淺談_大型鍛件_模擬技術_內部質量控制

   隨著我國鍛件行業的全速發展，大型鍛件是衡量一個國家制造業發展水平和先進程度的重要標志之一。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、動態模擬技術，并用此研究了大型鍛件的變形規律、內部缺陷的損傷和修復機制、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難題，特別是制造出了具有國際先進水平的核電大型鍛件。

1　模擬技術及分析測試方法

　　大型鍛件多為單件生產，生產過程復雜、周期長、成本高故不適合于用實物進行研究以獲取質量控制理論、基本規律等。采用模擬技術研究大型鍛件的質量控制規律是目前公認的有效的方法之一。

　　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0.05 mm、耐高溫可達1250℃。在熱模擬爐中試件根據需要發生變形, 圖像分析系統進行現場數據動態采集，解決了高溫、微觀分析變形的技術難題。在塑性變形過程中, 探討了使用聲顯微鏡無損檢測材料內部缺陷的變化過程，取得了滿意的效果。通過計算機數值分析技術將缺陷的變化過程參數加以模擬，能夠獲得材料內部缺陷的三維動態變化規律。

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

2　鍛件變形分布規律

　　采用物理模擬方法系統地研究了餅塊類、桶體類、軸類鍛件內部的變形分布規律。實驗發現，在變形過程中，由于邊界摩擦的作用，大變形區與剛性區之間無明顯的過渡區，在2區之間形成了劇烈的剪切變形帶；隨著變形的增大，變形區經較大變形后，材料內部的受力情況將發生變化。變形繼續增大時，則表現為剪切帶開始移動并引起剛性區逐層進入塑性狀態。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生。如鐓粗過程中，在與砧面接觸的剛性區和中間部分的大變形區之間的剪切帶中變形非常劇烈，當變形達到某一特定值時，原剛性區開始發生變形致使載荷急劇增大，此時經常引起缺陷擴展。在模塊、桶體、軸類鍛件變形過程中也存在類似現象。

　　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力集中程度，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，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。

　　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。雖然目前檢驗標準還無法對其進行科學評判，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。研究變形分布規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復合性能鍛件提供工藝參數。

3　材料內部缺陷損傷與修復規律

　　在鍛造過程中，大型鍛件內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，隨著溫度的升高，裂紋產生存在著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，然后沿界面擴展到基體直至斷裂；③裂紋萌生于晶界，沿晶界擴展至斷裂。據此提出了夾雜性裂紋聚合的物理模型，結合變形規律提出了細觀損傷力學模型及判據。粗大的晶界在變形過程中非常容易引起裂紋產生，致使損傷出現，其規律和機理有待深入研究。

　　高溫修復是在生產實踐中發現的新現象，在機理尚未清楚的情況下，修復了已探傷證明報廢的大型管板、模塊、轉子等鍛件，取得了顯著的經濟效益。

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