（材料加工工程专业论文）316ln不锈钢锻造过程晶粒演变规律实验与模拟研究.pdf

中文摘要 中文摘要 3 1 6 l n 奥氏体不锈钢作为核电关键件材料，具有较好的力学性能和耐晶间应力腐蚀 性能，而应用到大型锻件中时存在着粗晶和混晶等质量问题，严重影响锻件的力学性能。 因而，对3 1 6 l n 不锈钢在大型锻件锻造过程中的晶粒演变规律进行较为系统的研究， 可为预测实际锻造过程中的晶粒变化提供实验依据，并且为大型锻件制备的关键技术奠 定理论基础，对微观组织模拟技术的发展有着重要的意义。 本文采用物理实验和数值模拟相结合的技术手段，系统研究了3 1 6 l n 在锻造过程 中的晶粒演变规律以及组织模拟技术。组织模拟技术中的核心问题是建立准确的组织演 变模型，因此本文从晶粒长大、动态再结晶、静态再结晶以及亚动态再结晶等方面开展 了基础的研究，获得如下主要结论： ( 1 ) 采用以回归误差平方和最小为优化目标的方法，给出了晶粒长大模型，该模 型能够较为准确的预测热处理中的晶粒长大过程。 ( 2 ) 在g l e e b l e 一1 5 0 0 d 热力模拟试验机上，采用热压缩实验研究了3 1 6 l n 不锈钢 的高温流变行为。通过分析基础实验数据，提出3 1 6 l n 高温塑性变形时的流变应力与变 形速率、变形温度之间的关系可选用双曲正弦函数来加以描述。依据应力应变曲线，并 采用p o l i a k 和j o a n s 所提出的方法，确定了动态再结晶的临界应变值，建立了动态再结 晶动力学方程。 ( 3 ) 采用双道次热压缩实验，研究了3 1 6 l n 不锈钢静态软化行为，得出静态再结 晶和亚动态再结晶的软化曲线都符合a w a m i 方程，呈现典型的s 型曲线特征。静态再 结晶受应变的影响要比应变速率要大，但亚动态再结晶则相反，通过对不同的变形参数 研究，得出应变越大，静态再结晶分数越大；应变率越高，亚动态再结晶分数越大。 ( 4 ) 结合宏观热力学行为与微观组织演变的耦合技术，将微观组织演变模型输入 d e f o r m 软件中，对不同火次的实际锻造试验过程进行了模拟，并将模拟所得的晶粒 尺寸结果与实际锻造试验所得的晶粒尺寸结果进行对比，两者误差较小，从而验证了所 建微观组织模型的可靠性。根据不同火次的锻造试验结果，得知静态再结晶不但能细化 晶粒，而且使晶粒分布更加均匀，同时通过数值模拟对细匀化结果进行验证，进而也证 明了所建组织模型的可靠性。最后本文利用d e f o r m3 d 软件对管坯某一拔长火次进行 了数值模拟，预测结果显示最大变形区域晶粒尺寸约在5 9 肿9 8 a n 之间。 316 l n 不锈钢锻造过程晶粒演变规律实验与模拟研究 关键词：3 1 6 l n 不锈钢；大型锻件；组织演变规律；组织模拟技术 a b s t r a c t a b s t r a c t 316 l na u s t e n i t i cs t a i n l e s ss t e e l ，w h i c hs h o wg o o dm e c h a n i c a lp r o p e r t i e s a n dr e s i s t a n c et oi n t e r g r a n u l a rs t r e s sc o r r o s i o n ，h a sb e e nac a n d i d a t ef o rm e k e y p i e c e so fn u c l e a rm a t e r i a l s b u ti ts e r i o u s l ya f f e c tt h em e c h a n i c a lp r o p e r t i e so f f o r g i n g sw h e nt h eq u a l i t yp r o b l e m sa b o u tt h ee x i s t e n c eo fc o a r s eg r a i na n d m i x e dg r a i no nh e a v yf o r g i n g t h u s ，i ti so fs i g n i f i c a n c e i m p o r t a n t l yo na s y s t e m a t i c a ls t u d yo ft h eg r a i ne v o l u t i o no f316 l na u s t e n i t i cs t a i n l e s ss t e e li n t h eh e a v yf o r g i n gp r o c e s st op r o v i d ee x p e r i m e n tb a s i sf o rp r e d i c t i n gt h eg r a i n d u r i n gt h e a c t u a l f o r g i n gp r o c e s s , t ol a yt h et h e o r e t i c a lf o u n d a t i o nf o rt h e p r e p a r a t i o no ft h ek e yt e c h n o l o g i e so fh e a v yf o r g i n ga n dt o d e v e l o pt h e m i c r o s t m c t u r es i m u l a t i o nt e c h n o l o g y t h ee v o l u t i o nl a wo fg r a i na n dt h e t e c h n o l o g y o fm i c r o s t r u c t u r a l s i m u l a t i o nw e r e i n v e s t i g a t e db ym e a n so ft h ec o m b i n a t i o no fp h y s i c a l e x p e r i m e n t sa n dn u m e r i c a ls i m u l a t i o n e s t a b l i s h i n gam i c r o s t m c t u r a lm o d e l i s t h ec o r ei s s u eo ft h et e c h n o l o g yo fm i c r o s t r u c t u r a ls i m u l a t i o n ，t h u st h i sa r c t i c e c a r r yo u tt h eb a s i sr e s e a r c ho nt h eg r a i ng r o w t h ，d y n a m i cr e c r y s t a l l i z a t i o n ，s t a t i c r e c r y s t a l l i z a t i o na n dm e t a d y n a m i cr e c r y s t a l l i z a t i o n t h em a i nc o n c l u s i o n sa r ea s f o l l o w s ： ( 1 ) g r a i ng r o w t hm o d e lw a sp r o p o s e dw h e nt h er e g r e s s i o ne r r o rs u mo f s q u a r e sw a sm i n i m i z e da n dt h i sm o d e lc a np r e d i c ta c c u r a t e l yt h eg r a i ng r o w t h d u r i n gt h eh e a tt r e a t m e n tp r o c e s s ( 2 ) t h ef l o wb e h a v i o ro f316 l ns t a i n l e s ss t e e ld u r i n gh o tc o m p r e s s i o n d e f o r m a t i o nw a ss t u d i e db yg l e e b l e 150 0 dt h e r m a lm e c h a n i c a ls i m u l a t o r t h i s r e s u l t ss h o wt h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h et e m p e r a t u r e ，s t r a i nr a t ea n dt h ef l o w s t r e s sc a nd e s c r i b e db yt h eh y p e r b o l i co p t i o n a ls i n ef u n c t i o nb a s e do nt h e e x p e r i m e n t a ld a t a b a s e do nt h em e t h o dw h i c hw a sp r o p o s e db yp o l i a ka n d j o a n s ，t h ed y n a m i cr e c r y s t a l l i z a t i o no ft h ec r i t i c a ls t r a i nw a sd e t e r m i n e da n dt h e d y n a m i cr e c r y s t a l l i z a t i o nk i n e t i c se q u a t i o nw a se s t a b l i s h e d ( 3 ) t h es t a t i cs o f t e n i n gb e h a v i o r sw e r ei n v e s t i g a t e db yt w o p a s sh o t c o m p r e s s i o nt e s t s t h er e s u l t ss h o ws t a t i cr e c r y s t a l l i z a t i o na n dm e t a d y n a m i c ! ! ! 型至堡塑墼堕整堡曼塾塑壅塑堡壅墅量堡型堕壅 r e c r y s t a l l i z a t i o ns o f t e n i n gc u r v e sa r ec o n s i s t e n tw i t ha v r a m ie q u a t i o n ，s h o w i n g t h et y p i c a ls - c u r v e s s t a t i cr e c r y s t a l l i z a t i o nw a sa f f e c t e dl a r g e rb ys t r a i nt h a n s t r a i nr a t e ，h o w e v e r , m e t a d y n a m i cr e c r y s t a l l i z a t i o nw a so nt h ec o n t r a r y t h e d i f f e r e n td e f o r m a t i o np a r a m e t e r sw a ss t u d i e dt oo b t a i nt h a tt h eg r e a t e rt h es t r a i n w a s ，t h el a r g e rt h ef r a c t i o no fs t a t i cr e c r y s t a l l i z a t i o nw a sa n dt h eh i g h e rt h e s t r a i nr a t ew a s ，t h el a r g e rt h ed y n a m i ca s i ar e c r y s t a l l i z e df r a c t i o nw a s ( 4 ) b a s e do nt h ec o u p l i n gt e c h n o l o g yo f m a c r o t h e r m o d y n a m i cb e h a v i o r a n dm i c r o s t r c t u r ee v o l u t i o n , t h ee s t a b l i s h e dm o d e l sw r ei n p u t t e di nd e f o r m 2 ds o f t w a r ea n dt h ea c t u a lp r o c e s so ff o r g i n go ft h ed i f f e r e n tr e p e a t e df i r i n g s w a ss i m u l a t e d t h ec o m p a r i s o no fr e s u l t sb yt h es i m u l a t i o nw i t ht h ee x p e r i m e n t s h o wt h a tt h ee r r o rw a sv e r ys m a l lw h i c hv e r i f i e st h er e l i a b i l i t yo ft h e m i c r o s t r u c t u r em o d e l a c c o r d i n gt ot h er e s u l t so ff o r g i n go ft h ed i f f e r e n t r e p e a t e df i r i n g s ，s t a t i cr e c r y s t a l l i z a t i o n n o t o n l ym a d e t h e g r a i n m o r e r e f i n e m e n t ，b u ta l s om a d eg r a i ns i z ed i s t r i b u t i o nm o r eu n i f o r m w h i l et h er e s u l t s a r ev e r i f i e db yt h en u m e r i c a ls i m u l a t i o n ，a n dt h e ni tp r o v e dt h er e l i a b i l i t yo ft h e m i c r o s t r u c t u r em o d e l f i n a l l y , b a s e do nd e f o r m3 ds o f t w a r e ，af i r i n g so f s t r e t c h i n gf o rp i p eb l a k ew a ss i m u l a t e d ，a n dt h en u m e r i c a ls i m u l a t i o nr e s u l t s p r e d i c t e dt h a tt h eg r a i n s i z eo ft h em a x i m u md e f o r m a t i o na r e ac a nr e a c h b e t w e e n5 9 岸ma n d9 8 a n k e yw o r d s ：p r i m a r yp i p e ；h e a v yf o r g i n g ；t h ee v o l u t i o nl a wo fg r a i n ；t h e t e c h n o l o g yo fm i c r o s t r u c t u r a ls i m u l a t i o n 目录 目录 摘要i a b s t r a c t ：i i i 目录v 第一章绪论1 1 1 引言1 1 2 大型锻件的研究。l 1 2 1 大型锻件的主要特点2 1 2 2 大型锻件的主要生产工艺。2 1 2 3 大型锻件的质量控制3 1 2 4 大型锻件热成形的研究方法。：4 1 3 大型锻件微观组织的研究6 1 3 1 热变形中微观组织的主要演变机制6 1 3 2 微观组织模拟技术8 1 4 主管道用材316 l n 介绍1 0 1 5 研究内容、意义和方法1 l 第二章3 16 l n 不锈钢晶粒长大规律的研究：。嚣气。1 3 2 1 前言。13 2 2 实验程序。l3 2 3 实验结果及分析：。矗1 3 一 2 3 1 保温时间对晶粒长大规律的影响。1 3 2 3 2 加热温度对晶粒长大规律的影响。1 4 2 3 3 初始晶粒度对晶粒长大规律的影响1 4 2 3 4 微合金化元素对晶粒长大规律的影响_ 1 4 2 4 晶粒长大模型的建立：1 5 2 5 模型的验证1 7 2 6 本章结论。：1 7 第三章3 16 l n 不锈钢热变形力学行为的研究1 9 3 1 前言1 9 3 23 1 6 l n 应力应变曲线研究1 9 3 2 1 实验方案：。1 9 3 2 2 不同变形参数下的应力应变曲线1 9 3 3 变形参数对流变应力的影响2 l 3 3 1 应变速率对流变应力的影响2 1 3 3 2 变形温度对流变应力的影响2 4 3 4 高温塑性变形本构方程2 5 3 5 本章结论2 7 第四章3 16 l n 不锈钢动态再结晶行为的研究。2 9 4 1 动态再结晶机制的研究2 9 4 2 动态再结晶临界值的确定2 9 4 3 原始晶粒尺寸对应变特征值的影响3 1 4 4 动态再结晶动力学方程一3 2 v 31 6 l n 不锈钢锻造过程晶粒演变规律实验与模拟研究 4 4 1 动态再结晶分数的确定方法3 3 4 4 2 动态再结晶模型的确立3 3 4 5 变形参数对动态再结晶晶粒尺寸的影响3 3 4 6 本章结论3 6 第五章3 16 l n 不锈钢静态软化行为的研究3 7 5 1 实验方案3 7 5 1 1 静态再结晶实验方案3 7 5 1 2 亚动态再结晶实验方案3 7 5 2 静态再结晶应力应变曲线3 8 5 3 变形参数对静态再结晶行为的影响3 9 5 3 1 锻造温度对静态再结晶的影响3 9 5 3 2 应变对静态再结晶的影响3 9 5 3 3 初始晶粒尺寸对静态再结晶的影响3 9 5 4 静态再结晶动力学方程3 9 5 4 1 静态再结晶体积分数的确定4 0 5 4 2 系数n 的确定4 1 5 4 3 静态再结晶激活能的确定4 1 5 5 变形参数对静态再结晶尺寸的影响4 2 5 6 亚动态再结晶应力应变曲线- 4 5 5 7 变形参数对亚动态再结晶行为的影响4 6 5 7 1 锻造温度对亚动态再结晶的影响4 6 5 7 2 应变速率对亚动态再结晶的影响4 7 5 8 亚动态再结晶动力学方程4 7 5 8 1 系数n 值的确定4 7 5 8 2 亚动态再结晶激活能的确定厶4 8 5 9 变形参数对亚动态再结晶尺寸的影响4 9 5 1 0 本章结论5 2 第六章3 16 l n 不锈钢锻造试验的验证及组织预测5 3 6 1 宏观热力学行为与微观组织演变的耦合5 3 6 2 锻造试验方案5 4 6 3 变形急冷后的组织观察5 4 6 4 不同变形火次的组织分析5 6 6 5316 l n 锻造过程数值模拟及其验证：5 7 6 5 1 材料模型的构建5 7 6 5 2 数值模拟对细匀化结果的验证5 8 6 5 3 数值模拟与实际锻造试验晶粒尺寸的比较。5 9 6 6 管坯拔长过程晶粒组织的预测5 9 6 6 1 砧子及工艺参数的确定6 0 6 6 2 工艺模拟结果o 6 0 6 7 本章结论。6 1 第七章结论6 3 参考文献6 5 至j 【谢6 9 攻读硕士学位期间发表的论文7 l - v i - 第一章绪论 第一章绪 1 1 引言 2 0 0 6 年3 月2 2 日国务院通过了核电中长期发展规划( 2 0 0 5 _ 2 0 2 0 年) 。按照国家 发改委核电中长期发展规划，到2 0 2 0 年，我国核电运行装机容量达至u 4 0 0 0 万千瓦、在建 1 8 0 0 万千瓦的发展目标；核电占全部电力装机容量的比重将从现在不到2 提高到4 。 我国核电队伍经过秦山、大亚湾( 包括岭澳) 和田湾3 个基地建设和总包出口核电机组到 国外的锻炼，已经有能力自主设计3 0 0 m w 和6 0 0 m w 的核电机组，基本有能力自主设计 1 0 0 0 m w 的核电机组。但是我们的技术水平还属于国际上第2 代压水堆的核电技术水平 i l j 。当前，全球正在进入三代核电技术主导下的核电复苏时代，全球已有十几台a p l 0 0 0 核电机组进入建设规划，而中国在建的4 台机组，是世界上最先建设的首批4 台a p l 0 0 0 核电机组。我国核电界专家在三代核电国际招标中经过近两年时间的反复研究论证和对 比，最终形成了比较一致的意见：a p l 0 0 0 技术是目前国际上相对最先进、最安全和最经 济的核电技术。于是我国已选定a p l 0 0 0 为第3 代核电自主化依托项目的机型，在与国外 厂家合作，消化吸收引进技术，建设第3 代核电机组的同时，还应进行改进和创新，开发出具 有我国知识产权的中国品牌的更加先进的大型核电机组，以实现核电设备的国产化，改 变“引进、落后、再引进、再落后”的循环局面。为此，我国中长期科技发展规划已将“大 型先进压水堆和高温气冷堆核电站”列为重大专项工程，成功后将要批量建造的。 a p l 0 0 0 先进压水堆技术，作为第三代核电技术，其中反应堆压力容器蒸汽发生器和 反应堆冷却剂泵之间，通过反应堆主管道连接，以构成反应堆冷却剂系统的封闭循环。 核电主管道是核岛内七大关键设备之一，被称为核电站的“主动脉”。主要功能是输送 含有放射性物质的压力水和保持压力边界的完整性，防止放射性物质外泄，其在高温、 高压的工况下要运行6 0 年。由于核电主管道部件技术要求高，而且外形较为特殊，所以 国外制造厂家大多采用铸件主管道，或是采用几件锻件焊接而成，因而也影响了核电整 体工程质量。于是，核电主管道用整体锻件代替以往的铸件，从而实现一体化，便成为 我国核电装备制造界一直研究的课题，也是一直的难题。 1 2 大型锻件的研究 我国重机行业规定，凡是需要1 0 0 0 t 以上锻造水压机生产的自由锻件，可被称为大 型锻件。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、装备中的主要基础零部件，其生产能力与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。 1 3 1 6 l n 不锈钢锻造过程晶粒演变规律实验与模拟研究 1 2 1 大型锻件的主要特点 大型锻件的最主要、最根本的特点是它的尺寸大和重量大。由于尺寸大和重量大， 大型锻件必须由大型钢锭直接锻成。众所周知，大型钢锭中的偏析、疏松、缩孔、非金 属夹杂物和各种组织不均匀性非常严重，气体含量也比较高，而且这些缺陷很难在随后 的锻造过程中去除，所以，在大型锻件中往往存在着显著的化学成分不均匀性、多种多 样的组织缺陷和过高的有害气体含量，从而使得大型锻件的热处理过程往往十分复杂、 费时和昂贵。其次，由于尺寸大和重量大，工件的热容量必然很大，这就使得大型锻件 在执行热处理工序时不可能得到比较大的加热速度和冷却速度。因此，对于性能、质量 要求较高，必须通过调质或淬火使钢的内部组织发生重大改变的大型锻件，必须采用过 冷奥氏体非常稳定，淬透性很高的钢种。但是，过冷奥氏体稳定性高的钢易于发生组织 遗传，并进而造成合金钢大锻件中的晶粒粗大和大小不均，为了解决这个问题，往往需 要采用特殊和比较复杂的热处理过程。再者，尺寸大和重量大，必然使得大型工件在加 热和冷却工程中产生巨大的表面与心部温差和组织转变的不同时性，并进而造成工作中 的巨大内应力。在大型锻件中，巨大的压应力会对大型锻件内部组织转变产生阻碍作用， 使其推迟或减少转变数量；巨大的拉应力会导致工件中的裂纹，甚至整体断裂。此外， 在热处理过程结束之后，巨大的内应力会转化为永驻于大型工件内部的残余应力，数值 有时可高达数十或百余m p a ，并可与其他有害因素结合，造成大型工件在储存或运送中 发生断裂，称为置裂，当内应力的数值较小时，虽然不会导致断裂的发生，却会引起大 型工件的尺寸、形状的不稳定，并将转化成为工件在正常工作时所承受载荷的一部分， 使工件的有效承受能力降低。 1 2 2 大型锻件的主要生产工艺 大锻件生产主要包括冶炼、锻造和热处理。 1 ) 冶炼锻制大型锻件需使用大型钢锭。大钢锭的单重在3 0 到几百吨范围内。 钢锭越大，偏析等冶金缺陷越严重。因此，大锻件用钢的冶炼要求非常严格。为保证铸 造出特大钢锭，一般都要采用两台以上的冶炼炉联合配炉浇铸，这样就不必增大单炉容 量，减小因浇注时间长对耐火材料的侵蚀和钢水温度的降低。冶炼时必须精选原料，严 格控制冶炼不易去除的有害元素如硼、铜、锡、锑、砷等。钢的初炼可采用大型碱性电 弧炉、大型转炉等，初炼的钢水必须进行炉外精炼和真空脱气，最大限度降低钢中的硫、 磷和气体含量，以获得硫、磷均低于0 0 0 5 、氢低于2 x 1 0 6 、氧低于3 0 x 1 0 6 ，氮低于 4 0 x1 0 6 的高纯净钢。为减少偏析和缺陷，大型钢锭的铸造要采用新的浇注技术，如旋 转浇注法、空心铸锭法和定向凝固铸造法等。 2 第一章绪论 2 ) 锻造锻造工艺的目的主要有两个，一是将铸锭经济地锻制成所需要的形状毛 坯，即成型；二是改善金属组织，通过锻造破坏铸锭的铸态组织，使组织均匀化，使晶 粒细化，使气孔、疏松、缩孔等缺陷“焊合”。通常，大型钢锭都由冶炼车间直接热送到 锻压车间。为使缺陷“焊合”，大锻件的锻造一般都在压力很大的水压机上进行，主要采 用自由锻工艺。常见的自由锻造工艺方法 2 1 有：1 ) 型砧拔长法2 ) 宽平砧强压法，唧 法3 ) 中心压实法一玎s 法4 ) f m 法5 ) 非对称拔长法6 ) f m v 法 3 ) 热处理由于尺寸效应的影响，大锻件的热处理有自己的特点j 必须充分考虑 大锻件的冶金特性、大锻件在热处理中产生的瞬时应力和残余应力、相变潜热对加热和 冷却过程的影响、回火脆性和组织细化等。大锻件的热处理主要有两种：第一热处理和 第二热处理。 二一 1 2 3 大型锻件的质量控制 大型锻件出厂前，不仅要求做机械性能和晶粒度检验，而且要求做超声波探伤检查， 特别是核电锻件还需作t n d t ( 无延性转变温度) 分析。虽然钢铁冶炼技术发展迅速，但 是其冶炼和凝固特性决定了钢锭中不可避免地存在夹杂物和大小、位向不同的晶粒。而。 且随着钢锭增大，夹杂物和粗大晶粒将更为明显f 3 1 ，因此通过合理的锻造工艺来控制锻件 质量便变得比较重要。评价大锻件的内在质量和使用性能主要从如下方面考虑：姐织结一 构的致密性、均匀性、纤维流向和晶粒分布的合理性，以及最少的内部缺陷【4 】。高质量 的大锻件主要表现在： 1 ) 组织结构致密性好，比如铸态组织结构被压实破碎，微孔隙被焊合，晶粒被细 化等。一般通过合理的变形温度，良好的压应力状态，充分的锻透压实，合理的塑性流 动，从而得到致密性良好的锻件。通常钢质纯净，热锻合理，锻件致密性好。 2 ) 均匀性好，主要指组织性能各处均匀一致，没有所谓组织不均、性能低下的“弱 面”“弱带”，因为在受力时此处容易首先破坏。对于尺寸大，工艺过程复杂的大锻件， 其均匀性要求显得尤为重要。均匀性可通过控制变形温度场和应变分布来改善，凡是材 质纯净，应变场与温度场均匀，则锻件组织性能应该是均匀一致的。锻造时要避免在终 锻时进行大的局部变形。对一些特殊锻件可采用一些特殊的变形方式与措施来提高均匀 性，如采用“人字”形砧子拔长、锥面砧镦粗、反复镦拔变形，使金属流动混乱，变形困 难区减小，使内部均匀变形。 3 ) 纤维流向与晶粒分布要合理。锻件内产生“流线”，则性能会有方向性。晶粒分 布不均，粗晶区与细晶区性能有差别，- 这种情况应合理利用，以提高锻件使用寿命。 4 ) 内部缺陷少或没有严重的缺陷。一般材质纯净，冶铸缺陷少，偏析少，裂纹和 3 3 1 6 l n 不锈钢锻造过程晶粒演变规律实验与模拟研究 类孔隙性缺陷少，则锻件质量好，因此提高炼钢和铸造水平是提高大锻件水平的重要保 证。近年来广泛采用炉外精炼，使钢质纯净度大幅提高，许多以往不能生产的高合金钢 锻件，如今也能顺利制造了。另外在预防自点，缩短扩氢热处理周期、减少严重缺陷方 面，取得了显著的成果。但是，由于大锻件形体尺寸大，工艺复杂，内裂缺陷时有发生。 大锻件内部存在裂纹或类孔隙性缺陷，超声波探伤不合格是造成废品的重要原因。比如 坯料内部存在有夹杂物，粗大晶粒和内裂，那么在巨大的集中应力和不均的剪应力作用 下产生不均匀变形导致损伤，形成内裂缺陷。因此对原材料冶铸、热锻等环节进行综合 治理，消除内裂产生的根源和条件是提高锻件品质的根本措施。但对带有内裂缺陷大锻 件进行愈合修复，重新启用，亦有重要经济价值和现实意义。 1 2 4 大型锻件热成形的研究方法 由于大锻件化学成分、组织结构不均匀性突显；锻压过程多因素、非稳态、高温、 高压状态难以把握，因而对热成形机制与规律的认识、对锻压技术优化和控制的研究需 要一种新的思路【5 】。采用热成形模拟技术，不仅能揭示其本质和规律，而且可以提出成形 尺寸和内在质量控制的科学依据。热成形模拟包括物理模拟和数值模拟，用基础实验来 模拟实际生产，通过模拟研究来预测成形过程中的组织演变过程。这是研究热成形过程 经济而有效的方法。 1 物理模拟l 6 j 钢铁材料的现代物理模拟技术是一种综合性高科技技术，它融合材料科学、传热学、 力学、机械学、工程检测技术、自动控制和计算机领域的知识和技能为一体，构成了一 个独特的、跨学科的专业领域。利用现代物理模拟技术，用少量试验即可代替过去一切 都需要通过大量重复性实验方法，不但可节省大量人力、物力，还可以模拟一些目前尚 无法采用直接试验进行研究的复杂问题。作为实验的初步研究，物理模拟技术起步较早， 直观可靠，模拟精度高，但操作相当复杂。物理模拟的主要方法有网格法、视塑性法、 光塑性法、层状塑泥法、密栅云纹法和逆网格法。通过这些方法能获得一定截面的位移 场和应变场。热力模拟实验是一种物理模拟实验，是指利用小试样，借助一定的实验装 置( 热力模拟实验机) ，再现钢铁材料在制备或热加工过程中的受热或受力受热的物理 过程，充分暴露与揭示钢材在该过程中的组织和性能变化规律，评定或预测材料在制备 或热加工时出现的问题，为制定合理的加工工艺以及研制新材料提供基础数据和技术方 案。利用热力模拟实验机可以帮助打开钢铁材料热变形行为的研究大门，无论是开发新 品种或探索新的生产工艺，还是优化现有生产工艺，都可以由此找到捷径，更重要的是 可以大大降低研究成本，缩短开发周期。 第一章绪论 2 数值模拟 锻压大变形过程中的微观结构变化模拟研究工作以德国a a c h e n 技术大学的r k o p p 教授为代表，他是采用不断细化的网格数进行有限元数值模拟：1 9 8 7 年首次提出模拟计 算三个层次的内容【7 1 ：第一层次是总体分析，可以得到变形力、变形功、平均应力、平均 温度以及金属的大致流动状况。传统的解析方法和采用较粗的网格单元的塑性有限元分 析属于第一层次。第二层次是局部分析，可以得到应力、应变、应变速率及温度场分布 和金属的流动状态。第三层次是细观分析，可以得到微区内的热力参数分布及再结晶过 程等信息。针对特定的问题，应当采用相应层次的分析方法，即能得到较为准确的计算 结果又比较经济。 由于大型锻件尺寸较大，不可能进行1 ：l 的实物实验，而小件实验有时会与实际 生产过程相差过大。而且物理实验通常只能给出工艺过程某个阶段的结果，无法全面了 解整个工艺过程，具有一定的局限性。由于大锻件生产的这些特殊性，采用先进的数值 模拟技术改变工艺制定过程中仅凭经验决定的现状是具有重要意义的。数值模拟技术是 c a e 的关键技术。通过建立相应的数学模型，可以在昂贵费时的模具或辅具制造之前， 在计算机中对工艺的全过程进行分析。不仅可以通过图形、数据等方法直观地得到诸如 温度、应力、载荷等各种信息而且可以预测可能存在的缺陷：通过改变工艺参数对不” 同方案进行模拟分析，可以从各方案的对比中总结出规律，进而实现工艺的优化。数值- 模拟技术在保证工件质量，减少材料消耗，提高生产效率，缩短试制周期等方面显示出 无可比拟的优越性【8 - 9 1 。 萨 对于大型锻件，由于其体积大、成本高，在锻造工艺过程中，不可避免的要采用各 种模拟手段。物理模拟依靠一定的测量手段和相似条件，获得的实验结果一般体现整个 实验对象的综合作用效果；而数值模拟是指用数学模型来描述其过程的变化关系，并利 用数值方法求解，以获得该过程的某些定量认识，能提供整个对象内有关变量完整而详 细的数据。对于某些复杂的工艺过程，必须依赖物理模拟获得对过程的主要影响因素的 认识才能建立合理的数学模型；同时，数值模拟的合理性和可靠性也要靠物理模拟的定 量测试结果来检验。物理模拟是数值模拟的基础。目前各国学者多采用物理模拟与数值 模拟技术集成的方法来研究大锻件热成形过程，刘建生【l o 】提出了大型锻造工艺研究与开 发时物理模拟技术与数值模拟技术集成的内在机制，如图1 1 。 5 3 1 6 l n 不锈钢锻造过程晶粒演变规律实验与模拟研究 材料 热模拟试验 金相电镜分析 定量金相测量 界面摩擦因子和 传热系数的测定 塑性本构 关系 _ _ 。、 熟加工 性能 变形组织 演变模型 - - _ _ _ 一一 ，。、 界面边界 模型 典型锻 件变形 和组织 演变过 程的数 值模拟 分析 工 缩比 工艺 试验 图1 - 1大型锻造工艺研发中模拟技术集成机制【1 0 】 f i g 1 1 t h ei n t e g r a t i o nm e c h a n i s mo fs i m u l a t i o n t e c h n o l o g yi nt h ep r o c e s so fl a r g ef o r g i n g 1 3 大型锻件微观组织的研究 随着塑性成型技术的发展以及越来越高的产品质量要求，人们需要更全面、细致、 深入地了解和掌握生产中工件的变化过程及组织变化过程。目前，随着计算机技术和现 代变形理论的发展，对热塑性成形的研究工作已经不只局限于研究金属的宏观塑性流动 行为或者局部热力参数的分布，而着重于研究内部微观组织的变化过程和力学性能的预 测与控制。因此，考虑变形过程中材料组织的变化过程，对于准确模拟变形过程具有重 要的意义【l l 】。 1 3 1 热变形中微观组织的主要演变机制 在人们多年探索的基础上，成形过程中钢材组织性能变化的物理冶金理论逐渐完 善，已经形成了关于动态再结晶、静态回复、静态再结晶等各种物理冶金现象的热力学 理论和动力学理论，结合部分实验数据，很多学者建立了相应的数学模型，为成形过程 中钢材组织演变的模拟和性能的预测提供了理论基础【1 2 1 。 1 ) 动态软化机制 截止到1 9 7 0 年，人们已经清晰地认识了热加工过程中的两种软化机制：动态回复 和动态再结晶。作为加工硬化阶段唯一的软化机制，动态回复使得位错消失，从而导 致比冷加工更低的应变硬化速率。位错累积率随着变形的进行逐渐变小，最后进入稳态 阶段，此时位错的产生和消失达到平衡，亚晶粒保持等轴状，晶粒尺寸、取向以及位错 密度保持恒定。温度越高，应变率越低，则平均亚晶粒尺寸越大f 1 3 j ： 好= a + 明o g z = a + b l o g b e x p ( + q r t ) 】 ( 1 1 ) 于是根据以下公式，流变应力也就越高： 一6 基于锻件组织譬1成形控制目标的多工 序锻造工艺的优化和确定 第一章绪论 o s = 嬲? ( 1 - 2 ) 所以，动态回复所产生的亚晶粒尺寸与稳态变形应力成反比，并随变形温度升高和 变形速率降低而增大。当亚晶粒增大时，亚晶粒内部和亚晶界上的位错密度都会降低， 亚晶界上的位错也从紊乱状态变为较规整的排列，使胞状亚晶粒的形貌轮廓更为清晰。 若变形过程中未充分回复，容易形成大量的位错塞积，积蓄的能量增高导致新晶粒 的生成，从而发生动态再结晶。随着新晶粒的产生，加工硬化阶段在应力峰值处终止， 并发生应力软化，最终到稳态变形阶段，流变应力基本保持不变，动态再结晶达到动态 平衡。在塑性加工过程的研究中，有多种动态再结晶机制被提出。首先，原始晶粒边界 凸出形核被指为在热加工中的一种动态形核机制。这种机制能充分地解释动态再结晶过 程应变软化现象，但是新晶粒的形成细节并不完全清楚。另一种可能的机制是与动态回 复相关的机制，动态回复产生的高密度位错亚结构在随后的应变过程中转化为大角度晶 界。另外还有亚晶转动及孪晶机制等。这些机制分别表现在不同的材料和不同的变形条 件下【1 4 1 。动态再结晶作为高温变形下的一种软化机制，不仅减小流变应力，而且在细化 晶粒和提高韧性方面起着很重要的作用。 - 2 ) 静态软化机制 在多数热锻过程中，基于设备、冶金及几何方面的考虑，整体形状的改变需要通过一； 一系列的锻造步骤。在这些步骤之间以及最终冷却之前必然存在静止间隔，比如工件的 重新定