不锈钢管大曲率无芯弯曲有限元模型,分析了管材与模具间隙对管材弯曲成形性的影响,同时验证了模型可靠性。结果表明:弯管外凸侧壁厚减薄率与管-弯曲模间隙、管-压力模间隙呈正相关关系,而与管-防皱模间隙呈负相关关系;弯管内凹侧壁厚增厚率与管-弯曲模间隙、管-防皱模间隙呈正相关关系,而与管-压力模间隙呈负相关关系;弯管横截面椭圆度与管-弯曲模间隙、管-压力模间隙呈正相关关系,而与管-防皱模间隙呈负相关关系;管材与模具间隙对壁厚减薄率及横截面椭圆度影响的趋势一致。

间隙对0Cr18Ni9不锈钢管大曲率无芯弯曲回弹的影响研究

建立了0Cr18Ni9不锈钢管材大曲率无芯弯曲回弹角的数学模型,并通过Abaqus软件建立了它的有限元模拟模型,模拟和分析了管材与模具的间隙对管材弯曲回弹角的影响。通过试验验证了有限元模型的可靠性。结果表明:管材回弹角随着管-弯曲模间隙增大而增大;管材回弹角随着管-夹模、镶模的间隙增大而增大;管材回弹角随着管-压模间隙增大而减小;管材回弹角随着管-防皱模间隙增大而增大,但效果不明显。

流函数法在无缝钢管张力减径过程中的应用

应用流函数法,建立了无缝钢管三辊张力减径变形区内速度场函数,基于上限法原理推导了变形区内总消耗功率的表达式,提出来轧制力能参数的计算方法,并以Φ82 mm×6.15 mm×3800 mm的AISI-1020钢管定径过程的数值模拟与工艺实验验证了该理论。通过模拟、实验与理论进行对比可知:模拟速度场与计算值趋势基本相同;理论轧制力与实测值基本吻合;流函数法可以较真实的反映实际速度场情况。

0Cr18Ni9管材大曲率无芯弯曲横截面畸变研究

为了提高管材弯曲成形性及弯曲精度,基于ABAQUS有限元平台,建立了管材大曲率无芯弯曲有限元模型,模拟了管材大曲率无芯弯曲过程,研究了弯曲角、弯曲速度以及初始管材壁厚对管材大曲率无芯弯曲横截面椭圆畸变的影响,同时进行了相关实验验证。结果表明:模拟与实验结果吻合较好,各弯曲条件下二者误差均在一合理范围内,验证了有限元模型的可靠性;最大横截面短轴变化率随弯曲角度及弯曲速度的增大而增大,随管材初始壁厚减小而增大;弯曲角度及管材初始壁厚对最大横截面短轴变化率影响较大而弯曲速度对其影响相对较小;通过选择合适的弯曲工艺,可弯制出满足要求的大曲率弯管。

模具温度对AZ31B镁合金管材纵连轧成形性的影响

镁合金具有比强度高、阻尼及电磁屏蔽性能好等优异的性能被广泛应用于3C、航空航天等高端装备领域。镁合金管材连轧具有三维非线性多场耦合的特征,芯棒及轧辊温度严重影响管材的成形质量。在初轧温度为350℃、应变速率为0.05 s^-1、恒定压下量条件下,对尺寸为Φ50 mm×5 mm×1000 mm镁合金管材进行短流程连轧模拟和实验研究。结果表明:芯棒和轧辊温度对镁合金管材轧制成形性影响显著。芯棒温度和轧辊温度分别为20℃和300℃时,轧后管材表面损伤严重。当温度为20℃时,轧后镁合金管材表面出现微裂纹;当温度为300℃时,轧后管材表面沿轧制方向出现条状凸起。当芯棒和轧辊温度均为150℃时,轧后镁合金管材内外表面光洁度高,且晶粒细小均匀。

双金属复合管热连轧有限元模拟及极限减壁量确定

对不同减壁量下奥氏体不锈钢和碳钢的壁厚变化规律进行了研究和分析,提出了临界减壁率理论,即总减壁率小于临界点时,外层碳钢的减壁率比内层不锈钢大。当总减壁率达到临界点以上时,不锈钢的减壁率比碳钢大。因此,为了保证企业要求的不锈钢厚度,必须控制总减壁率。通过6机架热连轧有限元模拟验证了这一理论,在有限元模型中,当总减壁率达到53.8%,减壁量达到极限减壁量10.5 mm时,不锈钢壁厚达到产品要求的最小允许值3 mm。此外,通过对现场轧制获得的双金属复合管尺寸进行测量分析,得到在减壁量为11 mm、总减壁率为46.8%时,不锈钢壁厚实测值为3.25 mm,比理论值大0.2 mm。

压下率对AZ31B镁合金管材纵连轧力能参数的影响

基于Deform-3D有限元软件建立了AZ31B镁合金管材纵连轧有限元模型,模拟分析了压下率对轧制力及轧制力矩的影响规律,同时通过试验验证了模型可靠性。结果表明:镁合金管材在稳定区的纵连轧轧制力、轧制力矩均与压下率呈正相关;第二机架所受轧制力在管材被抛出第一机架时明显增大,当压下率为20%及30%时,第三机架所受轧制力矩较第二机架大。

基于最小二乘无网格法的金属变形过程模拟

金属塑性大变形过程可以视为典型的非线性刚塑性问题。给出了一种基于最小二乘无网格法的金属塑性变形过程仿真方法。该方法使用移动最小二乘法构建未知场函数,利用加权最小二乘法直接由控制方程构建系统刚度矩阵。与有限元方法不同之处在于,该方法无需进行网格重分,并且不需要在节点及求解域内进行积分。最终的数值算例表明,该方法与有限元法结果基本吻合,验证了该方法的正确性和有效性。

无缝钢管纵连轧无网格法热力耦合分析

采用混合交换法修正无网格移动最小二乘近似函数,以便直接施加边界条件;采用伽辽金法构建速度场刚度矩阵;采用配点法构建温度场刚度矩阵;采用间接耦合法将速度场与温度场耦合求解;最终推导出了刚塑性无网格法热力耦合计算公式,实现了纵连轧过程的热力耦合模拟。通过数值模拟与实验研究对比表明,模拟结果与实验结果吻合度较高,充分验证了本文给出的无网格法的可靠性和正确性。

0Cr18Ni9管材大曲率无芯弯曲回弹研究

为了提高管材回弹后的质量,初步建立了管材大曲率无芯弯曲回弹角的预测模型。同时建立了管材弯曲回弹模拟模型,基于ABAQUS数值模拟和实验对0Cr18Ni9管材进行大曲率无芯弯曲(相对弯曲半径为1.5),验证了模拟模型的可靠性。研究了弯曲角、弯曲速度及壁厚等工艺参数对管材弯曲回弹的影响。结果表明:管材弯曲回弹是一个应力释放的过程,弯曲角对回弹影响最大,壁厚次之,弯曲速度影响最小;回弹角随弯曲角度的增大而增大;回弹角随壁厚增大而减小;弯曲速度与回弹角成正相关关系,回弹角随弯曲速增大而增大。

二辊斜轧穿孔镁合金管微观组织演变分析

采用二辊斜轧穿孔的方法制备镁合金管,并用有限元软件Deform-3D建立了斜轧穿孔过程的有限元模型,以AZ31镁合金为管坯材料,模拟分析了斜轧穿孔过程中管材位错密度、微观组织的一系列变化。结果表明:在斜轧穿孔过程中,随着变形程度的增加,位错密度逐渐增大,晶粒从原始的块状结构转变为条状,穿孔即将结束时,几乎所有晶粒都会变成细条状结构。

皮尔格热轧工艺参数对06Cr19Ni10/Q235双金属复合管结合层及椭圆度的影响

为了提高皮尔格热轧双金属复合管的质量,提出了临界理论。针对送进量和回转角等工艺参数,对06Cr19Ni10/Q235双金属复合管皮尔格热轧工艺进行了数值模拟和实验研究,探究了送进量和回转角对双金属复合管结合层及椭圆度的影响,验证了临界理论的可靠性。结果表明:较小的回转角会使双金属复合管结合层处受力均匀,且结合层处所受应力更大。当回转角与送进量的比值接近临界值20°·mm^(-1)时,双金属复合管结合层夹杂物的最大尺寸小于8μm,椭圆度为1.2 mm,成形性较好;当低于临界值20°·mm^(-1)时,双金属复合管结合层夹杂物的最大尺寸小于6μm,椭圆度为1.1 mm,局部产生开裂;当高于临界值20°·mm^(-1)时,双金属复合管结合层夹杂物的最大尺寸达到25μm,椭圆度为11.8 mm,会发生开裂和凸耳现象。

钛合金无缝管斜连轧新工艺研究

针对钛合金材料热轧温度范围窄、温降快、变形抗力大等特点,将钛合金与无缝管斜连轧(TSR)新工艺有机结合并开展系统研究。根据斜连轧工艺结构与特点,分别构建连轧过程速度模型与张力模型;通过有限元数值模拟研究钛合金斜连轧过程金属变形机制、分析金属流动规律,获得其应力应变场、温度场、速度场分布及张力变化规律,基于有限元模拟进行现场实验研究。结果表明:初轧温度1050℃、合理匹配穿孔段与轧管段参数的情况下,可成功制备钛合金无缝管,且尺寸精度高、无明显表面缺陷。理论及实验分析证明斜连轧新工艺完全适用于钛合金无缝管材制备,同时缩短生产流程,提高生产效率。

AZ31镁合金无缝管斜轧穿孔新工艺研究

为了解决镁合金无缝管难加工问题,研究了AZ31镁合金斜轧穿孔制备管坯新工艺。根据镁合金热加工本构关系确定加工温度和应变率范围为300~450℃、0.001~1 s^(-1),根据斜轧理论与现有的三辊斜轧设备初步确定工艺参数,对Φ40 mm×300 mm镁合金棒材进行穿孔过程热力耦合数值模拟及实验研究,取穿后毛管试样进行金相分析。结果表明:采用斜轧穿孔方式完全可以制备AZ31镁合金无缝管;在400℃下,选择合适的顶头前伸量、送进角、轧辊转速、孔喉直径能够顺利穿制Φ40 mm×5.5 mm×615 mm镁合金毛管;轧后组织成等轴状均匀分布且晶粒明显细化,达到3μm,相应力学性能得到改善。此工艺可代替传统挤压工序生产无缝镁合金管,提高生产效率、降低成本,便于后续成品管的生产。

镁合金管材大曲率无芯弯曲损伤及壁厚变化研究

基于管材弯曲成形机理及Johnson-Cook损伤理论,利用Deform-3D有限元方法分析了AZ31B镁合金管材大曲率无芯弯曲初始弯曲温度、助推速度及助推形式对损伤及管材壁厚变化影响。结果表明:当助推模和压力模对管材施加的作用一定时,初始弯曲温度过低或过高均不利于镁合金管材弯曲成形,最佳初始弯曲温度为350℃,在最佳初始弯曲温度条件下,当助推模与压力模同步运动时,仅能改善一侧壁厚变化程度,无法同时改善弯管整体壁厚变化,内外侧壁厚不均匀度较大;当助推模与压力模不同步时,通过合理匹配助推模与压力模二者之间的轴向速度来改变镁合金管材在进给阶段轴向拉伸或压缩变形程度,使得内外侧壁厚均匀度达到较理想效果;当外助推模和压力模同步,内助推模和以上二者等速反向运动时,内外侧壁厚均匀度最佳,获得综合性能良好的镁合金管材弯曲成形质量。

AZ31B镁合金管材纵连轧损伤与温度场探索性研究

在轧制温度为350℃,轧辊角速度约为3.14 r/s,壁厚压下量分别为20(4)、30(4)、40(4)的条件下,对尺寸为50 mm×7 mm×1000 mm的AZ31B镁合金管进行纵连轧热力耦合数值模拟,在相同温度不同压下量的轧制条件下,从轧制损伤的应力状态和温度场分布两方面对镁合金管材纵连轧的数值模拟结果进行了探索性研究。结果表明:在相同轧制温度条件下,随着压下量的增大,最大损伤值也随着增大,且最大损伤值均出现在轧辊的辊缝处。同时塑性变形产生的热量也增大,且因轧辊辊顶处和镁管间存在较大的热交换,所以辊缝处的温度要高于辊顶处,两者之间有一定的温度差,壁厚压下量越大则温度差越大。相同压下量条件下,纵连轧镁合金管的损伤程度要比镁合金板材轧制的小。