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大型锻件的模拟技术及内部质量控制研究2机械信息行业资讯资讯【CICEE】

2022-11-24 来源:邵阳机械信息网

虽然目前检验标准还无法对其进行科学评判,但在锻造过程中应充分利用变形特性保证缺陷的合理分布。研究变形分布规律可以有效地解决空洞压实问题,为变形控制晶粒度乃至生产复合性能锻件提供工艺参数。

3 材料内部缺陷损伤与修复规律

在锻造过程中,大型锻件内部存在的夹杂物和粗大的晶界是引起材料损伤的原因。研究夹杂物的变形行为及其对金属基体变形的影响表明,在800℃~1200℃温度范围内,随着温度的升高,裂纹产生存在着3种形式:①夹杂处基体形成空洞,空洞长大直至汇合;②夹杂与基体脱开形成空洞,然后沿界面扩展到基体直至断裂;③裂纹萌生于晶界,沿晶界扩展至断裂。据此提出了夹杂性裂纹聚合的物理模型,结合变形规律提出了细观损伤力学模型及判据。粗大的晶界在变形过程中非常容易引起裂纹产生,致使损伤出现,其规律和机理有待深入研究。

高温修复是在生产实践中发现的新现象,在机理尚未清楚的情况下,修复了已探伤证明报废的大型管板、模块、转子等锻件,取得了显著的经济效益。

在再结晶温度以上,修复过程主要由裂纹界面基体金属中的原子向裂纹空洞扩散迁移和晶粒长大2个阶段完成。当裂纹较小时,由于温度升高体积膨胀或相变体积增大,致使裂纹表面接触,依靠热力条件即可实现缺陷修复。缺陷较大时,则需通过塑性变形使裂纹表面充分接触,然后才能出现原子迁移和晶粒长大直至裂纹修复。裂纹修复后,各项性能均可恢复到初始状态。损伤与修复是同一缺陷变化过程的2个方面,存在于整个塑性变形过程,二者的影响因素各不相同。充分利用其影响因素的差别,可以有效地控制缺陷损伤与修复的变化过程[3]。

利用损伤与修复规律,在锻造生产中最大限度地控制缺陷产生,修复已产生的缺陷或已报废的大型锻件,将产生巨大的经济效益和社会效益。

4 变形与晶粒组织的关系

采用普通方法炼钢、注锭,大变形时内部夹杂物易发生聚合致使缺陷超标。而超纯净炼钢技术使得钢水质量大为提高,但是注锭时由于缺少结晶核导致晶粒过分粗大,给后续锻造控制晶粒带来困难。电渣重熔或定向凝固制锭工艺使得晶粒呈方向性生长并且尺寸较大,致使晶粒与晶界之间性能差别较大。由于显微纯净度降低,易引起缺陷损伤发生,致使缺陷超标。采用上述何种方法生产大型锻件综合效果较好,目前尚无定论。

高温变形过程中,材料既要经历热力变化,又要经历金相组织变化,一定的热力参数决定了金属的组织,而组织的变化反过来又影响金属的变形规律,并决定着锻件的性能。热加工中组织变化为动态、静态、亚动态再结晶多机制软化过程。对于变形量小(达不到动态再结晶临界应变)的锻造工艺,锻件的晶粒细化需要通过锻后高温保温阶段的静态再结晶来实现。将材料静态再结晶模型与具体的锻造工艺相结合,用于预测核电大型锻件锻后晶粒尺寸的变化,就可确定获得均匀细小晶粒的锻造工艺参数。

再结晶后的细小晶粒不稳定,在高温停留时会快速长大。实验研究表明,当晶粒长大到一定程度时,其长大趋势便不明显。一定的温度存在特定的稳定晶粒尺寸,同时存在着晶粒粗化温度,即超过此温度,稳定晶粒尺寸急剧增大。

实验得到ASME 508cl.3 钢的稳定晶粒尺寸和晶粒粗化温度,参考此晶粒粗化温度和稳定晶粒尺寸来制定锻造工艺温度规范,可以控制锻件毛坯的初始晶粒度和锻件晶粒尺寸。综合考虑动态、静态、亚动态再结晶对晶粒细化的作用,给出了热变形后高温停顿5 min~10 min晶粒细化的黑箱模型,实现了多工序热锻的晶粒度预测和控制[4,5]。

将材料动态再结晶模型与三维刚粘塑性模型有限元耦合,已用于预测核电大型锻件锻造过程中细观组织变化,由此制定的核电锻件锻造工艺方案,可直接用于生产。

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