（材料加工工程专业论文）大型锻件镦粗侧表面开裂研究.pdf

摘要 摘要 现代金属加工工业的迅速发展，要求重型机械制造业提供优质大锻件。 大锻件是由钢锭锻造而成。钢锭不可避免的存在偏析、疏松、微裂纹等组 织缺陷。钢锭越大，缺陷越严重为了获得优质锻件，必须通过锻造消除 这些缺陷。镦粗是大锻件制造工艺中极为重要的工序，其主要目的是增大 锻比，压合内部空洞缺陷，提高材料性能。镦粗过程中，由于存在摩擦， 难变形区内晶粒粗大、心部拉应力产生缺陷、变形不均匀导致侧表面开裂。 其中侧表面的开裂是最普遍的，往往导致大锻件的报废。 金属塑性变形过程中裂纹的产生、发展最终导致宏观断裂的现象是受 金属组织结构、应力状态、变形速率等许多因素影响的复杂过程，但最终 原因还是由于金属内部夹杂物和第二相质点等缺陷在界面处分离形成空 穴。空穴在一定外界条件下扩张，继而发生聚合或连接，最终形成宏观裂 纹。 从塑性材料裂纹出现的内部机理出发，将临界空穴扩张比理论应用于 实际镦粗工艺中，解决了镦租工艺中侧表面开裂的判定问题。裂纹的形核 与扩张是由于不均匀变形而诱发的，为描述镦粗过程中的变形不均，定义 了镦粗鼓形系数，通过数值模拟分析，得到了鼓形系数在镦粗过程中与周 向应力与轴向应力之间的关系，最终确立了鼓形系数与表征材料应力状态 的应力三轴度之间的一一对应关系。通过建立鼓形系数与应力三轴度之间 的对应关系，简化了变形过程中求解空穴扩张比的过程，使在实际生产过 程中应用临界空穴扩张比理论对镦粗侧表面开裂的判定成为可能。 关键词锻造；大锻件；镦粗；鼓形系数；空穴扩张比；侧表面开裂 燕山大学工学硕士学位论文 a b s t r a c t h e a v yf o r g i n g s i n h i g hq u a l i t y a r ed e m a n d e dt ob ef u r n i s h e db y m a n u f a c t u r i n g o f h e a v y - d u t ym a c h i n e a s r a p i d l yd e v e l o p i n g o fm e t a l p r o c e s s i n gi n d u s t r yi nm o d e mt i m e s h e a v yf o r g i n g sa r ef o r g e df r o ms t e e l i n g o t s i ti si n e v i t a b l et h a tt h e r ea r es o m ed e f e c t ss u c ha ss e g r e g a t i o n , p o r o s h g m i c r o c r a c k si ns t e e li n g o t a n dt h es t e e li n g o ti sh e a v i e r , d e f e c t sa r em o r e s e r i o u s t h e s ed e f e c t sm u s tb e e l i m i n a t e db yf o r g i n gt og a i nh i g hq u a l i t y f o r g i n g s u p s e t t i n gi st h ev e r yi m p o r t a n tw o r k i n gp r o c e d u r ei nm a n u f a c t u r i n g t e c h n o l o g y , a n dt h em a i nf u n c t i o n so f i ta r ee n l a r g i n gf o r g i n gr a t i o ，c b s i n gu p i n n e rp o r o s i t yf l a w , i n c r e a s i n gp r o p e r t i e so ft h em a t e r i a l b e c a u s eo ff r i c t i o n d u r i n gu p s e t t i n g ，g r a i n sa r ec r a s s k u d ei nh a r dd e f o r m a t i o na r e a , c e n t r i cp u l i n g s t r e s sg i v eb i r t ht of l a w , a n ds i d es u r f a c ef l a w sf o ra s y m m e t r i cd e f o r m a t i o n , a m o n gw h i c hs i d e s u r f a c ef l a w i n gi su s u a la n dd i s c a r dh e a v yf o r g 沁a s u s e l e s s t h ep h e n o m e n at h a tc r a c k sb r i n g ，g r o wa n dl e a dt om a c r o s c o p i c a lp a r t i n g i np l a s t i cd e f o r m a t i o np r o c e s so f m e t a li sac o m p l e xp r o c e s sw h i c hi sa f f e c t e d b ys t r u c t u r eo f t h em e t a l , s t r e s ss t a t u s ，d e f o r m a t i o nv e l o c i t ya n ds oo n b u tt h e e s s e n t i a lr e a s o ni sc a v i t i e st h a te n g e n d e r e db yd e f e c t ss u c ha si n c l u s i o ni n m e t a la n dt h eo t h e rp h a s e c a v i t i e se x p a n du n d e rc e r t a i no u t e rc o n d i t i o n , a n d t h e na g g r e g a t eo rc o n n e c t ，f i n a l l ym a c r o s c o p i c a lc r a c ki sf o r m e d t h ep r o b l e mo f e s t i m a t i n gw h e t h e rt h es i d es u r f a c ef l a w so rn o ti ss o l v e d i nt h i sd i s s e r t a t i o na c c o r d i n gt oa p p l y i n gc r i t i c a le x p a n d i n gr a t i oi nu p s e t t i n g t e c h n o l o g y a s y m m e t r i cd e f o r m a t i o nl e a d st on u c l e a t i o na n de x p a n d i n go f c r a c k s s o ，i no r d e rt oc h a r a c t e ra s y m m e t r i cd e f o r m a t i o ni nu p s e t t i n gp r o c e s s ， d r u mc o e f f i c i e n ti sd e f i n e d a n dt h er e l a t i o nb e t w e e nd r u mc o e f f i c i e n td u r i n g u p s e t t i n gw i t hs t r e s so nc i r c u m f e r e n t i a la n da x i a ld i r e c t i o n si sg o ta c c o r d i n g t os i m u l a t i o n e v e n t u a l l yt h ec o r r e s p o n d i n gr e l a t i o nb e t w e e nd r u mc o e f f i c i e n t 摘要 w i t hs t r e s st h r e e - a x i a ld e g r e ei sc e r t a i n s oe v a l u a t i o no ft h ee x p a n d i n gr a t i o w i l lb es i m p l e r , a n di tw i l lb ep o s s i b l et oe s t i m a t ew h e t h e rt h es i d es u r f a c e f l a w so rn o ti np r a c t i c a lm a n u f a c t u r e a c c o r d i n gt oc r i t i c a le x p a n d i n gr a t i o k e y w o r d sf o r g e ；h e a v yf o r g i n g s ；u p s e a i n g ；d r u mc o e f f i c i e n t ；e x p a n dr a t i o o fc a v i t y ；c r a c ko fc y l i n d r i c a ls u r f a c e i 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镦粗侧面开裂 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 燕山大学硕士学位论文使用授权书 大型锻件镦粗侧面开裂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硕士学位论文。本论文的研究成果归燕山大学所有， 本人如需发表将署名燕山大学为第一完成单位及相关人员。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、缩印或其他复制手段保存论文，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， 不保密口。 ( 请在以上相应方框内打“4 ”) 作者签名： 导师签名： 钐么乡第 日期乒幻7 年匆可1 日 醐：叩年朋7 日 第1 章绪论 1 1 引言 第1 章绪论 大型锻件是国民经济建设、国防工业和现代化科学技术事业发展所必 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与重大、关键技术装备自给能力的 主要标志之一。 我国重机行业规定，凡是需要1 0m n 以上锻造水压机生产的自由锻件， 可被称为大型锻件按照自由锻水压机的锻造能力推算，大致相当于：单 重5t 以上的轴类锻件和单重2t 以上的圆盘类锻件常见的大型锻件有： 轧钢设备中的工作辊、支撑辊；电站设备中的转子、护环、叶轮；核电设 备中密封容器；锻压设备中的立柱、活塞；航天火箭燃烧室筒体；大型化 工容器的筒体、封头；船用曲轴、舵杆等。 大型锻件最主要根本的特点是尺寸大、重量大。例如汽轮机转子尺寸 达到q 2 7 1 0 7 7 7 0i n i n ，1 锻件重1 2 8t ；轧机支撑辊尺寸达0 2 4 0 0 1 0 8 5 0 m m ，锻件重2 4 4 t 。 大型锻件是重大技术装备的关键零部件，工作条件和受力情况极为复 杂和繁重，又要求在服役期有很高的可靠性，因此，大型锻件的技术要求 严格，综合机械性能很高，并且要求有良好的内部组织。例如护环要求很 高的强度( 1 0 0 0m p a ) 和均匀一致的组织；转子要求综合的高强度和高韧 性，对孔洞、夹杂的尺寸及分布要求极其严格；火箭燃烧室筒体强度高达 1 5 0 0m p a 等【1 叫。 大型锻件由于尺寸大和重量大，必须由钢锭直接锻造成形。由于大型 钢锭中的各种缺陷很多以及组织不均匀非常严重，与其高质量要求之间形 成了尖锐的矛盾，为了达到严格的技术要求，后续的制造工序非常复杂， 生产周期较长。其中多数工序都是围绕消除或减小钢锭缺陷制定，这也是 大型锻件制造的特色和重点 燕山大学工学硕士学位论文 1 2 大型锻件生产流程 大型锻件工艺流程制造工艺复杂，工艺链长，各环节技术水平均要求 高，掌握困难。大型锻件的通常的生产流程：冶炼一铸锭一锻造一粗加工 一热处理一精加工。 1 2 1 冶炼铸锭 冶炼铸锭通称为大型锻件制造的冶金因素，是决定大型锻件质量水平 的基础和关键环节。冶炼工艺的主要任务是：保证钢液化学成分与出钢温 度符合要求；尽量提高钢液的纯净度，即尽量减少钢中有害元素硫、磷、 非金属夹杂物及气体的含量。铸锭是在一定的出钢温度下，将钢液浇入铸 模，冷凝为钢锭的工艺。由于钢液冷却速度的不同，钢锭的内部及其外表 皆存在一定的缺陷，主要缺陷有： ( 1 ) 缩孔由于钢液( 比重7 0 0 ) 冷凝为固态( 比重7 8 5 ) 时，体积产生收缩， 最后在钢锭冒口部位便形成一个末被钢水充满的大空穴，即为缩孔。缩孔 在所有钢锭中是不可避免的，但它的大小和位置可以通过改变钢锭模的结 构或在浇注过程采取某些措施进行调节。锻造时缩孔应与冒口一起切除。 ( 2 ) 收缩疏松和产生收缩孔的原因相同，在钢锭缩孔下面所形成的许 多未被钢液充满的小空洞收缩疏松。如果收缩疏松深入到锭身中心，即为 中心疏松。收缩疏松造成了钢锭组织不致密，而且杂质很多。锻造时收缩 疏松也应切除。 ( 3 ) 偏析钢锭各个区域，化学成份和杂质分布的不均匀性，叫偏析。 高于钢锭的平均成分时，称为正偏析。低于钢锭的平均成分时，称为负偏 析。偏析产生的基本原因有选择结晶、溶解度变化、比重的差异。 偏析可以分为枝晶偏折和区域偏折两种：枝晶偏析和区域偏析。枝晶 偏析是为钢锭在晶体( 树枝状品体) 范围内化学成分的不均匀性。它需要显微 镜才能看到，故又称为显微偏析。枝晶偏析分晶内偏析( 晶体内部枝间杂质 较枝干要多) 和晶间偏析( 晶体边界杂质较晶体内部杂质要多) ；区域偏析为 钢锭在各个区域中化学成分和杂质分布的不均匀性。它通常经硫印和酸沉 2 第1 章绪论 后用肉眼便可看出，故又称为低倍偏析。区域偏析分轴心偏析( v 形偏析) 和离心偏析( a 形偏析) 。 。， 钢锭出现偏析之处，杂质较多，锻造时容易引起内部裂纹，导致机械 性能降低枝晶偏析通过锻造、再结晶、高温扩散可以得到消除，区域偏 折则无法消除。， ( 4 ) 夹杂和夹渣钢锭中存在的非金属夹杂物，按其来源可以分为夹杂 和夹渣。夹杂是在炼钢过程中未排出的脱氧产物，以及脱氧后钢中残余元 素再次氧化的产物，被凝结在钢锭内部称为夹杂。这种夹杂有硫化物，氧 化物，硅酸盐等。它们以薄膜状、圆柱状，带状与链状分布予钢锭内部。 夹渣是在出钢浇注时，带入钢水内，被凝结在钢锭内部的炉渣或耐火材料， 多分布在钢锭底部。， 、 钢锭中的夹杂和夹渣，破坏了钢的组织，降低了钢的塑性、冲击韧性 和强度，很大程度上决定了钢锭的质量。因此，要求冶炼、浇注过程尽量 降低夹杂、夹渣的含量。 ( 5 ) 皮下汽泡它是钢锭表面层的下面，由于钢液在治炼、浇注过程所 产生的气体没有充分排出面形成的。如果气泡内表面未被氧化，通过高温 锻造可以将气泡焊合，若气泡内表面已被氧化，即使高温锻造也不能使其 焊合，结果可能形成夹层或裂纹，成为锻件的缺陷。 ( 6 ) 表面裂纹钢锭的表面裂纹，按其方向不同有纵向裂纹和横向裂纹 两种。纵向裂纹是由于钢锭控设计的不合理，以及挠注工艺操作不当，若 钢掖的静压力和钢锭冷却收缩应力超过了强度极限，在钢锭表面薄弱地方 产生的。横向裂纹是由于钢锭模内壁有凸凹不平，使钢锭纵向自由收缩受 到阻碍，在钢锭表面薄弱的地方产生的。另外，钢液浇注操作或拔模后冷 却不当也可能形成表面横向裂纹。 钢锭若有表面裂纹，尤其是纵向裂纹，锻前必须清除否则，锻造时 表面裂纹不断扩大，以致深入到锻件内部而造成废品。 。 ， 钢锭的多种缺陷无法避免，是大型锻件产品缺陷的主要来源，减少钢 锭中的缺陷是后序锻造工艺的主要难点p “。 3 燕山大学工学硕士学位论文 1 2 2 锻造 大型锻件锻造的任务，不仅是为了得到一定形状和尺寸的锻件，更重 要的是通过锻造破碎钢锭的铸态组织，消除钢锭内部的疏松、裂纹、气孔 等缺陷，改善第二相化合物及非金属夹杂物在钢中的分布，以提高锻件性 能。 大型锻件通常是单件小批量，一般都在液压机上锻造，多采用自由锻 造的工艺。主要的锻造工艺有：镦粗、拔长、冲孔、马杠扩孔、芯棒拔长， 其中镦粗拔长工序是消除钢锭缺陷的主要工序，其工艺的合理性直接关系 到最终产品的质量。 ( 1 ) 镦租镦粗是自由锻的基本工序之一，也是绝大多数大型锻件必不 可少的一步工序。镦粗一般是作为大型锻件生产前期的准备工序而存在的， 常被用于增加拔长锻比。它可以破坏铸态树枝状组织，细化锻件内部组织 晶粒，增大材料强度，提高锻件的韧性和抵抗破坏的能力，在自由锻造工 艺中起着至关重要的作用。 。镦粗主要用于：由横截面积较小的毛坯得到横断面积较大而高度较小 的锻件；冲孔前增大毛坯横断面积和平整毛坯端面；提高下一步拔长时的 锻造比；提高锻件的力学性能和减少力学性能的异向性；反复进行镦粗和 拔长可以破碎合金工具钢中的碳化物，并使其均匀分布。 水压机上的镦粗，通常可在下镦粗盘、上球面镦粗板进行带钳把镦粗； 在上下平板间镦粗及在漏盘上进行局部镦粗。 镦粗工序中容易产生的缺陷有侧表面4 5 0 裂纹、砧下存在“死区”和高 坯料弯曲失稳。 ( 2 ) 拔长减小坯料的横截面而增加其长度的锻造工序称拔长。拔长是 锻造轴类、连杆、拉杆及其他有较长轴心线锻件的主要工序。从成形特点 来看，拔长是增长类成形工序，但就具体每次压缩变形区的应变情况看， 属于压缩类变形，它是连续局部加载，通过轴向正应变的累积而达到增长 的。拔长可分为矩形截面坯料、园截面坯料和空心坯料拔长( 芯棒拔长) 三 种。 4 第1 章绪论 拔长可在上下平砧、上平下v 形砧及上下v 形砧上进行。 实体截面拔长工序易产生的缺陷有表面折叠及裂纹( 表面横向裂纹，表 面角裂纹，内部横向裂纹，截面对角线裂纹) ；芯棒拔长则易产生孔内壁裂 纹、端部内裂及壁厚不均现象。 ( 3 ) 冲孔在坯料中冲出透孔或盲孔的工序称冲孔。冲孔是锻制空心锻 件的必要工序。孔径在4 0 0 m m 以下的孔用实心冲子，大于4 0 0 m m 时多用 空心冲子冲孔。冲孔可使钢锭缺陷聚集的心部冲掉，从而改善了空心锻件 的质量。 冲孔工序中常出现的缺陷有走样( 外径“上小下大”、端面“上凹下凸，) 、 外侧表面裂纹、内侧圆角裂纹和冲偏。 ( 4 ) 马杠扩孔减小空心坯料的壁厚，使其内外径同时增大的工序称为 马杠扩孔。它是用于芯棒拔长的预备工序及锻造环形件的主要工序它的 变形特点是环形件沿圆周方向的拔长，材料主要是演切向流动。变形区应 力状态为三向压应力，马杠扩孔工艺不出现裂纹，塑性也较好 6 1 。 根据成形、提高锻件质量的需要，合理选用上述的基本锻造工序，制 定锻造工艺，配合错移、扭转、切割和弯曲等操作可以使坯料成形，并获 得良好的锻造组织。 大型锻件的造价昂贵，一旦作废，损失很大，消除各个生产环节中的 缺陷，避免由于缺陷导致工件报废尤为重要。 1 3 镦粗工艺特点及缺陷 ， 在大型锻件锻造过程中，镦粗是锻造工艺中不可缺少的一步基本工序， 被广泛应用于锻压行业的各个领域中，其中圆柱形锻件镦粗是最为常见的。 1 3 1 镦粗工艺特点 一般圆柱体毛坯( h d = 0 跏2 o ) 在平砧间镦粗时，外部呈现鼓形，中间 直径大，两端直径小如图1 1 所示： 5 燕山大学工学硕士学位论文 d 图1 - 1 坯料变形示恿图 f i g 1 1 s c h e m a t i co f s t o c kd e f o r m a t i o n 用网格或硬度试验等方法可以观察到坯料镦粗后其内部变形的情况。 图1 2 是利用网格法试验的情况。从对试件变形前后网格的测量和计算可以 看出镦粗时坯料内部的变形是不均匀的。变形程度沿轴向和径向的分布如 图1 3 所示。 图1 - 2 网格变化 f i g 1 - 2 v a r i a t i o no f m e s h 图l - 3 镦粗时变形程度沿轴向和径向的分布 f i g 1 3 d e f o r m a t i o nl e v e la l o n ga x i sd i r e c t i o n a n dd i a m e t e rd i r e c t i o ni nu p s e tp r o c e s s 平砧镦粗圆柱形坯料时，随着高度的下降，金属向周围流动。由于坯 料与平砧接触面的摩擦，镦粗后的自由表面呈现鼓状变形，从网格法分析 镦粗的变形过程获得的坯料子午面的网格变化来看，整个坯料按变形程度 大小大致可以分为三个区，如图1 - 4 所示。 6 第1 章绪论 o 图! - 4 变形区不意图 f i g 1 - 4 s c h e m a t i co f d e f o r m a t i o ns e c t i o n 第1 变形区程度最小，一般称为困难变形区，第1 i 变形区变形程度最 大，第1 i i 变形区变形程度居中。在常温下镦粗时产生这种变形不均匀的原 因主要是镦粗模具( 主要指砧板) 与毛坯端面之间摩擦的影响。在平砧热镦粗 毛坯时，产生变形不均匀的原因除工具与毛坯接触面的摩擦影响外，温度 不均也是一个很重要的影响因素。与工具接触的上下端金属由于温度降低 快，变形抗力大，故较中间处的金属变形困难。 。 ：由于以上原因，使第1 变形区金属的变形程度小而且温度低，故镦粗坯 料时此区铸态组织不易破碎和再结晶j 结果使其仍保留租大的铸态组织。 而中间部分( 即第1 i 变形区) ，由于变形程度大和温度高，铸态组织被破碎和 再结晶，形成细小晶粒的锻态组织，而且锭料中部的原有孔隙也被焊合， 这对增强锻件性能十分有利。 因为第1 i 变形区变形程度大，第1 i 变形区变形程度小，于是第1 i 变形 区金属向外流动时便对第1 i i 变形区金属作用有径向压应力，并使其在切向 受拉应力j 越靠近坯料表面切向拉应力越大。当切向拉应力超过材料当时 的强度极限或切向变形超过材料允许的变形程度时：便引起纵向裂纹。低 塑性材料由于抗剪切的能力弱，常在侧表面产生4 5 。方向的裂纹。 短毛坯( h d , s o 5 ) 镦粗时，按变形程度大小也可分为三区，但由于相对 高度较小，内部各处的变形条件相差不太大，内部变形较一般毛坯 7 燕山大学工学硕士学位论文 ( h d 坚_ o 8 2 o ) 镦粗时均匀些，鼓形度也较小。这时，与工具接触的上下端 金属也有一定程度的变形，并相对于工具表面向外滑动。而一般毛坯镦粗 初期端面尺寸的增大主要是靠侧表面的金属翻上去的。 镦粗较高的毛坯( h d = 3 0 ) 时，常产生双鼓形( 图1 - 5 ) ，上部和下部变形 大、中部变形小。在锤上、水压机上或热模锻压力机上镦粗时均可能产生 双鼓形，而在锤上镦粗时双鼓形更容易产生。 图i - 5 双鼓形不意图 f i g i - 5 s c h e m a t i co f d o u b l ed r u ms h a p e 4 毛坯更高( h d 3 0 ) 时，镦粗时容易失稳而弯曲，尤其当毛坯端面与轴 线不垂直，或毛坯有初弯曲，或毛坯各处温度和性能不均，或砧面不平时 更容易产生弯曲。弯曲的毛坯如不及时校正而继续镦粗则要产生折迭删。 镦粗时的注意事项： ( 1 ) 为防止镦粗时产生纵向弯曲，圆柱体毛坯高度与直径之比不应超过 2 5 3 0 在2 2 2 的范围内更好，对于平行六面体毛坯，其高度与较小基边 之比应小于3 5 4 0 。 镦粗前毛坯加热温度应均匀，镦粗时要把毛坯围绕着它的轴心线不断 地转动，毛坯发生弯曲时必需立即校正； ( 2 ) 镦粗时每次的压缩量应小于材料塑性允许的范围如果镦粗后需要 进一步拔长时，应该考虑到拔长的可能性，即不要镦的太低。应尽量避免 在终锻温度以下镦粗； 8 第1 章绪论 ( 3 ) 对于有皮下缺陷的坯料，镦粗前应进行倒棱制坯这样做的目的是 焊合皮下缺陷，使镦粗时侧表面不致产生裂纹，同时也去掉钢锭的棱边和 锥度； ( 4 ) 为减小镦粗所需的力量，毛坯应加热到该种材料所允许的最高温度； ( 5 ) 镦粗时毛坯高度应与设备空间相适应在锤上镦粗时，应使 h-hoo25h ， 式中 h 一锤头的最大行程 旷一毛坯的原始高度 ( 6 ) 镦粗高合金低塑性材料时，为使变形均匀，防止裂纹产生，必需采 取措施改善变形时的外部条件( 提高工具工作面的光洁度，预热工具和应用 润滑剂等) 和采用合适的变形方澍1 0 】。 1 3 2 镦粗缺陷 一般情况下，坯料在镦粗过程中的缺陷有三种：一种是在难变形区， 晶粒粗大，无法细化晶粒。一种是在心部，由于变形不均匀，心部产生拉 应力，促使心部出现裂纹。最后一种是在圆柱的侧表面，由于砧板与圆柱 端面的摩擦，产生较大的鼓形，并由此在侧表面产生周向附加拉应力当 附加拉应力过大时，在坯料侧表面出现裂纹，最终导致锻件破坏。 在金属材料中，_ 般都存在各种各样的缺陷，如疏松、缩孔残余、偏 析、第二相和夹杂物质点、杂质等，这些缺陷，特别是夹杂物或杂质质点 一般都处于晶界处。带有这些缺陷的材料，在塑性成形中，当施加外载荷 达到一定程度时，在应力应变场中，有夹杂物或第二相质点等缺陷的晶界 处，由于位错塞积或缺陷本身的分裂而形成微观空洞。所以说空洞是大锻 件成形中普遍存在的组织变化【1 1 】 镦粗低塑性的坯料时，在坯料侧表面常易产生裂纹。锭料镦粗时上下 端部还常易残留铸态组织这些问题都是由于镦粗过程中的变形不均匀引 起的。 9 燕山大学工学硕士学位论文 1 3 3 减少镦粗鼓形的主要措施 圆柱坯料平砧镦粗时，由于坯料端面与模具之间的接触面存在摩擦， 镦粗后易在侧表面形成鼓形，同时造成坯料内部变形区中的金属变形不均 匀，有此引起的锻件晶粒大小不均匀，最终导致锻件性能的下降，同时由 于鼓形引起的周向应力，也是镦粗过程中坯料周向裂纹产生的主要原因， 这一问题长期困扰着实际生产，因此了解和掌握镦粗工步中变形分布和金 属流动规律，对锻造生产有重要指导意义i ”1 。 圆柱镦粗时划分为三个变形区，分别为：大变形区、小变形区、难变 形区，所以，变形体坯料内部的应变分布均匀性很差。在大变形区容易得 到再结晶组织，并且大变形区金属处于三向压应力状态，金属内部的某些 缺陷易于锻焊消除在难变形区易产生粗晶组织。在小变形区，由于受到 切向拉应力的作用而容易产生纵向开裂，随着鼓形的不断增大，这种开裂 倾向发生的可能性就越大，对低塑性材料尤为敏感。所以为了减小镦粗过 程中鼓形的产生，提高镦粗变形的均匀性，在实际生产中可以采用以下一 些措施来达到目的：侧凹坯料镦粗、软金属垫镦粗、套环内镦粗【1 3 1 ，如图 1 - 6 所示。 率章牵屯辔由 ( a )( b )( c ) 图l ，6 优化措施示意图 f i g 1 6 s c h e m a t i co f o p t i m i z a t i o nm e t h o d 图1 - 6 ( a ) 为侧凹坯料镦粗，这种方法在镦粗前，需要首先对坯料进行侧 凹成形，常用铆镦或端面碾压的方法获得侧表面的凹形，然后再对坯料进 行镦粗。侧凹坯料再镦粗过程中，在侧凹面上产生了径向压应力分量，砧 板对坯料端部的金属流动阻碍较小，这样不仅可以避免坯料侧表面的纵向 1 0 第1 章绪论 开裂，而且能够显著减小鼓形的产生，使坯料变形均匀。图1 - 6 ( b ) 为软金属 垫镦粗，该方法是将坯料置于两软金属垫之间进行镦粗，软金属垫的作用 在于减小坯料端面摩擦的影响，使端头金属在变形过程中不容易形成难变 形区，从而使坯料获得均匀变形。图1 - 6 ( c ) 为套环内镦粗，此方法是在坯料 的外圈加一个碳钢套环，依靠套环的径向压应力来减小坯料由于变形不均 匀而引起的表面附加拉应力，从而防止其表面开裂而造成镦粗件裂纹的出 现。 1 4 本文的研究内容 。镦粗是大型锻件生产过程中重要的工序，消除镦粗过程中锻件的缺陷 对大型锻件产品的质量至关重要。对圆柱镦粗侧面开裂的研究，有助于消 除镦粗过程中的侧面开裂的缺陷，对于制订合理的锻造工艺有着重要的指 导意义。 本文的主要研究内容如下： ( 1 ) 本文主要针对镦粗侧表面开裂的问题，在已有临界空穴扩张比理论 的基础上，研究镦粗侧表面开裂的原因和时机； ( 2 ) 采用瞬时坐标位移差的方法建立鼓形系数，分析空穴扩张比和鼓形 系数在镦粗变形过程中的变化规律； ( 3 ) 使用鼓形系数表征材料应力状态，借助鼓形系数对镦粗侧表面开裂 进行判断。 燕山大学工学硕士学位论文 第2 章镦粗侧表面开裂判定方法的研究 2 1 引言 由前所述，镦粗对于锻造工艺尤其足大锻件的生产具有重要意义，所 以镦粗工艺的好坏直接影响锻件的质量。镦粗工艺的三种缺陷中，对于难 变形区的缺陷问题，已经出现了锥形板镦粗的优化方案。对于心部产生拉 应力的缺陷问题，虽然还没有系统的补救办法，但已有很多科研人员对此 问题做了大量深入的研究，例如文献【1 4 1 6 】都对镦粗过程中心部拉应力问 题做过详细的论述和分析，并提出了相应的优化措施。而对于镦粗过程中 侧表面出现裂纹问题，虽然有很多人提出减少鼓形的优化措施，但对于判 定裂纹出现时机的问题，目前还没有太多人关注。本章针对此问题，在研 究大锻件裂纹发生、发展的基础上，从坯料内部空洞缺陷入手，采用已有 空穴扩张比理论，研究塑性材料内部由空洞缺陷到出现微观裂纹的过程， 结合镦粗实际过程中出现的问题，确立对镦粗过程中侧表面出现裂纹的判 定方法。 、 2 2 大锻件生产中常见裂纹分析 大锻件锻造过程中，裂纹经历形核、扩张最终形成宏观开裂。大锻件 生产过程( 包括加热和冷却) 中裂纹的产生与受力情况、变形金属的组织结 构、变形温度和变形速度等有关。锻造工艺过程中除了工具给予工件的作 用力之外，还有由于变形不均匀和变形速度不同引起的附加应力、由温度 不均匀引起的热应力和由组织转变不同时进行而产生的组织应力。 应力状态、变形温度和变形速度是裂纹产生和扩展的外部条件；金属 的组织结构是裂纹产生和发展的内部依据。前者是通过对金属组织及对微 观机制的影响而对裂纹的发生和扩展发生作用的。全面分析裂纹的成因应 当综合地迸行力学和组织的分析 1 7 , , - 1 8 l 。 1 2 第2 章镦粗侧表面开裂判定方法的研究 2 2 1 形成裂纹的力学分析 ， 在外力作用下物体内各点处于一定应力状态，在不同的方位将作用不 同的正应力及切应力。由此产生裂纹的形式一般有两种：一是切断，断裂 面是平行于最大切应力或最大切应变；另一种是正断，断裂面垂直丁最大 正应力或正应受方向。至于材料发生何种破坏形式，主要取决于应力状态， 即正应力与切应力之比值，也与材料所能承受的极限变形程度有关。 外力引起开裂的情况有以下几种： ( 1 ) 由外力直接引起的裂纹压力加工生产中，在弯曲和校直、脆性材 料镦粗、冲孔扩孔涨形翻边等情况下，由外力作用坑直接产生裂纹。例如 弯曲件在校正工序中由于一侧受拉应力常易引起开裂。脆性材料镦粗时， 在4 5 。方向发生斜裂。 ( 2 ) 由附加应力及残余应力引起的裂纹附加应力主要是由两种原因引 起的，变形不均匀和变形时金属流速不均匀。例如塑性材料镦粗时，变形 不均匀产生的周向附加拉应力。 ，( 3 ) 由温度应力及组织应力引起的裂纹主要是指当加热或冷却时由于 温度不均匀造成热胀或冷缩不均匀引起的内应力，以及当组织转变不同时 发生时，易产生的组织应力【l ”。 2 2 2 形成裂纹的组织分析 对裂纹的成因进行组织分析，有助于了解形成裂纹的内在原因，也是 进行裂纹鉴别的客观依据从大量的锻件裂纹实例分析和重复试验中可以 观察到，金属材料的组织和性能是否均匀，对裂纹有重要影响。 ( 1 ) 对组织和性能比较均匀的材料锻造过程中，首先在加力最大，先 满足塑性条件的地方发生塑性变形。在变形过程中位错沿滑移面运动，遇 见障碍物，便会堆塞，并产生足够大的应力而产生裂纹，或由于位错的交 互作用形成空穴、微裂，并进一步发展成宏观的裂纹这主要产生在变形 温度较低( 低于再结晶温度) ，或变形程度过大、变形速度过快的情况，这种 裂纹常常是穿晶或穿晶和沿晶混合的。 1 3 燕山大学工学硕士学位论文 ( 2 ) 对织织和性能不均匀的材料对组织和性能不均匀的材料，裂纹通 常在晶界和某些相界面发生。这是因为锻造变形通常是在金属的等强温度 以上进行的。晶界的变形较大，而金属的晶界往往是冶金缺陷、第二相和 非金属夹杂比较集中的地方。在高温下某些材料晶界上的低熔点物质发生 熔化，严重降低材料的塑性；同时，在高温下周围介质中的某些元素( 硫、 铜等) 沿晶界向金属内扩散，引起晶界上第二相的非正常出现和晶界的弱化； 另外，基体金属与某些相的界面由于两相在力学性能和理化性能上的差异 结合力较弱 ：2 0 l 。 2 2 3 金属组织对大锻件裂纹的影响。 2 2 3 1 微观裂纹的产生锻造过程中金属组织状况对微观裂纹的产生主 要有下列三种情况。 ( 1 ) 冶金和组织缺陷处应力集中在原材料的冶金和组织缺陷处，如疏 松、夹杂物等的尖角处，在外力作用下发生应力集中；在第二相和基体相 交界处，特别是第二相的尖角处容易产生应力集中。在应力集中处较早达 到金属的屈服点，引起塑性变形，当变形量超过材料的极限变形程度和应 力超过材料的极限强度时便产生微观裂纹。 ( 2 ) 第二相及夹杂物本身的强度低和塑性差第二相及夹杂物本身强度 低，塑性差，受外力或微量变形时即产生开裂。具体的有下列一些情况： 晶界为低熔点物质、晶界存在脆性的第二相或非金属的夹杂物、第二相及 非金属夹杂与基体之间在力学性能和理化性能上有差异。 ( 3 ) 第二相为强度低于基体的韧性相亚共析钢、奥氏体不锈钢、马氏 体不锈钢中的铁索体属于此种情况。由于铁素体的屈服应力小，压力加工 变形时，首先是铁素体局部变形，当超过极限应变对，便形成微观裂纹， 当铁素体呈网状分布于品界时危害更大【2 “。 2 2 3 2 微观裂纹的扩展断裂过程是沿着能量降低的方向，遵循阻力最小 的途径进行的裂纹扩展的阻力由裂纹前缘金属的性能和微观的断裂机制 来决定。应力状态、温度、应变速度及介质对裂纹扩展的阻力有一定影响。 它们是通过对性能和断裂机制的影响来影响裂纹扩展阻力的。裂纹前缘金 1 4 第2 章镦粗侧表面开裂判定方法的研究 属的韧性愈好，则裂纹扩展的阻力愈大。韧性是断裂过程所需能量的参量， 而这种能量取决于材料的强度和塑性，它是材料强度和塑性的综合表现。 在保证一定强度的前提下提高塑性，对提高韧性和裂纹扩展的阻力具商重 要的影响 2 2 1 2 3 材料产生裂纹的微观过程 大锻件裂纹的产生、发展归根结底都是由金属材料内部各种缺陷组织 引起的，所以要想很好的了解裂纹的产生、发展到导致大锻件宏观开裂过 程，就不得不首先从金属微观组织入手。 。一 、空穴扩张比理论是出现在上世纪中叶的一种理论，它主要研究金属塑 性变形过程中，材料从自身内部含有空洞缺陷到产生宏观裂纹的过程，并 在上世纪八九十年代得到蓬勃的发展。目前此理论已被广泛应用到生产实 践中裂纹的判定问题中。与传统的位错理论相比较，空穴扩张比理论相对 简单易懂，而且更便于直接定量预测或判断材料与构件的破坏。 在金属材料内部，存在各种夹杂颗粒和第二相质点等微观组织，它们 随塑性变形过程很容易在界面处分离而形成空洞，而空穴在夹杂颗粒或第 二相质点等边界的形成过程，是金属材料塑性损伤破坏的重要机制之一， 对金属材料性能具有重大影响。一般认为上述过程大致可划分为三个阶段， 即空穴的形核、扩张与聚合。由于微空穴的聚合而导致材料破断，在韧性 表面呈现出韧窝断口。 对于空穴的形核、扩张与聚合过程的认识和学习，主要通过实验的方 法进行的，这方面的内容西北工业大学的郑长卿老师做了深入的调查研究， 在这里只简单介绍一下空穴研究的内容和过程 2 3 - 2 4 l 。 j 对于空穴扩张比理论的研究，主要是通过实验进行的。试验材料为广 泛用于北海油田平台结构的低合金钢b s 4 3 6 0 5 0 d ，其主要化学成分和常规 性能见表2 1 、表2 - 2 【2 ”。 工件直径d 取1 0m i n 。用位移控制试验机以缓慢均匀方式加载，试样 停机点参照预试件的载荷标距位移曲线的相应位置加以控制，大致分 为屈服前，屈服阶段，屈服至最大载荷，最大载荷阶段，最大载荷至失稳 1 5 燕山大学工学硕士学位论文 状态，失稳状态，破断状态郾l 。 表2 15 0 d 钢的主要化学成分 t a b l e 2 - lm a i nc h e m i c a lc o n s t i t u t i o no f 5 0 ds t e e l cs im an ic t c u 0 。1 8 o 3 6 1 4 0 0 0 9 5 o 1 1 o 1 6 表2 - 25 0 d 钢常规机械性能 t a b l e 2 - 2n o r m a lm e c h a n i c a lb e h a v i o ro f 5 0 ds t e e l 珥( m p a ) ( m p a ) l j ( 哟 i 矿( 蜘 层( g p a ) 2 8 35 4 3 i 3 3 i 6 5 5 2 1 3 为了方便研究临界空穴扩张比理论，在此先介绍一个新的表征应力状 态的参数，即r 。简称应力三维度或应力三轴度，其具体表达式如下： 如= 詈( 2 - 1 ) 它是由金属材料受力变形时。平均应力与等效应力的比值构成的 对于所研究的圆柱拉伸试样，必须剖开后才能观测它在塑性变形过程 中内部空穴的情况，所以可先将已拉伸至不同程度的卸载试样，在测量长 度内截取一段，将制备好的金相样品置入扫描电镜进行观测。统计空穴体 积百分数的方法，采用了剖面面积比的方法和统计计数法；同时也要对各 单个空穴的扩张比_ 瞬时状态的空穴尺寸与初始空穴形核尺寸( 相当于该 空穴的夹杂尺寸) 之比以及临界空穴扩张比作数值统计【2 7 l 。 2 3 1 空穴的形成过程 空穴的形成、扩张和聚合也要经历从无到有，由小到大的过程。从金 属材料开始屈服到有效塑性应变轳o 1 0 ，可观察到很少的微小空穴和孔洞 ( 主要是试样受载荷前材料中存在的孔洞和晶间空洞等) ，大体是典型球状 的，一般为几个微米的量级。此时，还很少见到不规则形状的空穴在夹杂 或第二相质点边界形核，它通常要在塑性应变稍大些才发生。到稍高的有 效应变( 自有效应变，即接近预缩起始应变后) 就可以看到空穴在球形质点周 围形核，相应的空穴体积百分数w 按剖面面积比) 为0 0 0 1 3 0 ，随着有效塑 1 6 第2 章镦租侧表面开裂判定方法的研究 性应变的增加，空穴体积百分数k 也波动起伏地有所增加实际上在试样 最大载荷的有效塑性应变弓产o 1 5 至颈缩后的有效应变驴o 2 4 的_ 段范围 内，随着有效应变。的增大，一方面不断有大量的新空穴形核，另一方面 是已形核空穴的不断扩张，在有效应变驴o 1 6 到弓产0 2 4 范围内，只能观察 到空穴的形核和长大，尚未观察到空穴问基体材料“内缩颈”现象【2 8 1 。 其后，随着有效塑性应变的进一步增加，主要是已形成的空穴不断的 扩张；虽然同时也持续不断地观察到新的空穴形核并随后不断扩张，但新 增加的空穴形核数目较为有限当有效塑性应变品达到0 6 0 以致更高时， 可观察到空穴围绕更小的质点形核，例如c u 质点。 至失稳阶段，由于较高的三轴应力场的作用，试样剖面轴心附近的空 穴首先开始聚合，在此前后伴随新的空穴形核。此过程可简单归纳如下阶 段：在较低的塑性应变阶段，即有效应变轳o 1 4 - - 0 2 4 ，在特定的局部应力 场的作用下，空穴形核于一些与基体结合力不是很强的“中等”尺度( 2 l o g m ) 质点周围。在较高的塑性应变范围内，即有效应变驴o 2 4 - - 0 6 0 ，空穴进一 步在与基体结合力较强的大小不等的质点周围形核，当塑性应变达到o 6 0 以致更高时，空穴形核于细小的、于基体结合力很强的球质点周围 因此，空穴形核实际上是一贯穿于大部分塑性应变范围的延续性过程。 从总的趋势来说，相对空穴体积u 随有效塑性应变岛的增加而增加，采用 统计平均的办法，可得昂的关系曲线【2 9 1 ，近似如图2 1 所示 丑 制 o 6 o 5 o 4 0 j 3 o 2 o 1 o o 0 4o 1 lo 1 9o 2 7o 3 6 有效应变 图2 - 1 昂关系曲线 f i g 2 1 r e l a t i o n s h i pc u r v eo f ka n d 昂 1 7 燕山大学工学硕士学位论文 2 3 2 空穴的扩张过程 当材料内部空穴一旦形核，即在增长着的有效塑性应变和三轴应力场 的作用下，不断扩张直至聚合成微观裂纹而导致试样的宏观破断。要对空 穴的扩张规律作某种定量研究，首先必须搞清楚所取材料拉伸试样加载过 程中有效塑性应变昂与应力三轴度r 旗之间的关系，要强调指出的是：对 不同材料，其尺，品关系曲线常常是不同的，应分别予以标定。利用已知的 r ，昂关系曲线图2 2 及不同有效应变昂值下测得的相对空穴体积k ( 图2