Page 150 - 数值模拟驱动的高温合金热加工技术

Numerical Simulation Driven Hot Working Technology for High-temperature Alloys
数值模拟驱动的高温合金热加工技术

（4）球盘试验
球盘试验也是一种广泛用于定量研究接触材料间的摩擦学行为及确定摩擦因
数的有效方法。典型的球盘试验是将固定的钢球压在旋转的铝盘上，在钢球上施

加一定载荷并沿特定轨迹反复磨损旋转铝盘。球盘试验可以精确控制温度、正压
力及滑移速度等实验条件。球盘试验钢球和旋转盘界面产生较高的接触应力且随
着磨损距离的增加而减小，这与模具工作带位置的接触压力变化是非常吻合的。
此外，软铝在钢球滑移的过程中产生严重的塑性变形，引起表面氧化层的破损，

导致纯金属之间的接触，这与挤压工作带的接触环境是一致的。因此，球盘试验
可有效描述挤压工作带的摩擦学行为。
RANGANATHA 等率先尝试通过球盘试验来描述铝合金挤出型材与模具工
作带之间的摩擦。实验用铝制圆球磨损钢制旋转盘。实验发现当温度超过 300℃

时，摩擦因数随着温度的增加而增大，而摩擦因数的值也会由于材料间强烈的化
学相互作用而变得很高。WANG 等通过短距离球盘试验等效研究了 7005 铝合金
挤出材料与 H13 模具钢工作带之间界面的摩擦。且与 RANGANATHA 不同的是，
WANG 等采用钢制圆球磨损旋转铝盘。实验得到与 RANGANATHA 相反的结果，

发现摩擦因数随着温度的增加而减小。这是由于随着温度的升高，钢球磨损铝盘
的磨损机制从磨粒磨损逐渐变化为氧化磨损、剥层磨损以及严重的塑性变形磨损。
磨损机制的改变使得摩擦因数随着温度的升高呈现出先增大后减小的趋势。刘志
文等通过短距离球盘试验研究了温度对铝合金热挤压模具工作带位置摩擦因数的

影响，也得出随温度升高，摩擦因数呈先增大后减小的趋势。
虽然采用球盘试验方便控制且实验结果较为精确，但由于缺乏对磨损过程中
接触条件演变的理解，只能定性评价实验条件对挤压摩擦的影响，不能用于挤压
数值仿真中的摩擦边界条件。球盘试验中的摩擦包含剪切和犁沟摩擦。实际铝挤

压犁沟摩擦的影响较小，而球盘试验中大的犁沟变形可能使犁沟摩擦效应偏大，
试验结果不能直接用于描述工作带区域的摩擦边界条件。为了能利用球盘试验结
果来表征工作带区域的摩擦，需定量区分犁沟和剪切摩擦所占总摩擦的比例。
GODDARD 等率先建立了球盘试验的接触力学模型，后来 TAYEBI 等对该模型

进行了修正并实验验证。WANG 等把 TAYEBI 模型推广应用到高温球盘试验中。
结果发现不同温度下，犁沟和剪切摩擦因数都随滑移距离增加而增大，而剪切摩
擦应力在磨损过程中趋于稳定，认为由剪切摩擦应力来表征工作带区域的摩擦相

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