大型鍛件的模擬技術(shù)及內(nèi)部質(zhì)量控制研究

大型鍛件出廠前，不僅要求做機(jī)械性能和晶粒度檢驗(yàn)，而且要求做超聲波探傷檢查，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，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、位向不同的晶粒，而且隨著鋼錠增大，夾雜物和粗大晶粒將更為明顯。因此，夾雜物和晶界的變化仍然是引起大型鍛件報(bào)廢的重要原因，深入研究其變化和影響規(guī)律，對(duì)于提高產(chǎn)品質(zhì)量起著舉足輕重的作用。  

    為此，探索了以云紋法為代表的高溫、三維、動(dòng)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)的最有效的方法之一［1］。  

    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(dòng)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(dòng)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(dòng)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［2］。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(shí)，則表現(xiàn)為剪切帶開始移動(dòng)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(shí)，原剛性區(qū)開始發(fā)生變形致使載荷急劇增大，此時(shí)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(duì)其進(jìn)行科學(xué)評(píng)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(duì)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。  

    在再結(jié)晶溫度以上，修復(fù)過程主要由裂紋界面基體金屬中的原子向裂紋空洞擴(kuò)散遷移和晶粒長大2個(gè)階段完成。當(dāng)裂紋較小時(shí)，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，依靠熱力條件即可實(shí)現(xiàn)缺陷修復(fù)。缺陷較大時(shí)，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(fù)。裂紋修復(fù)后，各項(xiàng)性能均可恢復(fù)到初始狀態(tài)。損傷與修復(fù)是同一缺陷變化過程的2個(gè)方面，存在于整個(gè)塑性變形過程，二者的影響因素各不相同。充分利用其影響因素的差別，可以有效地控制缺陷損傷與修復(fù)的變化過程［3］。  

    利用損傷與修復(fù)規(guī)律，在鍛造生產(chǎn)中最大限度地控制缺陷產(chǎn)生，修復(fù)已產(chǎn)生的缺陷或已報(bào)廢的大型鍛件，將產(chǎn)生巨大的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。  

    4　變形與晶粒組織的關(guān)系  

    采用普通方法煉鋼、注錠，大變形時(shí)內(nèi)部夾雜物易發(fā)生聚合致使缺陷超標(biāo)。而超純凈煉鋼技術(shù)使得鋼水質(zhì)量大為提高，但是注錠時(shí)由于缺少結(jié)晶核導(dǎo)致晶粒過分粗大，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，致使晶粒與晶界之間性能差別較大。由于顯微純凈度降低，易引起缺陷損傷發(fā)生，致使缺陷超標(biāo)。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。  

    高溫變形過程中，材料既要經(jīng)歷熱力變化，又要經(jīng)歷金相組織變化，一定的熱力參數(shù)決定了金屬的組織，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。熱加工中組織變化為動(dòng)態(tài)、靜態(tài)、亞動(dòng)態(tài)再結(jié)晶多機(jī)制軟化過程。對(duì)于變形量�。ㄟ_(dá)不到動(dòng)態(tài)再結(jié)晶臨界應(yīng)變）的鍛造工藝，鍛件的晶粒細(xì)化需要通過鍛后高溫保溫階段的靜態(tài)再結(jié)晶來實(shí)現(xiàn)。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(yù)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(xì)小晶粒的鍛造工藝參數(shù)。  

    再結(jié)晶后的細(xì)小晶粒不穩(wěn)定，在高溫停留時(shí)會(huì)快速長大。實(shí)驗(yàn)研究表明，當(dāng)晶粒長大到一定程度時(shí)，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，同時(shí)存在著晶粒粗化溫度，即超過此溫度，穩(wěn)定晶粒尺寸急劇增大。  

    實(shí)驗(yàn)得到ASME 508cl.3 鋼的穩(wěn)定晶粒尺寸和晶粒粗化溫度，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。綜合考慮動(dòng)態(tài)、靜態(tài)、亞動(dòng)態(tài)再結(jié)晶對(duì)晶粒細(xì)化的作用，給出了熱變形后高溫停頓5 min～10 min晶粒細(xì)化的黑箱模型，實(shí)現(xiàn)了多工序熱鍛的晶粒度預(yù)測和控制［4，5］。  

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

    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、消除空洞性缺陷，而沒有考慮夾雜物和晶粒、晶界的影響，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)，采用合理的工藝參數(shù)避免了夾雜性裂紋的形成，打碎了鑄態(tài)組織，消除了空洞性缺陷，而且將損傷與高溫修復(fù)規(guī)律用于生產(chǎn)實(shí)踐，通過高溫和塑性變形修復(fù)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，減少粗晶晶界損傷發(fā)生，保證了產(chǎn)品質(zhì)量，大大提高了產(chǎn)品合格率。  

    根據(jù)上述控制鍛造思想，結(jié)合餅類、塊類、桶類、軸類大型鍛件變形的特點(diǎn)，分別制定了控制鍛造工藝應(yīng)遵循的工藝規(guī)范，使第一重型機(jī)械廠管板生產(chǎn)合格率穩(wěn)定在97％以上，修復(fù)了中信重型機(jī)械公司洛陽重型鑄鍛廠已報(bào)廢的管板，改善了陜西重型機(jī)器廠餅塊類鍛件的質(zhì)量，并通過經(jīng)驗(yàn)交流帶動(dòng)了大型鍛件行業(yè)生產(chǎn)水平的提高。特別值得一提的是，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，才無奈轉(zhuǎn)向國內(nèi)第一重型機(jī)械廠訂貨，該廠應(yīng)用本研究成果一次投產(chǎn)成功，制造出了核電特大型管板，填補(bǔ)了國內(nèi)空白。  

    6　成果應(yīng)用展望  

    高溫、三維、動(dòng)態(tài)云紋法等關(guān)鍵模擬技術(shù)的突破，改變了長期以來使用的傳統(tǒng)測試方法。通過測量分析細(xì)觀、微觀及動(dòng)態(tài)缺陷變化，不僅推動(dòng)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。如用于航空航天科技的新材料在高溫下的蠕變、斷裂力學(xué)行為對(duì)材料發(fā)展和工程應(yīng)用至關(guān)重要。通過使用高溫、三維、動(dòng)態(tài)云紋法，其測試難題可迎刃而解。  

    損傷為材料科學(xué)和力學(xué)交叉的邊緣學(xué)科，目前僅從現(xiàn)象上對(duì)其有認(rèn)識(shí)，其內(nèi)在本質(zhì)和規(guī)律正在探索。高溫缺陷的修復(fù)是從生產(chǎn)實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)的新現(xiàn)象，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(gè)新方向。充分利用上述規(guī)律，不僅可以減少大型鍛件中的缺陷使其達(dá)到質(zhì)量要求，而且可以將使用報(bào)廢鍛件中的缺陷修復(fù)，使其重新發(fā)揮作用，并且這些成果可拓展至其它材料加工領(lǐng)域，具有廣闊的應(yīng)用前景。  

    實(shí)現(xiàn)大型鍛件控制鍛造這一目標(biāo)，對(duì)促進(jìn)基礎(chǔ)工業(yè)乃至整個(gè)國民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展具有深遠(yuǎn)的意義。但還需對(duì)塑性加工中損傷與修復(fù)規(guī)律，鍛造裂紋形成機(jī)理及判據(jù)，相變動(dòng)力學(xué)、晶粒度預(yù)測，多工序、多軟化機(jī)制，非穩(wěn)態(tài)變形等特性進(jìn)行深入研究，并通過計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬技術(shù)優(yōu)化其工藝過程。