關(guān)于大型鍛件鍛造開裂的研究方法

張義帥 孫紅星，2 劉 華 張秀芝 田香菊(.鄭州機(jī)械研究所，河南450000；2.西安交通大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，陜西70049；.太原科技大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，山西00024)

隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展以及能源、國(guó)防、化工、冶金、火電、水電、核電、航空航天等重大技術(shù)裝備的提升，大鍛件在重大技術(shù)裝備中所發(fā)揮的作用越來越明顯，對(duì)國(guó)民經(jīng)濟(jì)建設(shè)、制造業(yè)的發(fā)展以及國(guó)防現(xiàn)代化都具有重大的意義。大型鍛件在生產(chǎn)過程中存在的主要質(zhì)量問題是開裂，鍛造開裂成為大型鍛件以及某些高合金難鍛材料生產(chǎn)過程中的一個(gè)瓶頸。因此，對(duì)大型鍛件鍛造開裂的研究對(duì)實(shí)際生產(chǎn)過程具有重要的指導(dǎo)意義[1]。

1 大鍛件生產(chǎn)的主要特點(diǎn)

大鍛件在重大技術(shù)裝備中起關(guān)鍵作用，其受力狀況和工作條件極為復(fù)雜和繁重，因此在重大技術(shù)裝備中對(duì)大鍛件的綜合力學(xué)性能也有著較高的要求。在核電、航空等領(lǐng)域的要求則更高，不允許存在氣泡、裂紋、白點(diǎn)及大塊的夾雜物等，否則在長(zhǎng)期的使用過程中極有可能在這些缺陷部位產(chǎn)生應(yīng)力集中，從而導(dǎo)致重大的事故，造成生命財(cái)產(chǎn)的重大損失。因此，在研究大鍛件鍛造工藝的過程中，質(zhì)量問題被提到了首位，鍛件的質(zhì)量與鋼液澆注后大型鋼錠的質(zhì)量、鍛造過程中鍛壓設(shè)備性能以及鍛造工藝參數(shù)的設(shè)置密切相關(guān)。鋼錠的冶煉技術(shù)、液壓機(jī)的綜合性能參數(shù)、鍛造工藝的研究創(chuàng)新一直都是國(guó)內(nèi)外大鍛件生產(chǎn)技術(shù)研發(fā)的重中之重[2]。

大型鍛件一般由一次澆注成型的大型鑄錠經(jīng)過鍛造而獲得。經(jīng)澆注成型的鑄錠內(nèi)部存在常見的鑄造缺陷，如疏松、縮孔、偏析、非金屬夾雜等。隨著鋼錠重量的增大，這些鋼錠中固有的缺陷都愈發(fā)嚴(yán)重，這與大鍛件的高質(zhì)量要求形成了矛盾。這些鑄造缺陷的存在對(duì)隨后的鍛造過程有著極其不利的影響，它們隔斷了基體組織的連續(xù)性，大大降低了鋼錠在高溫變形過程中的熱變形塑性。另外，由于大型鍛件的尺寸效應(yīng)和重量效應(yīng)，鋼錠的熱處理過程也十分復(fù)雜，加熱溫度過低、保溫時(shí)間過短不利于合金元素的擴(kuò)散，甚至無法保障熱處理過程中組織的均勻化。加熱溫度過高、保溫時(shí)間過長(zhǎng)容易引起鋼錠晶粒長(zhǎng)大、過熱、過燒，甚至?xí)痣s質(zhì)元素沿晶界偏聚，為后續(xù)加工過程中的鍛造開裂埋下隱患。不僅如此，大型鍛件對(duì)加熱過程中加熱速率的控制也有嚴(yán)格的限制，這是由于鋼錠在加熱過程中存在著溫度應(yīng)力和組織應(yīng)力，而且鋼錠本身也存在殘余應(yīng)力，因此在加熱的過程中極易因加熱速度過快造成內(nèi)外應(yīng)力的不一致性而使鋼錠產(chǎn)生內(nèi)裂。然而加熱速度過慢又限制了生產(chǎn)效率的提高。所以大型鍛件的熱處理過程與中小型鍛件相比難度提高了許多。

大型鍛件在后續(xù)鍛壓成型過程中的工藝參數(shù)對(duì)獲得良好的鍛后組織也起著重要的作用。對(duì)于尺寸較大的鍛件來說，鍛造方法不當(dāng)很難將變形滲透到鍛件的心部，不但鍛件心部的缺陷無法鍛合，而且內(nèi)外組織也會(huì)出現(xiàn)不均勻性，甚至很可能在鍛件的心部產(chǎn)生新的裂紋。尤其對(duì)于不銹鋼大鍛件來說，不同類型的不銹鋼由于化學(xué)成分的不同，與之對(duì)應(yīng)的內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)也不相同，其可鍛性與鍛造工藝參數(shù)也存在著很大的差別，所以要具體針對(duì)材料的高溫性能制定合理的鍛造工藝。不銹鋼屬于鐵基合金，其合金化程度與鐵基高溫合金相比要低，與合金結(jié)構(gòu)鋼相比要高，因此不銹鋼的可鍛性(塑性、變形抗力和流動(dòng)性)與碳鋼和合金結(jié)構(gòu)鋼相比要差一些，但比合金化程度更高的高溫合金要高，屬于難變形合金范疇。在鍛造過程中，材料在高溫、大成型力的作用下“快速”流動(dòng)，易產(chǎn)生裂紋，甚至開裂。裂紋的存在對(duì)大型鍛件的生產(chǎn)過程來說十分不利，鋼錠也常常因?yàn)槟承┝鸭y缺陷而報(bào)廢，回爐冶煉增加了生產(chǎn)成本，因此大型鍛件在成型的過程中與中小型鍛件相比存在著許多工藝難題和技術(shù)難題。

2 大型鍛件鍛造開裂的研究現(xiàn)狀

在大鍛件生產(chǎn)過程中，鍛造裂紋的產(chǎn)生嚴(yán)重影響了鍛造生產(chǎn)的發(fā)展和鍛件質(zhì)量的提高。近年來，關(guān)于鍛造裂紋的研究，投入了大量的人力、物力，主要從材料的成分、微觀組織、材料的鍛造工藝(溫度、應(yīng)變速率、壓下量等因素)幾方面進(jìn)行了廣泛又深入的研究，取得了許多科學(xué)實(shí)用的論據(jù)與結(jié)果，為鍛造生產(chǎn)的發(fā)展提供了許多有利的幫助。常紅英[3]利用電子探針以及光學(xué)顯微鏡對(duì)1Cr13鋼鍛造開裂原因進(jìn)行了分析，結(jié)果表明由于鋼錠中二次縮孔的存在，在分段鍛造過程中，空洞內(nèi)壁被氧化從而引起了鍛造開裂。姚鐵光[4]對(duì)05鋼鋼錠鍛造開裂的原因進(jìn)行了研究，在掃描電鏡下斷口為沿晶韌性斷裂，韌窩中分布著許多細(xì)小的圓形顆粒，經(jīng)過透射電鏡的電子衍射分析，細(xì)小的顆粒為α-FeO，斷裂的原因是由于鋼水脫氧不良，過量的氧以α-FeO形式分散在原奧氏體晶界上，使晶界的強(qiáng)度大大降低，鍛造過程中在外部應(yīng)力的作用下形成沿晶韌性斷裂。崇鵬[5]對(duì)20CrMnTi 鍛造開裂原因進(jìn)行了分析，發(fā)現(xiàn)開裂的主要原因是由于在鑄造過程中存在冶金缺陷，大量夾雜物的存在破壞了基體的連續(xù)性，從而在鍛造的過程中導(dǎo)致開裂。舒金波等[6]對(duì)35CrMo鋼鉆頭鍛造開裂原因進(jìn)行了分析，鍛件在鍛造過程中產(chǎn)生內(nèi)裂的原因是由于內(nèi)部存在疏松，疏松部位在鍛造過程中受到拉應(yīng)力的作用，形成應(yīng)力集中從而導(dǎo)致鍛造開裂。莫立華[7]對(duì)XM-19不銹鋼鍛造開裂的原因進(jìn)行了分析，加熱溫度過高導(dǎo)致過燒，奧氏體晶界弱化，晶界強(qiáng)度低于晶內(nèi)強(qiáng)度，造成沿晶斷裂，特別是沿原奧氏體晶界高溫鐵素體的析出，加劇了鍛造裂紋的萌生和發(fā)展。常紅英[8]對(duì)一爐含Se4J38鍛件開裂的原因進(jìn)行了分析，結(jié)果表明引起鍛件開裂的主要原因是Se和Fe生成了沿晶界分布的低熔點(diǎn)化合物，當(dāng)加熱溫度超過化合物的熔點(diǎn)時(shí)，造成晶界熔化、燒毀，從而導(dǎo)致在鍛造時(shí)開裂。韓靜濤[9]等研究了大型鍛件的夾雜性裂紋與鍛造工藝控制，他們指出:①控制預(yù)鐓粗變形量，經(jīng)過模擬研究表明：高徑比為0.6～2.0的鋼錠內(nèi)部夾雜性裂紋開始凝合的鐓粗變形量為50%，考慮到后續(xù)變形對(duì)鍛件心部夾雜延展的進(jìn)一步作用，鋼錠的預(yù)鐓粗變形量應(yīng)控制在40%左右為宜。如需要進(jìn)一步減少鍛件的高度，可采用旋轉(zhuǎn)進(jìn)砧壓下來實(shí)現(xiàn)。②保證壓實(shí)所需的變形工藝參數(shù)，采用FM法鍛造時(shí)應(yīng)滿足砧寬比大于0.6、單面壓下量大于15%的要求。③控制終鍛火次及變形量，為修復(fù)前步鍛造工藝中可能產(chǎn)生的、無損檢測(cè)可見的夾雜性裂紋，要求在普通鍛造工藝中增加對(duì)終鍛火次和變形量的控制要求。具體執(zhí)行時(shí)，可將半成品返爐后在高溫下保溫，使鍛件內(nèi)部裂紋處的孔洞被充分填充，然后按壓實(shí)所需的變形量進(jìn)行終鍛變形及整形，壓實(shí)內(nèi)部仍存在的顯微孔洞達(dá)到對(duì)鍛件的尺寸要求?？刂平K鍛火次的另一目的是利用鍛件的高溫停鍛效應(yīng)，以保證鍛件內(nèi)部晶粒尺寸的均勻，避免混晶現(xiàn)象的發(fā)生。北滿特殊鋼集團(tuán)公司中心實(shí)驗(yàn)室的金宏偉[10]通過金相、斷口、掃描分析，結(jié)合五害元素、化學(xué)成分以及氣體含量對(duì)34CrNi3Mo鋼錠鍛裂原因進(jìn)行了分析，柱狀晶發(fā)達(dá)，低熔點(diǎn)的夾雜物沿柱狀晶界析出，削弱了晶間的結(jié)合力，從而造成鍛件沿晶斷裂而報(bào)廢。1 050～1 250℃銅在奧氏體中的溶解度一般在9%左右。鋼在1 100～1 200℃的氧化性氣氛中加熱時(shí)，由于選擇性氧化，在表層會(huì)產(chǎn)生富銅區(qū)，超過溶解度之后會(huì)以液態(tài)相的形式析出，液相沿晶界向內(nèi)滲透，容易產(chǎn)生所謂的“熱脆”現(xiàn)象。銅含量越高，則富銅區(qū)的形成速度愈快，表層的鍛造開裂傾向也越嚴(yán)重。若含有錫、銻，還會(huì)嚴(yán)重降低銅在奧氏體中的溶解度，加劇這種脆化傾向[11]。

圖1 鍛造開裂的研究方法Figure 1 Research method of forging cracking

圖2 應(yīng)變誘導(dǎo)裂紋試驗(yàn)示意圖[12]Figure 2 The schematic diagram of strain induced crack test[12]

3 大型鍛件鍛造開裂的研究方法

3.1 試驗(yàn)法

理化檢測(cè)是鍛件質(zhì)量分析和金屬材料失效分析中最常用的一種檢測(cè)方法，主要分為宏觀(低倍)分析和微觀分析。宏觀分析主要是檢測(cè)宏觀裂紋的走向、斷裂源的位置以及二次裂紋與主裂紋之間的關(guān)系。微觀分析主要是借助金相顯微鏡、掃描電鏡、能譜、電子探針等來分析材料的微觀組織，進(jìn)而解釋缺陷產(chǎn)生的本質(zhì)原因。熒光檢測(cè)、超聲檢測(cè)方法在檢測(cè)鍛件內(nèi)部缺陷的過程中發(fā)揮著重要的作用。這些檢測(cè)手段在解釋缺陷產(chǎn)生的微觀機(jī)理方面有著不可替代的作用。鍛造開裂的研究方法見圖1。

物理模擬實(shí)驗(yàn)是另一種常用的研究方法，一般采用熱模擬試驗(yàn)機(jī)來完成。通過把試樣制成標(biāo)準(zhǔn)試樣，借助熱力模擬實(shí)驗(yàn)機(jī)來再現(xiàn)鋼鐵材料在熱加工過程中的組織與性能變化規(guī)律，從而預(yù)測(cè)材料在熱加工過程中可能存在的問題。采用熱力模擬實(shí)驗(yàn)大大降低了材料的研究成本，對(duì)現(xiàn)有生產(chǎn)工藝的優(yōu)化以及新工藝的制定都起著重要的作用。何文武[11]在鍛造裂紋的分析與防治中提出熱鍛裂紋的研究方法主要有以下幾種：①高溫拉伸：通過高溫拉伸實(shí)驗(yàn)來研究材料的高溫塑性，從而確定材料的高溫塑性指標(biāo)，為鍛造工藝參數(shù)的制定提供依據(jù)。②應(yīng)變誘導(dǎo)裂紋張開試驗(yàn)(圖2)提出了裂紋開啟的臨界應(yīng)變量：

εC=ln(D1/D0)

(1)

式中，D0為試件原始直徑；D1為裂紋啟開時(shí)鐓粗部分試件直徑。臨界變形量越大，說明材料的高溫塑性越好，材料開裂的敏感性越小。③熱扭轉(zhuǎn)和熱彎曲試驗(yàn)：主要是通過扭轉(zhuǎn)、彎曲試驗(yàn)來評(píng)定材料在高溫條件下塑性的優(yōu)劣，從而為確定合理的熱加工工藝參數(shù)提供依據(jù)。

3.2 解析法

解析法主要是以實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)為依托，通過數(shù)學(xué)的方法把影響材料斷裂的因素進(jìn)行定量描述。近年來材料的韌性損傷與斷裂理論成為固體力學(xué)研究的熱門話題[13]。Freudenthal[14]與Gillemat等[15]提出用材料的等效塑性應(yīng)變與等效應(yīng)力的積分函數(shù)來定義發(fā)生破壞的時(shí)機(jī)，當(dāng)其特征區(qū)域單位體積所吸收的塑性變形能達(dá)到閥值時(shí)，材料就產(chǎn)生宏觀裂紋，該模型的缺陷之處是沒有考慮拉伸主應(yīng)力及靜水應(yīng)力的影響。

C=∫εf0σdε

(2)

式中，εf為材料斷裂的等效應(yīng)變；dε為等效應(yīng)變?cè)隽?；σ為等效?yīng)力；C為材料的臨界破壞值。

Ayada[16]則認(rèn)為等效應(yīng)變和靜水應(yīng)力是影響空穴擴(kuò)張的主要因素，提出了以下準(zhǔn)則：

C=∫εf0σmσdε

(3)

式中，σm為靜水應(yīng)力。

McClintock[17]將空穴看做變形材料的內(nèi)部缺陷，忽略了空穴與空穴之間的交互作用，提出了以下的斷裂準(zhǔn)則：

C=∫εf0〔2 (1-n)3sin {(1-n)3(σ1+σ3)2σ} +σ1-σ3σ〕dε

(4)

式中，n為材料的硬化系數(shù)；σ3為材料斷裂時(shí)的最小主應(yīng)力。

Crockroft 和Latham[18]考慮到材料的斷裂主要與拉伸主應(yīng)力有關(guān)，認(rèn)為對(duì)于某一給定的材料，在一定的應(yīng)變速率和溫度下，當(dāng)最大拉應(yīng)力-應(yīng)變能達(dá)到某一臨界值時(shí)，材料會(huì)產(chǎn)生斷裂，其斷裂準(zhǔn)則如下：

C=∫εf0σ*σdε

(5)

式中，σ*為最大拉伸應(yīng)力；εf為材料斷裂的等效應(yīng)變；dε為等效應(yīng)變?cè)隽?；σ為等效?yīng)力；C為材料的臨界破壞值。

各個(gè)斷裂準(zhǔn)則表明，當(dāng)金屬材料的塑性變形功達(dá)到臨界破壞值C的時(shí)候，材料的局部發(fā)生斷裂并產(chǎn)生裂紋。眾多研究表明[19～22]，C﹠L準(zhǔn)則對(duì)預(yù)測(cè)金屬材料塑性變形過程中裂紋的萌生可以起到很好的作用。

3.3 數(shù)值模擬

數(shù)值模擬主要是在定解條件和數(shù)學(xué)方程的基礎(chǔ)上將實(shí)際過程抽象為理論模型，以計(jì)算機(jī)的模擬運(yùn)算為依托求得所需要的數(shù)值解，從而推算實(shí)際過程的發(fā)生。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)以及信息科技的發(fā)展，在塑性成型過程力學(xué)分析的基礎(chǔ)上建立了金屬塑性成型過程數(shù)值模擬方法。在金屬塑性成型中關(guān)于數(shù)值模擬的有限元法大致分為兩類：一類為剛粘塑性有限元法和剛塑性有限元法的流動(dòng)型塑性有限元法；另一類為小變形彈塑性有限元法和大變形彈塑性有限元法的固體型塑性有限元法[23]。

在金屬塑性成型的問題上，彈塑性有限元法不僅能計(jì)算金屬材料內(nèi)部的應(yīng)力、應(yīng)變分布，而且可以計(jì)算成型之后殘余應(yīng)力和殘余應(yīng)變的分布，它主要適用于板料成型的數(shù)值模擬。對(duì)于大型鍛件來說，由于整體上變形比較大，可以把材料的變形直接視為塑性變形，所以可以采用剛塑性有限元法，從而大大減少計(jì)算的時(shí)間。

由于大鍛件的尺寸效應(yīng)，對(duì)于改進(jìn)的工藝方案不可能進(jìn)行1∶1的工藝實(shí)驗(yàn)，小件的實(shí)驗(yàn)與實(shí)際生產(chǎn)過程中的誤差比較大，要想全面地了解整個(gè)工藝過程的結(jié)果，借助于有限元模擬可以起到很好的效果。物理模擬的局限性在于所獲得的實(shí)驗(yàn)結(jié)果一般只能體現(xiàn)整個(gè)對(duì)象在實(shí)驗(yàn)結(jié)束之后的一個(gè)綜合效果，而利用有限元模擬不僅可以形象的展現(xiàn)材料在整個(gè)工藝過程中的變化，而且可以對(duì)材料的加工過程有一個(gè)清楚的認(rèn)識(shí)，可以說有限元模擬是物理模擬的一個(gè)補(bǔ)充。同樣，有限元模擬結(jié)果的合理性與可靠性需要物理模擬來進(jìn)行驗(yàn)證和檢測(cè)，物理模擬和有限元模擬在研究大型鍛件鍛造成型的過程中是相輔相成的。國(guó)內(nèi)外眾多學(xué)者大都采用物理模擬與數(shù)值模擬相結(jié)合的方法來研究大型鍛件的塑性加工過程。劉建生[24]提出了數(shù)值模擬與物理模擬相結(jié)合的內(nèi)在研究機(jī)制，如圖3所示。

當(dāng)今有限元模擬已經(jīng)和理化檢測(cè)、解析一起作為金屬塑性成型研究的三大支柱。有限元模擬具有廣泛的適用性，它可以形象的演示材料熱變形過程的整個(gè)過程，并能給出詳細(xì)的計(jì)算結(jié)果，無論從時(shí)間效益還是經(jīng)濟(jì)效益來說都是很不錯(cuò)的選擇。

圖3 大型鍛造工藝研發(fā)中模擬技術(shù)集成機(jī)制[24]Figure 3 The integration mechanism of simulation technology in the development of heavy forging processes[24]

4 結(jié)語

裂紋問題是制約大型鍛件發(fā)展的主要問題，大型鍛件的特性使其在鍛造過程中與中小型鍛件相比存在著許多難題。鍛造裂紋的研究正在由傳統(tǒng)的理化分析到理化分析和解析法、數(shù)值模擬相結(jié)合的新方向發(fā)展。對(duì)鍛造過程進(jìn)行數(shù)學(xué)分析和數(shù)值模擬，與實(shí)際鍛造工藝相結(jié)合，加大對(duì)鍛造過程中裂紋的控制，對(duì)指導(dǎo)大型鍛件的生產(chǎn)具有重要的意義。

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