（机械设计及理论专业论文）大型锻件孔隙性缺陷修复的力学条件及冷却自愈合研究.pdf

摘要 摘要 大型锻件是经济建设、国防工业和现代科学事业发展所必需的各种大 型、关键设备、装置中的主要基础零部件，其生产能力和技术水平是衡量 一个国家的重工业发展水平的主要标志之一。论文针对我国大型锻件生产 中存在的共性技术问题，对大型锻件内部孔洞性缺陷的修复，进行了深入 的研究，对于今后大型锻件的生产质量具有重大意义。 建立了孔洞性缺陷锻造过程物理模拟模型，在g l e e b l e 一3 5 0 0 材料试验 机上通过对带孔锻件的压合实验，分析了孔洞缺陷在锻造过程中的变形演 变过程及临界闭合孔洞界面的微观形态。根据孔洞闭合界面的接触力学行 为，建立了闭合孔洞界面在压力( 或变形) 作用下的高温扩散焊合物理模拟 模型，通过对具有光滑表面的试件进行压力焊接试验来模拟闭合孔洞的焊 合过程，得出了孔洞焊合与压力、温度和保温时间的关系。 采用有限元模拟的方法，建立了大型锻件锻后形态的有限元模型，研 究了大型锻件锻后冷却过程中应力、温度随冷却时间的变化分布。以物理 模拟得出的闭合孔洞焊合条件为判据，通过模拟不同冷却条件下锻件内部 应力、温度等热力参数的变化，选择出了最佳的锻后冷却工艺。 为验证有限元模拟的准确性和可靠性，进行了工件空冷的物理实验。 通过实验结果和有限元模拟的对比，二者温度场分布基本吻合，验证了有 限元模拟的可靠性。 本文研究了大型锻件孔洞性缺陷的高温扩散焊合过程，建立了大型锻 件内部缺陷修复的判据，得出了锻件锻后热处理前的最优冷却工艺。研究 成果对修复大型锻件内部孔隙性缺陷、提高大型锻件的质量具有指导作用。 关键词大型锻件孔隙性缺陷修复条件有限元方法冷却工艺 苎生奎兰三兰婴圭主垡堕苎 a b s t r a c t l a r g ef o r g i n g sa l em o s t l yb a s i cp a r t so fm o s tl a r g eo rk e ye q u i p m e n ta n d d e v i c e su s e di nd e v e l o p m e n to fe c o n o m yc o n s t r u c t ，n a t i o n a ld e f e n c ei n d u s t r y a n dm o d e ms c i e n c ep r o j e c t i t st h r o u g h p u ta n dt e c h n i q u el e v e li so n eo ft h e m o s t l ys y m b o lw h i c hc a nw e i g ht h ed e v e l o p m e n tl e v e l o fc o u n t r y sh e a v y i n d u s t r y i nt h i sa r t i c l e ，a i m e da tt h ec o m m o n n e s st e c h n i q u ep r o b l e mc o n s i s ti n t h ep r o d u c t i o no fl a r g ef o r g i n g s ，h a v em a d ead e e pr e s e a r c ho nt h es e a m i n go f i n t e r i o rh o l ed e f e c t so fl a r g ef o r g i n g s t h i sh a si m p o r t a n ts i g n i f i c a n c et ot h e p r o d u c t i o nq u a l i t yo fl a r g ef o r g i n g sf o rt h ef u t u r e c o n s t i t u t e dp h y s i c a ls i m u l a t i o nm o d e lo fh o l e sd e f e c t s f o r g i n gp r o c e s s ，w e m a d ep r e s se x p e r i m e n to ft h eh o l e d e f e c ts a m p l eo nt h eg l e e b l e - 3 5 0 0m a t e r i a l t e s te q u i p m e n t a n a l y z e dd i s t o r t i o np r o c e s so fh o l e sd e f e c t si nt h ef o r g i n g p r o c e s sa n dm i c r o c o s m i cc o n f o r m a t i o no fc r i t i c a l c l o s eh o l e s i n t e r f a c e b a s e d o nt h ec o n t a c td y n a m oa c t i o no fh o l e s c l o s ei n t e r f a c e ，w ec o n s t i t u t e dh i g h t e m p e r a t u r ed i f f u s i o np h y s i c a lm o d e lo ft h ec l o s eh o l e s i n t e r f a c et h a tu n d e r t h e e f f e c to fp r e s s u r eo rd i s t o r t i o n u s e dp r e s ss e a le x p e r i m e n to fg l a z e d s u r f a c e s a m p l et os i m u l a t et h es e a m i n gp r o c e s so f c l o s eh o l e s ，e d u c e dt h ec o n n e c t i o no f h o l e ss e a m i n ga n dp r e s s u r e ，t e m p e r a t u r e ，h e a tp r e s e r v a t i o n a d o p t e dt h em e t h o do ff i n i t e e l e m e n ts i m u l a t i o n ，w ec o n s t i t u t e dt h ef i n i t e e l e m e n tm o d e lo fl a r g ef o r g i n g sa f t e rf o r g i n g ，r e s e a r c h e dt h et i m ed i s t r i b u t i n g c u r v eo ft h ep r e s s u r ea n dt e m p e r a t u r eo ft h el a r g ef o r g i n g s c o o l i n gp r o c e s sa f t e r f o r g i n g u s et h es e a m i n gq u a l i f i c a t i o no fc l o s eh o l e st h a te d u c e db yp h y s i c a l s i m u l a t i o na sc r i t e r i o n ，w ee l e c t e dt h eb e s tc o o l i n gt e c h n i q u ef o rt h es a m p l e a f t e rf o r g i n gb ys i m u l a t i n gc h a n g e so fi n t e r i o rp r e s s u r e ，t e m p e r a t u r ea n ds oo n t h et h e r m o d y n a m i c sp a r a m e t e ro nd i f f e r e n tc o o l i n gc o n d i t i o n t ov a l i d a t et h ev e r a c i t ya n dr e l i a b i l i t yo ff i n i t ee l e m e n ts i m u l a t i o nm e t h o d ， w em a d et h ep h y s i c a le x p e r i m e n to f f o r g i n g sc o o l i n gi nt h ea i r b yc o n t r a s tw i t h t h ef i n i t ee l e m e n ts i m u l a t i o nr e s u l t ，t h e i rt e m p e r a t u r ef i e l d sd i s t r i b u t i n ga r e n a b s t r a c t m o s t l yc o n s i s t e n t ，v a l i d a t e dt h er e l i a b i l i t yo ff i n i t ee l e m e n ts i m u l a t i o nm e t h o d i nt h i sa r t i c l ew eh a v er e s e a r c h e dt h eh i g ht e m p e r a t u r ed i f f u s i o ns e a m i n g p r o c e s so fh o l e sd e f e c t si nl a r g ef o r g i n g s ，c o n s t i t u t e dt h ec r i t e r i o nf o rr e p a i ro f i n t e r i o rd e f e c t si nl a r g ef o r g i n g s ，e d u c e dt h eb e s tc o o l i n g t e c h n i q u ef o rt h e f o r g i n g sa f t e rf o r g i n ga n db e f o r eh e a tt r e a t m e n t t h er e s e a r c hh a r v e s th a v e i n s t r u c t i o n a le f f e c tt or e p a i ri n t e r i o rh o l e sd e f e c t si nl a r g ef o r g i n g sa n di m p r o v e t h eq u a l i t yo fl a r g ef o r g i n g s k e y w o r d sl a r g ef o r g i n g s ；h o l e sd e f e c t s ；r e p a i rq u a l i f i c a t i o n ；f i n i t ee l e m e n t m e t h o d ；c o o l i n gt e c h n i q u e i l l 燕山大学硕士学位论文原创性声明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文大型锻件孔隙性缺陷修 复的力学条件及冷却自愈合研究，是本人在导师指导下，在燕山大学攻读 硕士学位期间独立进行研究工作所取得的成果。据本人所知，论文中除已 注明部分外不包含他人己发表或撰写过的研究成果。对本文的研究工作做 出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式注明。本声明的法律结 果将完全由本人承担。 作者签字：商牟幺j 缛 日期：。p 锣年j 月侣日 燕山大学硕士学位论文使用授权书 大型锻件孑l 隙性缺陷修复的力学条件及冷却自愈合研究系本人在 燕山大学攻读硕士学位期间在导师指导下完成的博士学位论文。本论文的 研究成果归燕山大学所有，本论文的研究内容不得以其它单位的名义发表。 本人完全了解燕山大学关于保存、使用学位论文的规定，同意学校保留并 向有关部门送交论文的复印件和电子版本，允许论文被查阅和借阅。本人 授权燕山大学，可以采用影印、缩印或其它复制手段保存论文，可以公布 论文的全部或部分内容。 保密口，在年解密后适用本授权书。 本学位论文属于， 不保密囱。 ( 请在以上相应方框内打“”) 作者签名： 商璇烤 日期：即0 7 年瑚厢日 导师签名铆邓 日期：御年钼加 第1 章绪论 1 1 课题背景 第1 章绪论 大型锻件是国民经济建设、国防工业和现代科学事业发展所必需的各 种大型、关键设备、装置中的主要基础零部件，被广泛应用于冶金、矿山、 电力、石油、化工设备、船舶制造工业以及军工产品制造等领域。其生产 能力和技术水平是衡量一个国家的重工业发展水平与重大、关键技术装备 自给能力的主要标志之一，因此提高大型锻件的质量，保证其运行过程中 的安全性和可靠性，具有十分重要的意义l ”。 由于大型锻件的特殊性及其与国民经济发展的重要关系，世晃主要发 达国家的大型锻件生产能力与产品质量均已达到了相当高的水平。而我囡 大型锻件的生产事业是在上个世纪5 0 年代中期才开始建立，至今重大装备 制造技术还十分落后，尤其在钢锭利用率( 国外已达到6 0 6 3 ，国内约 为5 5 ) 、大型锻件力学性能均匀性、表层硬化层深度、产品合格率以及能 源与原材料消耗等方面与发达国家仍有较大差距。为解决重大装备长期依 赖于进口的问题，国家在十五期间启动了2 1 项重大技术装备研制计划，力 图在该领域缩小与发达国家的差距。 大型锻件的主要特点是尺寸大、重量大，如6 0 0 m w 汽轮发电机转子锻 件尺寸为0 2 8 0 m m 6 3 1 0 m m ，单件重量为1 1 1 5 1 0 3 k g ，国外生产的2 2 0 0 2 4 0 0 m w 汽轮发电机转子锻件的尺寸为0 8 0 8 m m x 6 8 8 0 m m ，单件重量可达 2 4 7 x 1 0 3 k g 。此外，大型锻件生产环节多，影响大型锻件质量的因素众多【2 】。 由于冶炼和铸锭工艺过程本身的复杂性，钢锭内部不可避免地存在非金属 夹杂、偏析、气孔、白点、裂纹、缩孔和疏松等缺陷。尤其是其中的裂纹 缺陷，如果缺陷出现在关键部位，就可能导致锻件报废【3 j 。为减少因孔隙性 裂纹而导致的报废，材料内部缺陷的修复机制的研究日益引起重视，特别 是能够将其用于修复生产报废和在役使用报废产品的广泛应用前景倍受关 燕山大学t 学硕上学位论文 注。国内外对孔隙性缺陷的修复研究卜5 1 ，多认为孔隙性缺陷的修复分为两 个阶段，即孔隙的闭合阶段和焊合阶段。闭合阶段主要是通过锻造变形消 除孔隙，使孔隙两自由面形成物理接触；焊合阶段主要是通过自由面上原 子的迁移扩散在两自由面之间形成金属键连接，从而消除自由表面。 锻造产生的塑性变形是孔洞性缺陷得以变形压实锻合、在孔洞界面形 成物理接触的前提，同时也为闭合孔洞的焊合修复提供了塑性变形、温度、 压力和保温时间等有利条件。但通过锻造成形阶段能否实现缺陷的真正焊 合修复，需要回答和解决的问题还很多，如缺陷完成焊合修复需要什么样 的条件，具体包括需要多高的温度、多大的压力或变形量，必须保温多长 时间，锻件内部闭合孔洞界面的变形或压力是否满足焊合条件等，这些问 题都有待于我们进一步解决。 1 2 大型锻件内部缺陷修复研究概述 1 2 1孑l 隙性缺陷修复机理研究概况 由于金属材料中裂纹修复规律的研究较少，目前尚无完整的修复理论， 并且高温状态下金属中相变、晶粒长大、再结晶等机理与非金属有相似性， 因此非金属材料裂纹修复机理虽不能直接应用于金属材料，但是对金属材 料裂纹修复机理的研究具有很大的启发作用。 1 2 1 1体积膨胀和表面蒸发修复机理这种机理主要认为由于材料的体 积膨胀或者由于裂纹表面蒸发后凝结而导致裂纹消失。 1 9 7 0 年，l a n g eff 和g u p t a t k l 6 通过对单晶、多晶a 1 2 0 3 及多晶z n o 试样热处理前后强度变化进行研究，发现这些材料在热处理后强度比热处 理前升高，并且m g o 和s i c 等陶瓷材料也有相似现象。他们认为，在热处 理过程中，试样制备和加工过程中产生的裂纹得到了修复，裂纹修复是由 于体积膨胀将裂纹孔隙压缩或表面扩散和表面蒸发后凝结所致。 另外l a n g eff 1 7 1 等还发现当加热到1 7 0 0 并保温1 到5 0 h 后，多晶 a 1 2 0 3 表面裂纹消失，并且试样的强度在保温开始阶段随保温时间延长而迅 速恢复，当保温时间超过7 h 后，强度缓慢下降。 2 第1 章绪论 1 9 7 3 年，r o b e r t sjta 和w r o n abj l s l 研究了u 0 2 棒水冷淬火裂纹在 1 6 0 0 、1 8 0 0 和2 0 0 0 下等温退火时裂纹修复和断裂强度恢复。金相观 察发现，退火时裂纹通过不均匀收缩转变为不规则圆柱形或球形孔洞，于 是提出孔洞尺寸减小进而修复的驱动力是孔洞表面积的最小化。 他们认为裂纹修复时晶粒长大对修复没有多大影响，制约裂纹修复的 是材料内部的扩散过程。晶粒尺寸大而稳定的材料中，裂纹通过体积扩散、 表面扩散或表面蒸发后凝结等物质传输而修复。应力状态对裂纹修复行为 影响非常大，压应力促进裂纹修复，相反拉应力抑制裂纹修复。 后来，s i n g hr n 和r o u t b o r tjl 【9 】测定了几种类型( u ，p u ) c 材料在不 同温度下的断裂应力，发现5 0 0 以下断裂强度与温度成正比，5 0 0 以上 断裂强度随温度升高而降低。 综上所述，可知这种机理有可能出现在大型锻件裂纹修复中。因为大 型锻件材料在加热和冷却过程中都存在相变，相变引起体积变化，在裂纹 处造成大的应力集中。特别是在大型锻件中，由于温度不均匀性，各处相 变程度不同，导致非常大的相变应力。 1 2 1 2 晶粒长大机理这种机理认为裂纹消失是材料中晶粒长大所致，主 要是指材料整体晶粒长大和裂纹表面晶粒向孔隙长大两种晶粒长大方式。 b r o n i s zs e 和d o u g l a s s d l l l 0 1 在1 9 6 8 年用透射电镜观察了t h o z 、p u 0 2 等薄膜中的裂纹修复，认为晶粒由一侧裂纹面向另外一侧生长填充，最终 消除裂纹。即只有在晶粒长大的条件下，裂纹修复才有可能以物质传输机 理进行。 但是，g u p t a t k t “】在1 9 7 5 年研究了a 1 2 0 3 退火时强度的恢复问题认为 修复不是晶粒长大所致，因为强度恢复在很短时间内就可完成，晶粒不会 在如此短时间内长大。同时热处理时退火温度低于试样制备时烧结温度， 单晶材料在退火时不存在晶粒长大，但是强度同样可以恢复，由此认为裂 纹修复与晶粒无关。 c u r t i s s c o t t 和v a n b a o t r a n 【1 2 】研究了m g o 重量百分比不同的a 1 2 0 3 在 真空状态下的扩散焊接。在真空状态下，将两个圆柱体试样上下叠放在一 起，在不同温度及压力下保温保压一段时间，发现焊缝的变化过程与裂纹 燕山大学t 学硕士学位论文 修复过程很相似。由此认为界面缝隙的焊接和孔洞的消除主要受退火时晶 粒长大影响，热处理可以消除的缝隙尺寸必须小于最终晶粒尺寸的一半。 晶粒长大机理确定了晶粒在裂纹修复中的重要性，但是在大型锻件生 产中，锻件在经过高温长时间保温后晶粒尺寸变大，仍然有一些尺寸远小 于基体晶粒尺寸一半的裂纹没有修复。 1 2 1 3 位错扩散和湮灭修复机理这种机理认为裂纹消失是由于裂纹自 由面在位错的作用下向裂纹孔隙扩展从而最终导致裂纹消失。这种机理的 提出主要是发现裂纹修复时裂纹自由面的消失主要有两种方式，一是裂纹 自由面平行向裂纹孔隙中心收缩，其次是部分裂纹自由面生长快而导致局 部裂纹自由面首先接触。 z h a n y iw a n g i ”1 等用激光诱导方法在l i f 单晶体中得到内部裂纹，在无 污染条件下进行退火修复处理，发现裂纹修复过程包含三个阶段：1 ) 在裂纹 前端边缘和紧靠c 1 1 0 方向的内部区域，裂纹不连续收缩为圆柱形孔洞；2 ) 方向孔洞分解为多个孤立的方形孔洞，同时接近 方向还存在盘 形裂纹收缩；3 ) 孤立孔洞的收缩。在对裂纹修复的早期阶段进行了仔细研究 后认为，裂纹热修复的驱动力是表面对系统总自由能贡献的最小化。第一 阶段中不连续收缩受到裂纹表面几何形状和粗糙度制约，裂纹表面的粗糙 度使得裂纹表面局部可以首先接触，这些接触面首先进行相对两表面的扩 散焊，形成了裂纹中已修复区域和正在修复区域及未修复区域交叉状态。 第二阶段中 方向孔洞分解是裂纹表面自由能各向异性所致，在 方向相对平坦区域的盘形裂纹的主要修复过程是连续收缩。裂纹的收缩率 几乎和初始裂纹长度和退火时间无关，而主要取决于预制裂纹厚度。新形 成裂纹附近存在大量的位错，在修复早期阶段，终止于外部和裂纹表面的 位错是原子迁移的快速通道，同时这些位错加速了不连续收缩过程。而且 因为原子通过位错线迁移而强化了裂纹修复过程中的形核，在修复后期由 于位错密度减小这种影响减弱。内部裂纹和表面裂纹修复行为的差别主要 是表面裂纹修复受到明显不同的扩散机理控制，内部裂纹由于没有通向外 部表面的路径，所以表面扩散不能使裂纹体积连续收缩。l i f 单晶体内部裂 纹修复过程受f 离子的体积扩散制约。 4 第l 章绪论 s a n gm p a r k 和d e n n i sr o b o y l e i “】研究了低温下n a c l 单晶体中裂 纹修复过程，发现n a c l 单晶体中裂纹修复和残余应力相关，修复以不连续 地裂纹收缩方式进行。高温退火时，一旦裂纹收缩开始，裂纹修复通过扩 散进行。2 0 0 以下时，n a c l 中裂纹宽度减小的主要原因是位错湮灭降低了 结构损伤程度。n a c l 单晶体中低温修复是裂纹面附近局部应变松弛所导致 的一个连续过程。温度在5 0 0 以上时，决定裂纹修复的因素是扩散。 位错机理可以解释裂纹修复过程中裂纹形态变化，但是位错机理的验 证，特别是检测位错在修复过程中的变化非常困难。这种机理明确指出， 裂纹自由面点阵结构决定裂纹修复中自由面生长方式，裂纹附近应力情况 通过影响位错作用于裂纹修复，因此研究大型锻件内裂纹缺陷修复时，需 要考察裂纹自由面和裂纹处应力集中情况对修复影响，并关注自由面形态 变化。 1 2 1 4 氧化修复机理这种机理认为裂纹修复足裂纹自由面被氧化所致， 裂纹表面在氧化时生成不同相导致裂纹消失。 c h o isr 和t i k a r ev i 研究了含m g o 添加剂的热压s i 3 n 4 材料在退火 时裂纹修复过程，认为裂纹修复是裂纹表面氧化反应的结果。m g ”离子在 裂纹表面与o 。起化学反应，s i 3 n 4 + 3 m g ”+ 9 0 2 = 3 m g s i 0 3 + 2 n 2 。退火时轻 微的表面氧化产生m g s i 0 3 针状晶体，填充了试样在加工和热处理过程中所 引起的表面裂纹，从而提高了试样强度。而过度地氧化，氧化层与s i 3 n 4 之间生成大量n 2 ，导致形成新气孔和裂缝等缺陷，从而降低试样强度。 氧化机理可以解释表面微裂纹的修复，但是明显不能解释不存在气体 的内部空洞的修复过程。但是氧化机理提示在研究大型锻件内裂纹缺陷修 复时，需要考虑孔隙中气体对修复的影响，特别要关注裂纹表面氧化对修 复的影响。 1 2 1 5 扩散焊接修复机理这种机理主要认为裂纹修复实质是裂纹表面 通过扩散焊接在一起。在扩散过程中可能形成真正的金属键将裂纹表面结 合起来，也可能在裂纹处形成晶界或者仅仅是裂纹两表面的粘附。 s u n gr c h o i 和v e e n at i k a r e 1 6 1 对a 1 2 0 3 重量百分比为9 6 的材料中 压痕裂纹和尺寸非常大的预制裂纹在空气和氩气中的修复行为进行了研 燕山大学工学硕士学位论文 究，将修复前后材料的断裂强度、断裂韧性和疲劳性能进行了对比。通过 研究发现，物质向裂纹表面的扩散导致裂纹修复，最终使强度和断裂韧性 增加。并认为陶瓷材料中裂纹修复可分为三类：一为焊合修复，清洁的断 裂表面被重新焊合在一起；二是与环境的化学反应，如氧化，导致在裂纹 表面处有新相形成；三足已存在的相跨越裂纹表面转变。 t h o m p s o na m a r k ”】等研究a 1 2 0 3 - - s i c 纳米复合材料中压痕裂纹的修 复过程。在无化学反应环境中，裂纹修复主要依靠两种机理，一是粘附作 用，当裂纹表面点阵结构吻合时，两自由面原予点阵粘附在一起，裂纹修 复速度取决于原子偏离平衡态的幅度：其次是扩散焊接机理，此时材料表 面要进行远距离扩散，由局部表面的差异提供驱动力。当温度较低时，表 面扩散程度小，粘附是主要的修复机理：当温度接近材料烧结温度时，裂 纹主要通过扩散焊接机理修复。研究中发现退火时只有残余应力松弛才有 可能修复裂纹。另外裂纹修复机理还依赖于裂纹形成模式，与一些研究中 认为裂纹表面凸起有利于裂纹修复结论不同，认为凸起可能会阻碍断裂表 面结合。a 1 2 0 3 一s i c 纳米材料断裂面相对平坦、凸起少，而且由于断裂主要 是穿晶断裂，相对两自由面上的晶粒位向相同，热膨胀系数相同，使得退 火加热时由相对两面上凸起引起的摩擦阻力小，从而对裂纹修复有利。由 穿晶断裂引起的裂纹修复是两表面的粘附。 w i e d e r h o msm 和t o w n s e n dpr t “j 研究了s o d a 1 i m e s i l i c a 玻璃试样 中裂纹的修复。发现机械冲击形成的裂纹，在n 2 环境中经过5 2 8 退火并 以2 h 速度冷却后，试样强度恢复到原来的8 0 ；但是当裂纹在空气 中放置几分钟后再进行修复，则强度只能恢复到原来的2 0 。经分析后认 为新形成的裂纹表面原子活性高，但若与空气中的0 2 和h z o 接触后活性下 降，在裂纹修复时只能通过粘附形成较弱的结合，导致强度恢复程度降低。 由于是粘附结合，裂纹在修复后可能会残留下微小孑l 隙。他们指出裂纹修 复的驱动力与断裂表面和与表面相关的能量( 如应变能) 释放有关，裂纹自由 面消失所释放的应变能用于在端面之间形成结合键。如果断裂面在其形成 过程中没发生任何变化，修复后强度可以完全恢复；反之，如果断裂表面 发生了物理或化学的变化，修复后强度不能完全恢复。 6 第1 章绪论 m a m o r um i t o m o 1 9 1 通过对比s i 3 n 4 和a 1 2 0 3 试样中的压痕裂纹退火时的 修复认为，a 1 2 0 3 试样中裂纹修复是裂纹附近的晶界扩散所致。修复首先发 生在相互接触的裂纹表面处，随后焊合的表面逐渐向空隙处扩展直至裂纹 孔隙完全消除，这个过程需要相当长的一段时间才能完成。s i 3 n 4 试样中裂 纹修复则略有不同，主要是由于高温下液体渗入裂纹，表面相距非常小的 裂纹表面以及裂纹尖端处毛细管的作用明显，可以通过表面张力作用吸附 液体，由于液相在低于烧结温度时就会出现，所以低于烧结温度时也可以 观察到裂纹修复现象。 b a r e n b l a t tgt 1 2 0 认为可以通过增加或者降低载荷使得裂纹扩展或修 复，裂纹修复时断裂表面所吸收的能量将释放出来。裂纹之所以能修复是 由于在裂纹尖端处形成金属键，尖端处由于裂纹表面距离非常小，裂纹表 面间的原子吸引力把分离的表面结合起来，并逐渐向整个裂纹表面推移， 最终将所有面消除。 t e r r ya m i c h a l s k e 和f u l l e rer t 2 l j 研究了硅化玻璃中裂纹的闭合和重 新扩展问题，认为裂纹修复过程中可能是氢键首先交互作用吸引裂纹表面 接触闭合，接下来是阳离子之间形成离子键，所得到的阳离子模型适用于 室温条件下裂纹修复现象的解释。 p e t e rl s w a n s o n t 2 2 1 等提出了陶瓷材料中裂纹界面上晶粒结合从而阻碍 裂纹继续扩展的机理。 扩散机理主要解释了裂纹自由面在接触后的消失过程，指出裂纹修复 与扩散有关。裂纹处的应变能释放和裂纹表面活性很大程度上决定了裂纹 修复时自由面的结合方式。这种机理很好地解释了一些微裂纹的修复，但 是很难解释大尺寸宏观裂纹的修复。大尺寸裂纹修复需要长距离扩散，但 是固态金属中，原子扩散距离有限，而且上述这些学者主要研究微裂纹， 裂纹面距离非常小。这种机理启发在研究大型锻件中裂纹修复时，需要分 析裂纹处应变能和裂纹表面活性的影响，特别要关注金属原予扩散活性对 修复的影响。 1 2 1 6 粘性流动修复机理这种机理主要出现在对玻璃材料裂纹修复研 究中，认为由于高温下裂纹表面软化并发生粘性流动而最终导致裂纹修复。 燕山大学工学硕士学位论文 h r m ap 1 2 副等研究了玻璃中压痕裂纹在5 2 5 7 2 5 温度范围内的热修 复。实验研究发现，玻璃中裂纹修复行为与陶瓷材料中裂纹修复机理不同， 认为玻璃材料在高温下由于表面张力的作用，裂纹表面发生粘性流动而修 复裂纹。将修复过程分为四个阶段：1 ) 裂纹表面松弛和钝化，完全释放由压 痕引起的残余应力，同时由于表面张力的作用，裂纹表面产生粘性流动从 而使得原本尖锐的裂纹尖端钝化；2 ) 裂纹孔隙收缩和分解，压痕区域逐渐被 流动的材料所填充，径向裂纹不连续收缩形成椭圆形孔洞，由于裂纹边界 向内迁移使得裂纹面积减少，此阶段会形成不规则的气泡连线，还会形成 连接裂纹两个面的岛屿和半岛直至裂纹被分解为分离的孔洞；3 ) 裂纹圆滑化 和沟槽化，处于材料表面的裂纹边缘逐渐沟槽化，形成圆滑的沟谷，而内 部裂纹收缩为圆柱或椭圆形孔洞；4 1 光滑化和球化玻璃表面逐渐光滑，表面 裂纹消失，而封闭于玻璃中的气体形成球形气泡。通过弯曲强度实验表明， 仅经过修复早期阶段的试样在压痕裂纹处断裂，而经历完全修复处理的试 样则在其它位置断裂。 m a r yk a yc l a r kh o l d e n 和v a n d e r e kf r e c h e t t e l 2 4 研究了在潮湿环境下 s o d a l i m e s i l i c a 玻璃中裂纹的修复行为，同样将裂纹修复分为四个阶段， 即裂纹表面在潮湿环境下暴露，然后形成胶质层，在一定条件下应力释放 导致裂纹闭合，在可控环境中干燥使原裂纹中的水分扩散出来。 r i c h a r dl l e m a n 【2 5 】等发现了氟化重金属玻璃中的压痕裂纹发生闭合 现象，而且随时间延长或温度和湿度升高裂纹闭合情况更好，在一定温度 和湿度中裂纹最终可以完全消失。对这种现象两位学者解释为基体中材料 以胶质相形式向裂纹孔隙输送，然后胶质相转变为玻璃状材料。压痕周围 的压应力或拉应力通过位错运动或粘性流动把储存的弹性能释放出来，改 变了裂纹附近的能量平衡，随着能量的释放裂纹逐渐闭合。 y a nh u iz h a n g 与l y n d o ne d w a r d s 2 6 1 对含氧化钇和硅添加剂的s i 3 n 4 陶瓷材料中的裂纹修复进行了实验研究发现，如果初始裂纹通过了多晶结 合处，在修复过程中则不会形成硅玻璃相，而是由原来基体玻璃相扩散形 成新结晶相。由此认为在多晶交接处玻璃相流动并逐渐结晶，形成了高温 退火时裂纹扩展的阻力，增加了断裂韧性，并部分恢复了材料原始强度。 8 第l 章绪论 粘性流动机理虽然主要应用于玻璃材料裂纹修复，但是这种机理指出 裂纹处应力状态对裂纹修复至关重要，修复裂纹需要释放裂纹处应变能。 粘性流动机理指出多晶结合处裂纹修复过程中形成新结晶相，大型锻件材 料在非常高的温度下材料大大软化，也可能会出现这种机理的裂纹修复。 上述所提出的各种裂纹修复机理可能同时存在于裂纹修复过程中，不 同材料不同条件下修复的主要方式存在差异，即使同种材料中不同裂纹在 相同条件下修复机理可能也不同，同种材料中同种裂纹在不同外界环境中 修复机理也存在较大差异 1 2 2 孔隙性缺陷锻造修复方法概述 大型锻件的重量、尺寸正在随着现代工业化的需求而逐渐增大，相对 于它的增长速度，大型锻造设备的吨位增长缓慢。与此同时，钢锭的重量、 尺寸增大，内部缺陷的消除和减少变得更加困难。为了有效锻合大型锻件 内部孔洞型缺陷，提高锻件的质量，一种方法是随着锻件的变化使用对应 吨位的锻造设备，再者就是使用现有的设备和不同的锻造工艺来达到同样 的锻造目的。由于大型锻件具有单件、小批量生产的特性，锻造设备的价 格也比较昂贵，这就使得人们把目标放在了开发新的锻造工艺上。自7 0 年 代以来，国内外大锻件生产厂家不断研究开发出一些新的锻造方法，如最 初拔长采用上下平砧，上平下v 型砧，上下v 型砧。后来通过改变拔长变 形方式，又发展了j t s 锻造法，f m 锻造法，f m l 锻造法，k d 锻造法， w h f 锻造法，s u f 锻造法，t e r 锻造法，a v o 锻造法，l z 锻造法等， 并成功地用于生产，对提高大锻件质量取得了明显效果。 j t s 法是1 9 5 8 年由日本学者t e f e n o 和s h i k a n o 发明的一种表面降温的 锻造方法法( j a p a n r e f e n o a n ds h i k a n o 提出并命名) ，在我国常称为硬壳锻造 法或中心压实法。其要点足，上平砧的宽度和长度分别小于钢锭的宽和长， 同时在锻前将加热到高温的钢锭表面快速冷却到7 0 0 左右，在表面形成一 层硬壳，这层硬壳在锻造过程中如同模锻中的锻模一样，使变形集中在锻 件中心部位，增加心部的压实效果。j t s 法实质上是利用坯料内外较大的温 9 燕山大学工学硕上学位论文 差，使变形集中在中心部位并在该区域获得较好的应力、应变状态，以达 到锻合心部缺陷的目的【2 ”。日本、捷克、德国锻造关键性的轴类锻件都采 用此方法，取得了较好效果1 2 引。j t s 法的主要缺点是工艺过程复杂，应用 不便。 f m 锻造法2 9 q ”是7 0 年代日本学者河合正吉等根据滑移线理论的解析 结果，提出拔长时采用上平砧下平台的锻造方法( f r e ef r o mm a n n e s m a n n e f f e c o ，即无曼内斯曼效应的锻造法。它采用上窄平砧、下宽平砧的不对称 变形，使钢锭中心区域产生轴向压应力和较大等效应变，达到有效锻合缺 陷的目的，如图1 一l 。渡边诚等用塑泥模拟了f m 法锻造时锻件心部变形情 况，指出f m 法在砧宽比大于o 3 后就可以实现三向压应力，能实现利用较 小的锻比和较小的压机吨位实现锻合孔隙的目的。 f m 法的缺点是容易造成轴线偏移，这对于大型轴类锻件来说十分不 利。文献【3 2 】利用云纹法研究了f m 锻造时的变形规律，指出当砧宽比为0 6 时，既能压合内部孔洞，又使拔长效率最高，并且此时不对称变形引起的 中心线偏移量最小。 图1 - 1f m 锻造法 f i g 1 一i f m f o r g i n gp r o c e s s 0 第1 章绪论 图1 - 2f m l 锻造法 f i g 1 - 2 f m l f o r g i n g p r o c e s s f m l 锻造法是降低f m 法压机负荷的锻造法。其砧子布置与f m 法不 同，如图1 2 。其上砧宽度比料窄，且上砧长度方向与坯料轴向一致，下面 的工具仍是大平台。f m l 法【3 3 】用小的压下量、小的锻造比和低的压机载荷， 就可以有效地锻合坯料内部的孔洞、疏松缺陷。 w h f 法是日本制钢所研究开发的一种宽砧强力压下锻造方法( w i d e d i eh e a v yb l o w f o r g i n g ) ，这种方法采用上、下宽平砧大压下量进行拔长( 如 图1 3 ) ，锻件变形大，对消除钢锭心部的缩孔、疏松等缺陷有利【】。使用 w h f 法拔长，锻造载荷高，需要大吨位的水压机1 3 5 1 。 i 图1 - 3w h f 锻造法 f i g 1 3 w h f f o 皤n gp r o c e s s k d 法第一重型机械厂在w h f 锻造法基础上于1 9 6 6 年创造的高温扩 散加热、宽砧大压下量锻造法( k 、d 为宽、大首写汉语拼音) ，使用上、下 1 l 燕山大学t 学硕上学位论文 宽v 型砧( 如图1 - 4 ) ，大压下量进行拔长1 3 6 1 。这种方法，能在坯料心部产生 大的静水压应力，有利于锻合锻件心部孑l 洞缺陷。k d 法的不足在于所适用 的坯料尺寸受到限制，需要经常换砧，因此增加了工具投入和火次。 图1 - 5s u f 锻造法 f i g 1 5 s u f f o r g i n gp r o c e s s l z 锻造法的实质是对普通平砧锻造增加了料宽比的控制，以避免锻件 1 2 第1 章绪论 心部出现横向拉应力。文献 3 8 】指出，平砧拔长矩形截面毛坯，要实现毛坯 中心无轴向拉应力作用，应控制砧宽比不小于0 8 0 9 ：要控制毛坯中心无 横向拉应力作用，料宽比应控制在0 8 5 1 1 8 范围内。 t e r 锻造法p9 j 是7 0 年代初期，德国梯森亨利希公司采用的一种称为 “梯森极限矩形法( t h y s s e n e x t r e m e r e c h t k a n t ) ”的锻造方法。该方法采用上 宽平砧在一个方向以大于3 0 的压下率进行拔长( 料不翻转) ，继之以小于 5 0 的相对压下量，并采用错砧工艺进行多次强压拔长，目的是让锻坯内部 产生最大的变形，保证锻合内部的疏松、孔洞性缺陷。然后翻转9 0 。，继续 锻造，并使宽高比小于2 。其优点足利用宽平砧，大压下量，锻合了内部缺 陷，同时由于锻造时间短，返炉加热的次数少，而提高了劳动生产率，节 约了能源，降低了成本。 a v o 锻造法足用不对称的上下v 型砧对八角型坯料进行拔长的锻造方 法( 如图1 6 ) 。由于上下砧不对称在心部能够产生较大的剪切变形，增大了 心部的变形量，有利于缺陷尺寸的减小和修复。它的缺点足易于导致锻件 轴线弯曲和缺陷外移，影响大型锻件的使用性能。 图1 - 6a v o 锻造法 f i g i - 6a v o f o r g i n g p r o c e s s m 型砧锻造法【4 0 1 是综合利用了球形板产生三向压应力与锥形板能有效 消除锻件难变形区的优点而设计的一种新型板镦粗锻造方法( 如图1 - 7 ) 。m 1 3 燕山大学t 学硕士学位论文 锻造法能够大大减少难变形区体积，使锻件变形更加均匀化，同时锻件内 部应变增大，有利于孔洞缺陷的锻合。 图1 7m 锻造法 f i g i 一7 m f o r g i n gp r o c e s s 综上所述的各种锻造方法，其着眼点都在于增大锻件心部的变形量， 使之有利于孔隙性缺陷的锻合。 1 2 3 大型锻件内部缺陷修复研究方法的发展 1 2 3 1 物理模拟研究物理模拟是人们最早用来研究大锻件锻造的方法， 通过物理模拟可以直接了解到锻件内部材料的变形情况，尤其是缺陷周围 材料的变形情况。并以此为依据，评判锻造方法的优劣及应用条件；分析 不同工艺参数的影响，优选工艺参数；比较各种砧型的锻造效果，选择砧 子的最佳几何尺寸与形状。 在物理模拟中，为了更好地满足模拟的相似原理要求，提高模拟结果 的真实性和可靠性，最早和广泛使用的模拟材料是钢和铅。为降低物理模 拟的成本，缩短试验剧期，近年来开始使用塑泥和石蜡作为模拟材料。在 模拟方法上，除传统的网格法外，光塑性方法和密栅云纹法也逐步用于大 型锻件的物理模拟中。 物理模拟的优点是直观，但其结果与所研究问题的实际结果的一致性 依赖于模型与原型对模拟相似条件的满足情况，尤其是材料的本构方程和 边界上的物理条件。物理模拟只能是对于一个具体问题进行的，由于物理 4 第1 章绪论 模拟费用较高，进行大量的物理模拟是困难的，因而很难得到具有普遍性 的定量规律。除此之外，物理模拟被广泛用于验证理论及理论分析结果的 正确性。本文的研究中将用物理模拟方法获得锻件焊合条件，并以之验证 有限元模拟结果的可靠性。 1 2 3 2 数值模拟研究计算机硬件和软件的发展为大型锻件的数值模拟 提供了物质基础和计算手段。很多学者以商业软件为依托，模拟分析大型 锻件的锻造过程，纵观其研究内容，主要是以下方面：分析传统的锻造方 法中不同工艺参数对大型锻件内部应力、应变场的影响，选择合适的工艺 参数：分析新锻造方法的锻造效果，确定其实用性；分析大锻件内部的温 度场及其对内部缺陷修复的影响，优化大型锻件锻造过程；模拟大型锻件 的组织演变。 数值模拟的优点是速度快、费用低，尤其适用于复杂的几何形状，但 也只能是针对一个具体问题的研究，难以表示各个工艺参数的关系和各工 艺参数对问题影响的一般规律。大型锻件的锻造过程是材料非线性、几何 非线性、边界非线性的变形过程，受温度场的影响也比较大。因此，材料 模型的选择，边界条件的确定，变形程度所引起的单元畸变以及算法的优 劣都对数值模拟分析结果的准确性具有较大影响。随着时代的进步，科学 技术的发展，数值模拟将会越来越多地为人们所采用。本文在大型锻件冷 却过程内部缺陷自修复条件的研究当中，采用数值模拟的方法分析了大型 锻件内部应力场和温度场变化。 1 3 国内外研究现状及综述 对于大型锻件的理论研究，上世纪八十年代以前，研究工作主要集中 在对于具体锻件的力能参数、内部应力场、应变场的确定和对锻造工艺参 数、砧子形状的优选。这些研究工作在大型锻件理论研究的初期是必需的， 也足发展过程中的必然阶段。随着理论研究的深入，各国学者普遍认识到： 大型锻件内部缺陷修复条件的建立，