淺談_大型鍛件_模擬技術(shù)_內(nèi)部質(zhì)量控制

   隨著我國鍛件行業(yè)的全速發(fā)展，大型鍛件是衡量一個國家制造業(yè)發(fā)展水平和先進(jìn)程度的重要標(biāo)志之一。為此，山西永鑫生鍛造有限公司探索了以云紋法為代表的高溫、三維、動態(tài)模擬技術(shù)，并用此研究了大型鍛件的變形規(guī)律、內(nèi)部缺陷的損傷和修復(fù)機(jī)制、晶粒組織控制過程，提出了控制鍛造理論的雛形。依此解決了許多生產(chǎn)難題，特別是制造出了具有國際先進(jìn)水平的核電大型鍛件。

1　模擬技術(shù)及分析測試方法

　　大型鍛件多為單件生產(chǎn)，生產(chǎn)過程復(fù)雜、周期長、成本高故不適合于用實(shí)物進(jìn)行研究以獲取質(zhì)量控制理論、基本規(guī)律等。采用模擬技術(shù)研究大型鍛件的質(zhì)量控制規(guī)律是目前公認(rèn)的有效的方法之一。

　　高溫云紋法可以用于模擬研究大型鍛件的生產(chǎn)過程。使用離子轟擊法直接在鋼試件表面上制造云紋柵版，分辨率可達(dá)0.05 mm、耐高溫可達(dá)1250℃。在熱模擬爐中試件根據(jù)需要發(fā)生變形, 圖像分析系統(tǒng)進(jìn)行現(xiàn)場數(shù)據(jù)動態(tài)采集，解決了高溫、微觀分析變形的技術(shù)難題。在塑性變形過程中, 探討了使用聲顯微鏡無損檢測材料內(nèi)部缺陷的變化過程，取得了滿意的效果。通過計(jì)算機(jī)數(shù)值分析技術(shù)將缺陷的變化過程參數(shù)加以模擬，能夠獲得材料內(nèi)部缺陷的三維動態(tài)變化規(guī)律。

　　目前，已掌握了高溫云紋法模擬技術(shù)，用聲顯微鏡檢測和計(jì)算機(jī)層析技術(shù)（CT技術(shù)）無損檢測和分析材料內(nèi)部缺陷的發(fā)展、變化過程，以及鋼錠凝固、鍛造和熱處理的數(shù)值模擬研究方法。將上述研究方法集成，便可以用于研究高溫、三維、動態(tài)變形條件下材料內(nèi)部缺陷的發(fā)展和變化過程，獲得質(zhì)量控制鍛造規(guī)律。

2　鍛件變形分布規(guī)律

　　采用物理模擬方法系統(tǒng)地研究了餅塊類、桶體類、軸類鍛件內(nèi)部的變形分布規(guī)律。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在變形過程中，由于邊界摩擦的作用，大變形區(qū)與剛性區(qū)之間無明顯的過渡區(qū)，在2區(qū)之間形成了劇烈的剪切變形帶；隨著變形的增大，變形區(qū)經(jīng)較大變形后，材料內(nèi)部的受力情況將發(fā)生變化。變形繼續(xù)增大時，則表現(xiàn)為剪切帶開始移動并引起剛性區(qū)逐層進(jìn)入塑性狀態(tài)。在上述條件下，加之夾雜物和粗大晶界的存在，裂紋非常容易在夾雜物和晶界處產(chǎn)生。如鐓粗過程中，在與砧面接觸的剛性區(qū)和中間部分的大變形區(qū)之間的剪切帶中變形非常劇烈，當(dāng)變形達(dá)到某一特定值時，原剛性區(qū)開始發(fā)生變形致使載荷急劇增大，此時經(jīng)常引起缺陷擴(kuò)展。在模塊、桶體、軸類鍛件變形過程中也存在類似現(xiàn)象。

　　采用云紋法研究了夾雜、空洞等缺陷處的微觀變形分布情況，證明了缺陷的形貌直接影響著應(yīng)力集中程度，剪切變形和缺陷局部應(yīng)力的綜合作用致使缺陷之間金屬基體斷裂，微小夾雜通過裂紋相連，然后夾雜擠入裂紋，直至形成更大的夾雜性裂紋是引起探傷超標(biāo)的重要原因之一。用此可以圓滿地解釋餅塊類鍛件中心夾陷層缺陷形成的原因，并為消除此類缺陷奠定了理論基礎(chǔ)。

　　夾雜物形貌和晶界狀況直接影響著大型鍛件的使用性能，不合理的缺陷分布極有可能成為使用過程中大型鍛件突然失效的重大隱患。雖然目前檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)還無法對其進(jìn)行科學(xué)評判，但在鍛造過程中應(yīng)充分利用變形特性保證缺陷的合理分布。研究變形分布規(guī)律可以有效地解決空洞壓實(shí)問題，為變形控制晶粒度乃至生產(chǎn)復(fù)合性能鍛件提供工藝參數(shù)。

3　材料內(nèi)部缺陷損傷與修復(fù)規(guī)律

　　在鍛造過程中，大型鍛件內(nèi)部存在的夾雜物和粗大的晶界是引起材料損傷的原因。研究夾雜物的變形行為及其對金屬基體變形的影響表明，在800℃～1200℃溫度范圍內(nèi)，隨著溫度的升高，裂紋產(chǎn)生存在著3種形式：①夾雜處基體形成空洞，空洞長大直至匯合；②夾雜與基體脫開形成空洞，然后沿界面擴(kuò)展到基體直至斷裂；③裂紋萌生于晶界，沿晶界擴(kuò)展至斷裂。據(jù)此提出了夾雜性裂紋聚合的物理模型，結(jié)合變形規(guī)律提出了細(xì)觀損傷力學(xué)模型及判據(jù)。粗大的晶界在變形過程中非常容易引起裂紋產(chǎn)生，致使損傷出現(xiàn)，其規(guī)律和機(jī)理有待深入研究。

　　高溫修復(fù)是在生產(chǎn)實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)的新現(xiàn)象，在機(jī)理尚未清楚的情況下，修復(fù)了已探傷證明報(bào)廢的大型管板、模塊、轉(zhuǎn)子等鍛件，取得了顯著的經(jīng)濟(jì)效益。

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