大型锻件的模拟技术及内部质量控制研究(上)

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　　大型锻件出厂前，不仅要求做机械性能和晶粒度检验，而且要求做超声波探伤检查，特别是核电锻件还需作TNDT(无延性转变温度)分析。虽然钢铁冶炼技术发展迅速，但是其冶炼和凝固特性决定了钢锭中不可避免地存在夹杂物和大小、位向不同的晶粒，而且随着钢锭增大，夹杂物和粗大晶粒将更为明显。因此，夹杂物和晶界的变化仍然是引起大型锻件报废的重要原因，深入研究其变化和影响规律，对于提高产品质量起着举足轻重的作用。
5 c3 \  {2 {2 R) L9 P, N8 c) `　　为此，探索了以云纹法为代表的高温、三维、动态模拟技术，并用此研究了大型锻件的变形规律、内部缺陷的损伤和修复机制、晶粒组织控制过程，提出了控制锻造理论的雏形。依此解决了许多生产难题，特别是制造出了具有国际先进水平的核电大型锻件。
) g& v8 r6 y# c1 \3 V! S　　1模拟技术及分析测试方法
4 _9 t* S' b4 N: {3 g/ }- Z　　大型锻件多为单件生产，生产过程复杂、周期长、成本高故不适合于用实物进行研究以获取质量控制理论、基本规律等。采用模拟技术研究大型锻件的质量控制规律是目前公认的最有效的方法之一。
　　高温云纹法可以用于模拟研究大型锻件的生产过程。使用离子轰击法直接在钢试件表面上制造云纹栅版，分辨率可达0.05 mm、耐高温可达1250℃。在热模拟炉中试件根据需要发生变形,图像分析系统进行现场数据动态采集，解决了高温、微观分析变形的技术难题。在塑性变形过程中,探讨了使用声显微镜无损检测材料内部缺陷的变化过程，取得了满意的效果。通过计算机数值分析技术将缺陷的变化过程参数加以模拟，能够获得材料内部缺陷的三维动态变化规律。
　　目前，已掌握了高温云纹法模拟技术，用声显微镜检测和计算机层析技术(CT技术)无损检测和分析材料内部缺陷的发展、变化过程，以及钢锭凝固、锻造和热处理的数值模拟研究方法。将上述研究方法集成，便可以用于研究高温、三维、动态变形条件下材料内部缺陷的发展和变化过程，获得质量控制锻造规律。
) t0 j. _5 {& d1 k" D+ |　　2锻件变形分布规律
0 Y, e$ E" P, n! M0 i　　采用物理模拟方法系统地研究了饼块类、桶体类、轴类锻件内部的变形分布规律。实验发现，在变形过程中，由于边界摩擦的作用，大变形区与刚性区之间无明显的过渡区，在2区之间形成了剧烈的剪切变形带；随着变形的增大，变形区经较大变形后，材料内部的受力情况将发生变化。变形继续增大时，则表现为剪切带开始移动并引起刚性区逐层进入塑性状态。在上述条件下，加之夹杂物和粗大晶界的存在，裂纹非常容易在夹杂物和晶界处产生。如镦粗过程中，在与砧面接触的刚性区和中间部分的大变形区之间的剪切带中变形非常剧烈，当变形达到某一特定值时，原刚性区开始发生变形致使载荷急剧增大，此时经常引起缺陷扩展。在模块、桶体、轴类锻件变形过程中也存在类似现象。
( A6 \8 b4 s3 X, ]7 f) s　　采用云纹法研究了夹杂、空洞等缺陷处的微观变形分布情况，证明了缺陷的形貌直接影响着应力集中程度，剪切变形和缺陷局部应力的综合作用致使缺陷之间金属基体断裂，微小夹杂通过裂纹相连，然后夹杂挤入裂纹，直至形成更大的夹杂性裂纹是引起探伤超标的重要原因之一。用此可以圆满地解释饼块类锻件中心夹陷层缺陷形成的原因，并为消除此类缺陷奠定了理论基础。
4 n$ ?6 l! `) c* _# w" f) T1 w$ U　　夹杂物形貌和晶界状况直接影响着大型锻件的使用性能，不合理的缺陷分布极有可能成为使用过程中大型锻件突然失效的重大隐患。虽然目前检验标准还无法对其进行科学评判，但在锻造过程中应充分利用变形特性保证缺陷的合理分布。研究变形分布规律可以有效地解决空洞压实问题，为变形控制晶粒度乃至生产复合性能锻件提供工艺参数。
1 J3 o/ L$ q7 D- J　　3材料内部缺陷损伤与修复规律
1 s: i) E/ j! m7 H　　在锻造过程中，大型锻件内部存在的夹杂物和粗大的晶界是引起材料损伤的原因。研究夹杂物的变形行为及其对金属基体变形的影响表明，在800℃～1200℃温度范围内，随着温度的升高，裂纹产生存在着3种形式：①夹杂处基体形成空洞，空洞长大直至汇合；②夹杂与基体脱开形成空洞，然后沿界面扩展到基体直至断裂；③裂纹萌生于晶界，沿晶界扩展至断裂。据此提出了夹杂性裂纹聚合的物理模型，结合变形规律提出了细观损伤力学模型及判据。粗大的晶界在变形过程中非常容易引起裂纹产生，致使损伤出现，其规律和机理有待深入研究。
% @0 S+ K& R7 X+ M. i+ E5 A5 n8 i　　高温修复是在生产实践中发现的新现象，在机理尚未清楚的情况下，修复了已探伤证明报废的大型管板、模块、转子等锻件，取得了显著的经济效益。
7 ]4 ]% P; y+ X3 R* W　　在再结晶温度以上，修复过程主要由裂纹界面基体金属中的原子向裂纹空洞扩散迁移和晶粒长大2个阶段完成。当裂纹较小时，由于温度升高体积膨胀或相变体积增大，致使裂纹表面接触，依靠热力条件即可实现缺陷修复。缺陷较大时，则需通过塑性变形使裂纹表面充分接触，然后才能出现原子迁移和晶粒长大直至裂纹修复。裂纹修复后，各项性能均可恢复到初始状态。损伤与修复是同一缺陷变化过程的2个方面，存在于整个塑性变形过程，二者的影响因素各不相同。充分利用其影响因素的差别，可以有效地控制缺陷损伤与修复的变化过程。
　　利用损伤与修复规律，在锻造生产中最大限度地控制缺陷产生，修复已产生的缺陷或已报废的大型锻件，将产生巨大的经济效益和社会效益。
! C, E8 r5 Z' a  u. O: ^7 R文章关键词： 锻件