大型鍛件出廠前拗盒，不僅要求做機械性能和晶粒度檢驗尝鬓，而且要求做超聲波探傷檢查生碗，特別是核電鍛件還需作TNDT（無延性轉(zhuǎn)變溫度）分析。雖然鋼鐵冶煉技術(shù)發(fā)展迅速貌嫡，但是其冶煉和凝固特性決定了鋼錠中不可避免地存在夾雜物和大小比驻、位向不同的晶粒，而且隨著鋼錠增大衅枫，夾雜物和粗大晶粒將更為明顯嫁艇。因此，夾雜物和晶界的變化仍然是引起大型鍛件報廢的重要原因弦撩，深入研究其變化和影響規(guī)律步咪，對于提高產(chǎn)品質(zhì)量起著舉足輕重的作用。

　　為此益楼，探索了以云紋法為代表的高溫猾漫、三維、動態(tài)模擬技術(shù)感凤，并用此研究了大型鍛件的變形規(guī)律悯周、內(nèi)部缺陷的損傷和修復機制、晶粒組織控制過程陪竿，提出了控制鍛造理論的雛形禽翼。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水平的核電大型鍛件播窒。

　　1　模擬技術(shù)及分析測試方法

　　大型鍛件多為單件生產(chǎn)硫忆，生產(chǎn)過程復雜、周期長挨这、成本高故不適合于用實物進行研究以獲取質(zhì)量控制理論袭丛、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)律是目前公認的最有效的方法之一嘹冀。

　　高溫云紋法可以用于模擬研究大型鍛件的生產(chǎn)過程饲骂。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0.05 mm朽突、耐高溫可達1250℃旋逛。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)進行現(xiàn)場數(shù)據(jù)動態(tài)采集，解決了高溫析口、微觀分析變形的技術(shù)難題妥触。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，取得了滿意的效果惦参。通過計算機數(shù)值分析技術(shù)將缺陷的變化過程參數(shù)加以模擬灾囊，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)毁几，用聲顯微鏡檢測和計算機層析技術(shù)（CT技術(shù)）無損檢測和分析材料內(nèi)部缺陷的發(fā)展、變化過程邻悬，以及鋼錠凝固佩脊、鍛造和熱處理的數(shù)值模擬研究方法蛙粘。將上述研究方法集成，便可以用于研究高溫威彰、三維出牧、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)律歇盼。

　　2　鍛件變形分布規(guī)律

　　采用物理模擬方法系統(tǒng)地研究了餅塊類舔痕、桶體類、軸類鍛件內(nèi)部的變形分布規(guī)律豹缀。實驗發(fā)現(xiàn)伯复，在變形過程中，由于邊界摩擦的作用邢笙，大變形區(qū)與剛性區(qū)之間無明顯的過渡區(qū)啸如，在2區(qū)之間形成了劇烈的剪切變形帶；隨著變形的增大越化，變形區(qū)經(jīng)較大變形后影菩，材料內(nèi)部的受力情況將發(fā)生變化。變形繼續(xù)增大時疚逝，則表現(xiàn)為剪切帶開始移動并引起剛性區(qū)逐層進入塑性狀態(tài)猜摹。在上述條件下，加之夾雜物和粗大晶界的存在签梭，裂紋非常容易在夾雜物和晶界處產(chǎn)生电尖。如鐓粗過程中奕碑，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稻悴，當變形達到某一特定值時，原剛性區(qū)開始發(fā)生變形致使載荷急劇增大脆号，此時經(jīng)常引起缺陷擴展赫裂。在模塊、桶體寝话、軸類鍛件變形過程中也存在類似現(xiàn)象今燃。

　　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尊勿，證明了缺陷的形貌直接影響著應力集中程度僧凤，剪切變形和缺陷局部應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元扔，然后夾雜擠入裂紋躯保，直至形成更大的夾雜性裂紋是引起探傷超標的重要原因之一旋膳。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)途事。

　　夾雜物形貌和晶界狀況直接影響著大型鍛件的使用性能验懊，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。雖然目前檢驗標準還無法對其進行科學評判尸变，但在鍛造過程中應充分利用變形特性保證缺陷的合理分布义图。研究變形分布規(guī)律可以有效地解決空洞壓實問題，為變形控制晶粒度乃至生產(chǎn)復合性能鍛件提供工藝參數(shù)召烂。

　　3　材料內(nèi)部缺陷損傷與修復規(guī)律

　　在鍛造過程中碱工，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奏夫，在800℃～1200℃溫度范圍內(nèi)痛垛，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梁促，空洞長大直至匯合晚簇；②夾雜與基體脫開形成空洞，然后沿界面擴展到基體直至斷裂猛屋；③裂紋萌生于晶界食召，沿晶界擴展至斷裂。據(jù)此提出了夾雜性裂紋聚合的物理模型颗手，結(jié)合變形規(guī)律提出了細觀損傷力學模型及判據(jù)付杰。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)叨连，其規(guī)律和機理有待深入研究蚓橡。

　　高溫修復是在生產(chǎn)實踐中發(fā)現(xiàn)的新現(xiàn)象，在機理尚未清楚的情況下矛唤，修復了已探傷證明報廢的大型管板抠佩、模塊、轉(zhuǎn)子等鍛件怜腊，取得了顯著的經(jīng)濟效益肺然。

　　在再結(jié)晶溫度以上，修復過程主要由裂紋界面基體金屬中的原子向裂紋空洞擴散遷移和晶粒長大2個階段完成腿准。當裂紋較小時际起，由于溫度升高體積膨脹或相變體積增大，致使裂紋表面接觸吐葱，依靠熱力條件即可實現(xiàn)缺陷修復街望。缺陷較大時，則需通過塑性變形使裂紋表面充分接觸，然后才能出現(xiàn)原子遷移和晶粒長大直至裂紋修復灾前。裂紋修復后展融，各項性能均可恢復到初始狀態(tài)。損傷與修復是同一缺陷變化過程的2個方面豫柬，存在于整個塑性變形過程告希，二者的影響因素各不相同。充分利用其影響因素的差別烧给，可以有效地控制缺陷損傷與修復的變化過程燕偶。

　　利用損傷與修復規(guī)律，在鍛造生產(chǎn)中最大限度地控制缺陷產(chǎn)生憔剂，修復已產(chǎn)生的缺陷或已報廢的大型鍛件摆螟，將產(chǎn)生巨大的經(jīng)濟效益和社會效益。

　　4　變形與晶粒組織的關(guān)系

　　采用普通方法煉鋼艳拿、注錠蒜恶，大變形時內(nèi)部夾雜物易發(fā)生聚合致使缺陷超標。而超純凈煉鋼技術(shù)使得鋼水質(zhì)量大為提高陷字，但是注錠時由于缺少結(jié)晶核導致晶粒過分粗大车崔，給后續(xù)鍛造控制晶粒帶來困難。電渣重熔或定向凝固制錠工藝使得晶粒呈方向性生長并且尺寸較大福吩，致使晶粒與晶界之間性能差別較大述尊。由于顯微純凈度降低，易引起缺陷損傷發(fā)生扰褒，致使缺陷超標漠哲。采用上述何種方法生產(chǎn)大型鍛件綜合效果較好，目前尚無定論贮芹。

　　高溫變形過程中罪谢，材料既要經(jīng)歷熱力變化，又要經(jīng)歷金相組織變化椭符，一定的熱力參數(shù)決定了金屬的組織荔燎，而組織的變化反過來又影響金屬的變形規(guī)律，并決定著鍛件的性能艰山。熱加工中組織變化為動態(tài)湖雹、靜態(tài)咏闪、亞動態(tài)再結(jié)晶多機制軟化過程曙搬。對于變形量小（達不到動態(tài)再結(jié)晶臨界應變）的鍛造工藝鸽嫂，鍛件的晶粒細化需要通過鍛后高溫保溫階段的靜態(tài)再結(jié)晶來實現(xiàn)纵装。將材料靜態(tài)再結(jié)晶模型與具體的鍛造工藝相結(jié)合，用于預測核電大型鍛件鍛后晶粒尺寸的變化，就可確定獲得均勻細小晶粒的鍛造工藝參數(shù)橡娄。

　　再結(jié)晶后的細小晶粒不穩(wěn)定诗箍，在高溫停留時會快速長大。實驗研究表明挽唉，當晶粒長大到一定程度時滤祖，其長大趨勢便不明顯。一定的溫度存在特定的穩(wěn)定晶粒尺寸片家，同時存在著晶粒粗化溫度走木，即超過此溫度，穩(wěn)定晶粒尺寸急劇增大肿兴。

　　實驗得到ASME 508cl.3 鋼的穩(wěn)定晶粒尺寸和晶粒粗化溫度荡减，參考此晶粒粗化溫度和穩(wěn)定晶粒尺寸來制定鍛造工藝溫度規(guī)范，可以控制鍛件毛坯的初始晶粒度和鍛件晶粒尺寸湖诅。綜合考慮動態(tài)搂素、靜態(tài)、亞動態(tài)再結(jié)晶對晶粒細化的作用匕伶，給出了熱變形后高溫停頓5 min～10 min晶粒細化的黑箱模型塑汽，實現(xiàn)了多工序熱鍛的晶粒度預測和控制。

　　將材料動態(tài)再結(jié)晶模型與三維剛粘塑性模型有限元耦合括樟，已用于預測核電大型鍛件鍛造過程中細觀組織變化吓死，由此制定的核電鍛件鍛造工藝方案，可直接用于生產(chǎn)焚寂。

　　5　大型鍛件鍛造工藝的突破

　　傳統(tǒng)的鍛造工藝僅考慮打碎鑄態(tài)組織普晌、消除空洞性缺陷，而沒有考慮夾雜物和晶粒沧奴、晶界的影響痘括，致使大型鍛件廢品率較高。新工藝不僅從控制夾雜性裂紋不萌生和控制晶粒尺寸的角度出發(fā)滔吠，采用合理的工藝參數(shù)避免了夾雜性裂紋的形成纲菌，打碎了鑄態(tài)組織，消除了空洞性缺陷疮绷，而且將損傷與高溫修復規(guī)律用于生產(chǎn)實踐翰舌，通過高溫和塑性變形修復大型鍛件中已存在的缺陷，通過變形量和溫度控制晶粒組織冬骚，減少粗晶晶界損傷發(fā)生椅贱，保證了產(chǎn)品質(zhì)量，大大提高了產(chǎn)品合格率只冻。

　　根據(jù)上述控制鍛造思想庇麦，結(jié)合餅類、塊類、桶類山橄、軸類大型鍛件變形的特點综非，分別制定了控制鍛造工藝應遵循的工藝規(guī)范，使第一重型機械廠管板生產(chǎn)合格率穩(wěn)定在97％以上傅煎，修復了中信重型機械公司洛陽重型鑄鍛廠已報廢的管板琴偿，改善了陜西重型機器廠餅塊類鍛件的質(zhì)量，并通過經(jīng)驗交流帶動了大型鍛件行業(yè)生產(chǎn)水平的提高伴乐。特別值得一提的是贼卿，中國出口巴基斯坦的2塊核電特大型管板，在俄羅斯制造質(zhì)量不合格交貨無望的情況下捅振，才無奈轉(zhuǎn)向國內(nèi)第一重型機械廠訂貨彬率，該廠應用本研究成果一次投產(chǎn)成功，制造出了核電特大型管板怯糠，填補了國內(nèi)空白署隔。

　　6　成果應用展望

　　高溫、三維瓦统、動態(tài)云紋法等關(guān)鍵模擬技術(shù)的突破贿妹，改變了長期以來使用的傳統(tǒng)測試方法。通過測量分析細觀金矛、微觀及動態(tài)缺陷變化芯急，不僅推動了大型鍛件行業(yè)的發(fā)展，而且可直接用于航空航天等高技術(shù)領(lǐng)域驶俊。如用于航空航天科技的新材料在高溫下的蠕變娶耍、斷裂力學行為對材料發(fā)展和工程應用至關(guān)重要。通過使用高溫饼酿、三維榕酒、動態(tài)云紋法，其測試難題可迎刃而解故俐。

　　損傷為材料科學和力學交叉的邊緣學科想鹰，目前僅從現(xiàn)象上對其有認識，其內(nèi)在本質(zhì)和規(guī)律正在探索药版。高溫缺陷的修復是從生產(chǎn)實踐中發(fā)現(xiàn)的新現(xiàn)象辑舷，這一現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)為大型鍛件質(zhì)量控制的研究開辟了一個新方向。充分利用上述規(guī)律槽片，不僅可以減少大型鍛件中的缺陷使其達到質(zhì)量要求何缓，而且可以將使用報廢鍛件中的缺陷修復，使其重新發(fā)揮作用筐乳，并且這些成果可拓展至其它材料加工領(lǐng)域撤掀，具有廣闊的應用前景狱槽。

　　實現(xiàn)大型鍛件控制鍛造這一目標涨给，對促進基礎(chǔ)工業(yè)乃至整個國民經(jīng)濟的發(fā)展具有深遠的意義拂谆。但還需對塑性加工中損傷與修復規(guī)律，鍛造裂紋形成機理及判據(jù)念肆，相變動力學姓纲、晶粒度預測，多工序徊疆、多軟化機制愕啰，非穩(wěn)態(tài)變形等特性進行深入研究，并通過計算機數(shù)值模擬技術(shù)優(yōu)化其工藝過程棉莹。

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