1.本发明涉及斜轧穿孔孔腔预测领域，具体涉及一种高温合金斜轧穿孔过程孔腔的预测方法及模型。
背景技术：
2.斜轧穿孔：斜轧穿孔是一种依靠局部、连续的塑性变形，使实心棒料变为空心无缝管的成形工艺，因其具有材料利用率高、成型载荷小和生产效率高的优点，已先后应用于合金钢、铝合金、钛合金以及镁合金等先进材料无缝管的制造。然而，由于高温合金变形抗力大、加工窗口窄、变形渗透性差且显微组织对温度和应变速率敏感，采用该技术备镍基高温合金无缝管仍未获工业化应用，孔腔是造成这一现状的直接原因，本质上是缺少高温合金斜轧穿孔孔腔的预测方法。
3.孔腔（cavity）指斜轧穿孔过程坯料接触顶头前产生的心部开裂现象，也称“曼内斯曼效应”（mannesmann effect），在无顶头作用的斜轧过程和斜轧穿孔过程均可观测到。曼内斯曼效应的基本原理如图1所示，旋转压缩过程中坯料心部产生附加拉应力，导致心部破裂的现象。金属成型过程通常不希望产生开裂行为，但是，斜轧穿孔过程中的孔腔并不是成型缺陷，而是一种需要加以利用的工艺特性。穿孔过程中，将顶头放置于恰好产生孔腔的位置能够大幅减小顶头阻力，有利于穿孔过程顺利进行，如图2所示。然而，当顶头位置放置不合理时，将会导致顶头磨损严重或折叠缺陷（folding defect-fd）的产生。当顶头放置于尚未形成孔腔的位置时，顶头磨损严重寿命降低，如图3所示。当顶头放置位置前端已经有一定长度的孔腔时，心部裂纹在高温条件下发生氧化导致穿孔所获管材内表面存在折叠缺陷，如图4所示。因此，准确预测孔腔形成的临界条件至关重要。
技术实现要素：
4.本发明目的是通过简单的高温拉伸实验和有限元模拟技术可以预测实际变形工艺过程中的工程断裂难题，减少实际生产过程的试错过程，节约人力物力财力的一种高温合金斜轧穿孔过程孔腔的预测方法及模型。
5.本发明一种高温合金斜轧穿孔过程孔腔的预测方法，包括以下步骤：（1）建立高温合金斜轧穿孔有限元模型，并进行高温合金斜轧穿孔有限元模拟，提取整个变形过程中心部开裂位置的等效应变ε、温度t、应变速率、最大主应力，等效应力和变形结束时刻的的全部数据，代入下式计算积分确定损伤值d；；式中，代表取正运算，当大于零时，则等于，当小于等于零时，则的值为0；根据下式计算平均温度：
；根据下式计算平均应变速率：；（2）在步骤（1）中确定的平均温度和平均应变速率下进行高温合金单轴拉伸实验，确定材料断裂时刻对应的变形量，然后建立高温单轴拉伸有限元模型，并进行高温单轴拉伸有限元模拟，拉伸至材料断裂时刻对应的变形量，提取该过程中的等效应变ε、等效应力、最大主应力和断裂时刻的应变，通过下式确定高温合金的损伤阈值；式中表示损伤阈值；式中，代表取正运算，当大于零时，则等于，当小于等于零时，则的值为0；（3）基于步骤（1）和步骤（2）中确定的d值和值，带入下式求解损伤：；根据的结果，判断孔腔是否产生：若大于等于1，则该高温合金斜轧穿孔过程中产生孔腔，若小于1，则该高温合金斜轧穿孔过程中不产生孔腔。
6.优选地，有限元模型包括根据相应变形工艺中的几何参数采用三维造型软件建立的几何模型和材料模型及边界条件；所述材料模型包括热学参数和力学参数，所述热学参数包括通过热导率测试仪得到的热导率和通过比热容测试仪测定得到的比热容；所述力学参数包括通过gleeble热模拟试验机进行测定的杨氏模量和流动应力曲线；所述边界条件为：坯料与模具的摩擦因子为0.85，坯料与模具换热系数为10000w/（m2·
k），坯料与空气换热系数为50w/（m2·
k）,试样采用环形网格。
7.一种预测模型，利用一种高温合金斜轧穿孔过程孔腔预测方法得到的预测模型，所述预测模型为：；式中，为损伤，ε、、、及分别为高温合金斜轧穿孔有限元模拟整个变形过程中心部开裂位置的等效应变ε、最大主应力、等效应力及变形结束时刻的应变；
式中，代表取正运算，当大于零时，则等于，当小于等于零时，则的值为0。
8.本发明通过简单的高温拉伸实验和有限元模拟技术可以预测实际变形工艺过程中的工程断裂难题，减少实际生产过程的试错过程，节约人力物力财力。
附图说明
9.图1为曼内斯曼效应的基本原理图。
10.图2为合理的顶头位置示意图。
11.图3为顶头放置于尚未形成孔腔的位置示意图。
12.图4为顶头放置于形成孔腔的位置示意图。
13.图5为实施例中gh4169合金斜轧穿孔有限元模型的几何模型主视图。
14.图6为图5的左视图。
15.图7为图5的俯视图。
16.图8为实施例中gh4169合金斜轧穿孔有限元模型的流动应力曲线。
17.图9为实施例中gh4169合金高温单轴拉伸几何模型示意图。
18.图10为图9左视图。
19.图11为实施例中gh4169合金高温单轴拉伸有限元模拟结果。
20.图12为实施例中gh4169合金棒料心部产生宏观裂纹实物图。
21.图13为斜轧过程应力三轴度分布及演变规律。
22.图14为高温单轴拉伸过程应力三轴度分布及演变规律。
具体实施方式
23.本发明一种高温合金斜轧穿孔过程孔腔的预测方法，包括以下步骤：（1）建立高温合金斜轧穿孔有限元模型，并进行高温合金斜轧穿孔有限元模拟，提取整个变形过程中心部开裂位置的等效应变ε、温度t、应变速率、最大主应力，等效应力和变形结束时刻的的全部数据，代入下式计算积分确定损伤值d；；式中， 代表取正运算，当大于零时，则等于，当小于等于零时，则的值为0；根据下式计算平均温度：；根据下式计算平均应变速率：；（2）在步骤（1）中确定的平均温度和平均应变速率下进行高温合金单轴拉伸实验，
确定变形结束时刻对应的变形量，然后建立高温单轴拉伸有限元模型，并进行高温单轴拉伸有限元模拟，拉伸至材料断裂时刻对应的变形量，提取该过程中的等效应变ε、等效应力、最大主应力和断裂时刻的应变，通过下式确定高温合金的损伤阈值；式中表示损伤阈值；式中，代表取正运算，当大于零时，则等于，当小于等于零时，则的值为0；（3）基于步骤（1）和步骤（2）中确定的d值和值，带入下式求解损伤：；根据的结果，判断孔腔是否产生：若大于等于1，则该高温合金斜轧穿孔过程中产生孔腔，若小于1，则该高温合金斜轧穿孔过程中不产生孔腔。
24.有限元模型包括根据相应变形工艺中的几何参数采用三维造型软件建立的几何模型和材料模型及边界条件；所述材料模型包括热学参数和力学参数，所述热学参数包括通过热导率测试仪得到的热导率和通过比热容测试仪测定得到的比热容；所述力学参数包括通过gleeble热模拟试验机进行测定的杨氏模量和流动应力曲线所述边界条件为：摩擦因子为0.85，坯料与模具换热系数为10000w/（m2·
k），坯料与空气换热系数为50w/（m2·
k）。
25.一种预测模型，利用一种高温合金斜轧穿孔过程孔腔预测方法得到的预测模型，所述预测模型为：式中，为损伤，ε、、、及分别为高温合金斜轧穿孔有限元模拟整个变形过程中心部开裂位置的等效应变ε、最大主应力、等效应力及变形结束时刻的应变；式中，代表取正运算，当大于零时，则等于，当小于等于零时，则的值为0。
26.实施例一（1）建立gh4169合金斜轧穿孔有限元模型：包括材料模型和几何模型及边界条件。
27.根据斜轧穿孔工艺中轧辊、导板、顶头和推块的几何参数，采用三维造型软件绘制变形工具三维图并完成装配，将其导入有限元模拟软件中构建几何模型。如图5-图7所示，坯料位于两个轧辊及导板之间，利用顶头和推块实现斜轧穿孔变形过程；
材料模型包括：热学参数和力学参数：其中，热学参数包括热导率和比热容，通过热导率测试仪和比热容测试仪进行测定。
28.力学参数包括杨氏模型和流动应力曲线，通过gleeble热模拟试验机进行测定，确定的数据如下：物理量数值杨氏模量(gpa)208.46
–
0.094
×
t热导率(w/(m
·
°
c))12.58+0.016
×
t比热容(j/(kg
·
°
c))361.21+0.326
×
t流动应力曲线如图8所示；边界条件为：坯料与模具的摩擦因子为0.85，坯料与模具换热系数为10000w/（m2·
k），坯料与空气换热系数为50w/（m2·
k），试样采用环形网格。
29.有限元模拟的工艺参数为：温度1100℃，送进角8
°
，辗轧角15
°
，轧辊转速30rpm，椭圆度系数1.1，直径压下率14%；然后进行有限元数值模拟，提取整个变形过程中心部开裂位置的等效应变ε、温度t、应变速率、最大主应力，等效应力和变形结束时刻的应变的全部数据，代入下式计算积分确定损伤值d；；式中，代表取正运算，当大于零时，则等于，当小于等于零时，则的值为0；根据下式计算平均温度：；根据下式计算平均应变速率：；计算得到平均温度为1103℃，平均应变速率为0.67/s，d值计算结果为0.65。
30.（2）基于步骤（1）中确定的平均温度和平均应变速率，进行相同温度和应变速率的高温合金高温单轴拉伸实验，确定材料断裂时刻对应的变形量。实验结果表明平均温度为1103℃和平均应变速率为0.67/s的条件下，断裂时刻对应的位移为12.5mm。
31.然后建立gh4169合金高温单轴拉伸有限元模型，进行高温单轴拉伸有限元模拟，几何模型如图9-10所示；材料模型包括：热学参数和力学参数：其中，热学参数包括热导率和比热容，通过热导率测试仪和比热容测试仪进行测定。
32.力学参数包括杨氏模型和流动应力曲线，通过gleeble热模拟试验机进行测定。
33.确定的数据如下：物理量数值
杨氏模量(gpa)208.46
–
0.094
×
t热导率(w/(m
·
°
c))12.58+0.016
×
t比热容(j/(kg
·
°
c))361.21+0.326
×
t高温单轴拉伸有限元模拟边界条件：拉伸试样左边界被完全限制，右边界采用位移-时间控制模式移动，试样采用四面体网格，为进一步提高计算精度并保证求解效率，对平行段网格局部加密。
34.进行有限元数值模拟，温度为1103℃，应变速率为0.67/s，拉伸位移为12.5mm，有限元模拟结果如图11所示；提取在该过程中的等效应变ε、等效应力、最大主应力和断裂时刻的应变，通过下式确定gh4169合金的损伤阈值为0.6：；（3）基于步骤（1）和步骤（2）中确定的d值和值，带入下式求解损伤：；得到，=.1.08由于，所以斜轧穿孔过程产生了孔腔。
35.验证对比例：将二辊斜轧穿孔机的送进角设置为8
°
，辗轧角设置为15
°
，压下率设置为14%，轧辊转速设置为30r/min，椭圆度系数设置为1.1；采用加热炉将镍基高温合金圆柱棒坯加热至1100℃将加热后的所述镍基高温合金圆柱棒坯从所述加热炉转运至二辊斜轧穿孔机的导料槽内；所述镍基高温合金圆柱棒坯在所述二辊斜轧机的轧辊带动下完成变形过程。
36.对轧后棒料进行横截面切割，结果如图12所示，棒料心部产生宏观裂纹。
37.采用该方法预测孔腔的原因：斜轧过程心部应力三轴度随等效应变的演变规律如图13所示，由图可得，稳态变形区内，坯料心部应力三轴度的变化范围为0.35-0.5，表明心部处于拉应力状态，且由于应力三轴度是随时间变化的物理量，通过下式确定变形过程应力三轴度的平均值：式中，表示变形过程应力三轴度的平均值，为等效塑性应变，据此确定心部平均应力三轴度为0.39。高温单轴拉伸过程断裂位置应力三轴度随等效应变的演变规律如图14所示，根据平均应力三轴度的计算公式确定了高温单轴拉伸过程平均应力三轴度为0.38。据此可知，gh4169合金斜轧过程心部应力三轴度与高温单轴拉伸过程心部断裂位置应力三轴度的相对误差为2.56%，因此，可通过高温单轴拉伸实验测定gh4169合金裂模型常
数，预测孔腔产生的临界条件。