（材料加工工程专业论文）大锻件锻造成形过程中内部空洞型缺陷演化规律的研究.pdf

摘要 摘要 大锻件是人型成套设备的核心零部件，被广泛应用于电力、冶金、造船、石油化 工、核能、航空航天和国防军工领域。大锻件通常上作条件差、载荷大、安全可靠性 要求高，因此质量要求极为严格。然而，钢铁冶金过程决定了人型钢锭内部不可避免 地会存在空洞型缺陷，内部空洞的存在破坏了金属的连续性，容易形成应力集中与裂 纹损伤，导致锻件寿命缩短以致报废。因此，深入认识空洞演化规律，探索提高空洞 压实效果的条件，将有助于提高锻件内在质量，促进锻造工艺的制定由经验走向科 学。由于大锻件内部分散着人量相对极为微小的空洞型缺陷，为了全面解析空洞在锻 造过程中的演变，本文对空洞型缺陷的演化进行了较为系统的研究，试图同答这样的 问题：如果大锻件某位置存在空洞型缺陷，那么空洞演化与大锻件锻造过程中的宏观 力学量场有何定量关系? 空洞演化有何规律? 为此，本文基于细观塑性理论，通过理 论建模、数值模拟和试验研究，提出了通用的空洞闭合判定准则，开发了模拟空洞演 化的计算程序，在d e f o r m 软件基础上建立了人锻件锻造过程中内部空洞演化的仿真 平台，并通过试验验证了所提出的理论和方法的正确性。主要研究内容和成果如下： 针对大锻件锻造成形过程中内部大量微小空洞同时存在并各自变形的情况，本文 提出了研究大锻件内部空洞演化的典型体元模型，典型体元模型是建立空洞演化与大 锻件锻造成形t 艺之间定量联系的桥梁。典型体元可以归结为大锻件宏观上的一个点 元，对微小空洞而言可以视为无限火，典型体元的边界条件为大锻件锻造过程中该点 处的宏观力学状态，典型体元内部的速度场决定空洞的演化。基于典型体元模型，运 用细观塑性理论，建立了空洞的体积和形状演化参数与宏观力学量场之间的一般关 系；基于虚功原理，建立了研究大锻件内部空洞演化的通用方法。典型体元模型为探 索大锻件锻造过程中内部空洞型缺陷的演化规律提供了比较成功的研究方法。 由于大锻件锻造成形过程中内部空洞的体积和形状都会变化，为了得到空洞演化 的定量规律，本文基于旋转椭球双曲坐标系和空洞周围基体材料的动可容速度场，采 用r a y l e i g h r i t z 法，对空洞演化进行了详细的数值计算，提出用空洞相对体积( 空洞当 前体积与空洞初始体积的比) 作为判断大锻件锻造成形过程中内部空洞演化的依据， 得到了材料属性、应力和应变状态对空洞演化的影响规律。结果表明，空洞体积变形 率随着应力三轴度水平和材料n o r t o n 指数的增大而单调增加；空洞相对体积随应力三 轴度水平的提高和等效应变的增大而减小；随着应力三轴度水平和材料n o r t o n 指数的 增大，空洞完全闭合所需的远场等效应变减小。 针对实际生产中对具有明确物理意义和普遍适用性的空洞闭合判定准则的现实需 l ：海交通人学t 学博f ，学位论文 求，本文基于力学分析和数值计算，通过研究球形空洞演化成扁椭球并最终c j j 合成为 裂纹的过程，得剑了空洞闭合的插值模型。根据插值模型和空洞演化的数值计算结 果，通过引入四个参数，提出了一个简明的空洞体积演化模型，得剑了包含材料属 性、应力应变状态和温度影响的具有明确物理意义的大锻什内部空洞闭合判定准则， 其中温度的影响通过材料n o r t o n 指数和应力应变关系米体现。空洞闭合判定准则定量 地反映了空洞闭合的一般规律。 针对大锻件锻造成形过程中难以准确预报内部大量微小空洞同时存在并各自演化 这一难题，本文通过开发模拟空洞演化的计算程序，将空洞演化模型嵌入商用软件 d e f o r m ，实现了人锻件锻造成形过程中内部空洞体积演变的定量化和可视化，建 立了空洞演化的仿真平台，首次在大锻什锻造过程的模拟中将空洞相对体积同步、直 观地显示出来，为锻造工艺的优化和锻造方法的创新提供了理论和计算依据，为揭示 空洞演化规律和预报锻造工艺对空洞型缺陷的压实效果提供了一条新途径。在此仿真 平台上，对不同砧形的镦粗t 艺和多上步多道次的拔长t 艺过程中锻件内部空洞闭合 情况进行了数值模拟，分析对比了不同锻造方法对内部空洞的压实效果，并提出了钹 形砧镦粗方法。 由于大锻件体积人、重量高、价格昂贵，直接用人锻件进行试验受到诸多限制， 而铅是再结晶温度为窒温的金属材料，其常温塑性性能与高温钢的塑性性能具有很好 的相似性。本文通过在p b s b 3 铅块上加t 空洞并组装成一个整体的方法，制备了可以 定量研究空洞演化的试件，试验研究了不同锻造方法对空洞闭合的影响，并采用精密 的光学投影仪对空洞体积进行测鼍，试验结果和数值模拟结果吻合较好，验证了本文 建立的人锻件内部空洞演化模犁与仿真方法的有效性和准确性。 利用本文建立的空洞演化仿真平台，分析了1 0 0 0 m w 低压转子现行的锻造工艺， 在对现行工艺进行定量评估的基础上，建议了新的锻造t 艺。研究表明，基于空洞演 化仿真平台，通过c a e 分析和优化，可以为大锻件设计最优的锻造方法，安排更经济 的成形工艺，获得更好的成形质量。 关键词 大锻件，锻造，空洞演化，典型体元，仿真平台，数值模拟，物理模拟 i i a b s t r a c t a b s t r a c t l a r g ef o r g i n g s ，t h ek e yp a r t sf o rh e a v ym a c h i n ea n de q u i p m e n t ，a r ew i d e l yu s e di n p o w e rg e n e r a t i o n ，m e t a l l u r g y , s h i p b u i l d i n g ，p e t r o c h e m i c a le n g i n e e r i n g ，n u c l e a rp o w e r , a e r o s p a c ea n dd e f e n s ei n d u s t r y t h eq u a l i t yr e q u i r e m e n t so fl a r g ef o r g i n g sa r ee x t r e m e l y s t r i c tb e c a u s el a r g el o a d s ，p o o rw o r k i n gc o n d i t i o n s ，h i g hs a f e t ya n dr e l i a b i l i t yr e q u i r e m e n t s a r ei t sf u n d a m e n t a lc h a r a c t e r i s t i c s h o w e v e r ，i n t e r n a ld e f e c t ss u c ha l ss h r in k a g ec a v i t i a s a n dp o r o s i t yi n e v i t a b l yo c c u ri nl a r g ei n g o t sd u r i n gs t e e lc a s t i n g t h ec o n t i n u i t yo ft h e m e t a li sd e s t r o y e db yt h e s ei n t e r n a lv o i d sa n ds t r e s sc o n c e n t r a t i o na n dc r a c kd a m a g ea r e e a s yt of o r m ，r e s u l t i n gi nl o s so fl i f ea n dd i s c a r d i n g t h e r e f o r e ，u n d e r s t a n d i n go fv o i d e v o l u t i o n ，e x p l o r a t i o no ft h ec o n d i t i o nf o rv o i dc l o s u r e ，a n dd e s i g no ff o r g i n gp r o c e s st o i m p r o v et h ef o r g i n gq u a l i t y ，a r eo fg r e a tt h e o r e t i c a ls i g n i f i c a n c ea n dp r a c t i c a lv a l u e i nt h i s p a p e r o nt h eb a s i so ft h e o r e t i c a lm o d e l i n g ，n u m e r i c a ls i m u l a t i o na n de x p e r i m e n t a ls t u d y , v o i de v o l u t i o ni nl a r g e i n g o td u r i n gh o tf o r g i n gi si n v e s t i g a t e ds y s t e m i c a l l y ，w h i c hy i e l d s t h ef o l l o w i n gm a i na c h i e v e m e n t s ： b a s e do nm e s o m e c h a n i cp l a s t i ct h e o r ya n dt h e c h a r a c t e r i s t i c so fl a r g ef o r g i n g s ，t h e r e p r e s e n t a t i v ev o l u m ee l e m e n t ( r v e ) m o d e lf o rv o i de v o l u t i o ni nl a r g ei n g o td u r i n gh o t f o r g i n gi sp u tf o r w a r d ，a n dt h er e l a t i o n s h i p sb e t w e e nv o i dv o l u m ea n ds h a p ee v o l u t i o na n d m a c r o s c o p i cf i e l dv a r i a b l e sa r ee s t a b l i s h e d b a s e do nt h ep r i n c i p l eo fv i r t u a lw o r k ，。t h e v a r i a t i o n a lf u n c t i o n a lf o rt h es o l u t i o no ft h el o c a lv e l o c i t yf i e l di sd e r i v e d ，a n dag e n e r a l m e t h o df o ri n v e s t i g a t i n gv o i d e v o l u t i o ni se s t a b l i s h e d t h er v em o d e li sas u c c e s s f u l s o l u t i o nf o rs t u d y i n gv o i de v o l u t i o ni nl a r g ei n g o tw i t hal a r g en u m b e ro fs m a l lv o i da n d r e s p e c t i v ed e f o r m a t i o n sd u r i n gh o tf o r g i n g t h r o u g ht h ec a l c u l a t i o nf o rv o i de v o l u t i o n ，t h er e l a t i v ev o i dv o l u m e ( t h er a t i oo f c u r r e n tv o i dv o l u m et oi n i t i a lv o i dv o l u m e ) i ss u g g e s t e da st h ei n d i c a t o rf o rv o i de v o l u t i o n i nl a r g ei n g o td u r i n gh o tf o r g i n g ，a n de f f e c t so ft h em a t e r i a lp r o p e r t i e s ，s t r e s sa n ds t r a i n s t a t eo nv o i de v o l u t i o na r er e v e a l e d t h er e s u l t ss h o wt h a t ，t h ev o l u m e t r i cs t r a i n r a t eo ft h e v o i di n c r e a s e sm o n o t o n i c a l l yw i t hi n c r e a s i n gs t r e s st r i a x i a l i t yl e v e la n dn o r t o ne x p o n e n t o ft h em a t e r i a l ；r e l a t i v ev o i dv o l u m ed e c r e a s e sa st h es t r e s st r i a x i a l i t yl e v e la n de f f e c t i v e s t r a i ni n c r e a s e ；t h er e m o t ee f f e c t i v es t r a i nr e q u i r e df o rv o i dc l o s u r ed e c r e a s e sa st h es t r e s s t r i a x i a l i t yl e v e la n dn o r t o ne x p o n e n ti n c r e a s e b a s e do nt h en u m e r i c a lr e s u l t sa n dt h ei n t e r p o l a t i o nm o d e l ，ac r i t e r i o nf o rv o i d i i i l ：海交通人学t 学博i j 学 讧论艾 c l o s u r e ，w h i c ht a k e st h em a t e r i a lp r o p e r t y , s t r e s sa n ds t r a i ns t a t e ，a n dt e m p e r a t u r ei n t o a c c o u n t ，i sp r o p o s e d t h ee f f e c to ft e m p e r a t u r ei sc o n s i d e r e di nt h en o r t o ne x p o n e n ta n d t h es t r e s s - s t r a i nr e l a t i o n s h i p t h ec r i t e r i o nh a sac l e a rp h y s i c a lm e a n i n ga n dag e n e r a l a p p l i c a b i l i t yf o rl a r g ei n g o td u r i n gh o tf o r g i n g b yd e v e l o p i n gt h ek e ys i m u l a t i o np r o g r a mf o rv o i de v o l u t i o n ，t h es i m u l a t i o np l a t f o r m f o rv o i de v o l u t i o ni se s t a b l i s h e db a s e do nt h ec o m m e r c i a ls o f t w a r ed e f o r m 。a n df o rt h e f i r s tt i m et h er e l a t i v ev o i dv o l u m ei sd i s p l a y e dc l e a r l ya n ds y n c h r o n o u s l yi nt h es i m u l a t i o n o ft h eh o tf o r g i n gp r o c e s sf o rl a r g ei n g o t i tp r o v i d e san e wa p p r o a c hf o rs e l e c t i o na n d e v a l u a t i o no ft h et r a d i t i o n a lf o r g i n gp r o c e s s e s ，a n dac o n v e n i e n ta n dp o w e r f u lt o o lf o r o p t i m i z a t i o no ff o r g i n gp r o c e s s e sa n d i n n o v a t i o n o ff o r g i n gm e t h o d s b a s e do nt h e e s t a b l i s h e ds i m u l a t i o np l a t f o r mf o rt h ev o i de v o l u t i o n ，n u m e r i c a ls i m u l a t i o n sf o ru p s e t t i n g p r o c e s s e sw i t hd i f f e r e n td i e sa n df o rs t r e t c h i n gp r o c e s s e sw i t hm u l t i s t r o k ea n dm u l t i - p a s s f o r g i n ga r ep e r f o r m e d ，t h ee f f e c t so fd i f f e r e n tp r o c e s s e so nv o i dc l o s u r ea r ea n a l y z e da n d c o m p a r e d ，a n dt h ec y m b a l s h a p e dd i eu p s e t t i n gp r o c e s si sp r o p o s e d an e we x p e r i m e n t a lm e t h o di sp r e s e n t e df o rq u a n t i t a t i v ei n v e s t i g a t i o no ft h ev o i d e v o l u t i o n e f f e c t so fd i f f e r e n tf o r g i n gp r o c e s s e so nv o i dc l o s u r ea r ei n v e s t i g a t e d t h e s o p h i s t i c a t e do p t i c a lp r o j e c t o ri sa d o p t e di nt h em e a s u r e m e n to f t h es i z ea n dv o l u m eo ft h e v o i dt oe n s u r et h ea c c u r a c yo ft h et e s tr e s u l t s g o o da g r e e m e n t so ft h ep r e d i c t e dr e s u l t s w i t ht h em e a s u r e do n e sc o n f i r mt h ev a l i d i t yo ft h ev o i de v o l u t i o nm o d e l ，t h ev o i dc l o s u r e c r i t e r i o n ，a n dt h es i m u l a t i o np l a t f o r mf o rv o i de v o l u t i o ni nl a r g ei n g o td u r i n gh o tf o r g i n g u s i n gt h ee s t a b l i s h e ds i m u l a t i o np l a t f o r mf o rv o i de v o l u t i o n ，f o r g i n gp r o c e s s e so f 10 0 0 m wl o w - p r e s s u r er o t o ri sa n a l y z e da n de v a l u a t e d ，a n dn e wf o r g i n gp r o c e s s e sa r e r e c o m m e n d e db ya p p l y i n gt h ec y m b a l - s h a p e dd i ei nt h eu p s e t t i n gp r o c e s s e s i ts h o w st h a t ， b a s e do nt h es i m u l a t i o np l a t f o r mf o rv o i de v o l u t i o n ，t h eo p t i m u mf o r g i n gm e t h o dc a nb e d e s i g n e d ，t h em o s te c o n o m i c a lf o r g i n gp r o c e s sc a nb ea r r a n g e da n dt h eb e s tf o r g i n gq u a l i t y c a nb ea c h i e v e dt h r o u g ht h ec a ea n a l y s i sa n do p t i m i z a t i o n k e y w o r d sl a r g ei n g o t ，f o r g i n g ，v o i de v o l u t i o n ，r v e ，s i m u l a t i o np l a t f o r m ，n u m e r i c a l s i m u l a t i o n ，p h y s i c a ls i m u l a t i o n i v 上海交通大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下， 独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外， 本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。 对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式 标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位做储躲弓k 必抄 日期叩邓月曲 上海交通大学 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定， 同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子 版，允许论文被查阅和借阅。本人授权上海交通大学可以将本学位 论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、 缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密口，在一年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密口。 ( 请在以上方框内打“”) 学雠文储躲琴瞅魄剥雠： 日期沙爷。月西 醐：1 引0 月f 日 第l 章绪论 第1 章绪论 人锻件是大型成套设备的核心零部件，在国民经济建设、国防装备发展和现代尖端科学 技术重大二【：程的建设中，起着非常重要的作用，被广泛应用于电力、冶金、造船、石油化 工、核能、航空航天和国防军上领域。人锻件一般重达儿吨至几百吨，典型的人锻件有水轮 机人轴、发电机转子、核反应堆壳体、轧辊、人型曲轴和齿轮等，这些关键零部件具有载荷 人、工作条件差、安全可靠性要求高等特点，质量要求极为严格，必须通过锻造加工成形， 以改善组织，修复缺陷，提高性能，满足零件服役的强度要求和工作环境的特殊要求 ( t y u r i na n do v e c h k i n ，2 0 0 1 ；任运米，2 0 0 3 ) 。 钢铁的冶金过程决定了大型钢锭内部不可避免地会存在各种缺陷，内部空洞是人锻什缺 陷的重要形式。内部空洞的存在破坏了金属的连续性，容易形成应力集中与裂纹损伤，导致 锻件寿命缩短以致报废，因此，在锻件的锻造过程中，消除其内部空洞缺陷是衡量丁艺过程 优劣及产品质量高低的重要评价冈素。在我国，大多数大型锻件报废的原冈是探伤结果达不 到检验标准，而锻件内部原有的空洞型缺陷朱能有效锻合是探伤不能达到标准的重要原冈之 一( 金宁，1 9 9 0 ) 。消除人锻件内部空洞型缺陷，提高其内在质量及承载能力，是塑性加工领域 多年来一直予以高度重视的研究方向，也是机械上业技术进步对锻件制造技术提出的基本要 求之一。深入认识空洞演化规律，探索提高空洞压实效果的条件，据此制定锻造工艺，有针 对性地消除锻坯内部的空洞型缺陷，从而提高锻什内在质量，有着重要的理论意义和工程实 用价值。 1 1 大锻件生产和锻造技术的发展概况 1 1 1 国内外锻造设备和技术发展概况 大锻件的质量和产量与大型钢锭的质量、锻压设备性能、辅助设备配置和锻造工艺密切 相关，为此，钢锭的冶炼技术、液压机的性能、辅助设备的配置( 锻造操作机、工具操作机 等) 及锻造工艺的创新一直都是国内外大锻件生产技术研发的重点。 日本在大锻件研制方面一直保持世界领先地位。日本生产大锻件的企业约2 0 余家，拥有 1 0 1 3 0 m n 自由锻液压机约4 0 台，大多数压机都配有锻造操作机( 1 0 - 4 0 0 t m ) 。日本能用3 0 0 t 以上钢锭生产火型锻件的企业有日本制钢所室兰工厂( j s w ) 、神户制钢( k o b e ) 、日本铸锻钢 ( j c f c ) 。j s w 的8 0 m n 液压机配2 4 0 t m 锻造操作机，3 0 m n 油压机和8 0 t m 锻造操作机可进行 联动，采用计算机控制，自动测量和自动控制锻造尺寸、切料、自动记录生产管理数据，在 锻造台阶轴、中间轴、平板、模块等锻件时可进行全自动锻造。神户制钢所8 0 m n 自由锻液 压机配4 0 0 t - m 操作机、3 0 m n 液压机配1 2 0 t m 操作机、2 0 m n 液压机配4 0 t m 操作机，其操作 l ：河交通人学t 学博i j 学位论文 机的夹持力是目前世界上最人的，对提高锻什产量打下了基础( 蔡墉，2 0 0 7 ) 。 韩国拥有1 3 0 m n ( 配4 0 0 t m 操作机) 、1 0 0 m n ( 配2 5 0 t m 操作机) 、4 2 m n ( 配1 6 0 t m 操作 机) 、4 0 m n ( 配1 2 0 t m 操作机) 等1 0 m n 1 3 0 m n 自由锻液压机约2 0 台，能浇注4 9 6 吨重的钢锭 生产1 0 0 0 m w 核电汽轮机低压整体转子锻件。主要生产电站锻件、船川轴系等，由于成批生 产，生产率很高。 德国人锻件生产水平在欧洲堪称首位。早在2 0 世纪3 0 年代就生产过3 0 0 t 的钢锭，8 0 年代 就能用4 3 5 t 的钢锭制造2 0 0 t 的发电机转子、用4 5 0 t 钢锭制造1 0 0 0 m w 压水堆压力容器接管( 王 凤喜，2 0 0 2 ) 。德国土要生产电站、重型设备和：i ：程机械人锻件，其装备技术一直处于领先地 位。为满足严格的环境规范和质量要求，德国在人锻件的锻造和热处理中投入人量资金，技 术水平在不断提高。 美国人锻件生产在世界上也有较高水平，并且注重提高生产技术含量。如伯利恒钢铁公 司用3 1 7 5 t 钢锭锻造出重量为2 0 0 t 左右的转子。其锻造的特点是先打成八方后炉冷，然后根 据超卢波探伤结果“量体裁农”，可制成锻件重量为1 8 8 5 t 2 1 3 t 的发电机转子( 王风喜，2 0 0 2 ) 。 美国还对液压机进行改造，将传统的压机改成计算机控制的高精度快锻液压机。 我国经过5 0 多年的发展，能为国民经济各部门，如电站、冶金、矿山、石油、化| t 、造 船、军- t 、大型机器和重型锻压设备提供大型自由锻件。目前我国拥有1 0 0 m n 级人型自由锻 液压机十余台，其中上海重机厂1 6 5 m n 压机是当今世界投产的最人的自由锻液压机，其单件 能力最人可以达至j 6 0 0 吨。我国已生产过的人锻件有：重约3 1 0 吨的1 0 0 0 m w 压水堆蒸汽发生 器简体锻件；钢锭重3 1 2 吨、锻件重1 9 0 吨的6 0 0 m w 压水堆压力壳接管；3 0 0 m w 、6 0 0 m w 、 8 0 0 m w 火电机组高、中、低汽轮机转子、叶轮、叶片、发电主轴、护环；1 6 0 吨水轮机人轴 锻件；钢锭重2 9 6 吨、锻件重1 8 5 吨的钢板轧机支承辊；重1 4 7 吨的1 2 5 m n 自由锻水压机立柱 锻件等。现在我国可浇铸的最大钢锭重量约4 0 0 5 0 0 t ，可生产重2 6 0 3 2 0 t 大型锻仲。 但是，我国的很多关键零件仍依赖进口，如三峡水电站3 0 台7 0 0 m w 水力发电机组的水 轮机大轴锻件、发电机主轴、镜板、上下环、叶片轴等，基本上都从国外进口。进口大锻件 的原因主要是因为国内交货时间长、价格高、精度低、质量不稳定等( 蔡墉，2 0 0 7 ) 。 综上所述，我国大锻件行业，与发达国家相比，锻造设备的力能参数处丁二先进行列，但 在辅助设备配套能力、机械化和自动化程度、质营稳定性、成本控制等方面都存在着许多不 足。随着我国大型工业的快速发展，通过设备购置、技术引进和技术改造，液压机性能、辅 助设备的配置将很快跟上发达国家的步伐，正如液压机的吨位已经走在世界前列一样。然 而，就锻造而言，我国大型锻件制造技术水平较低的主要原因之一是大型锻件的锻造工艺比 较落后，内部缺陷的演化规律和修复方法研究不足( 底学晋，1 9 8 8 ；任运来，2 0 0 3 ) 。 1 1 2 大锻件锻造工艺概述 成形和改性是制定大锻件锻造工艺的主要目的。大锻件锻造过程的改性作用极为重要 2 第l 带绪论 ( 曾志朋，2 0 0 2 ) ，这是因为人锻件都是人型没备中的关键部件，多数在高温高压下工作，对它 们的微观组织和力学性能有极高的要求。人型铸锭通常存在严重的疏松、缩孔、微裂纹、偏 析、夹杂和品粒粗大等内部缺陷，必须通过锻造米修复或消除这些缺陷。镦粗和拔长是锻造 工艺中用于修复内部缺陷的两个基本工序，通过镦粗和拔长，可以打碎锻件体内碳化物、压 实空洞、细化品粒、改善铸态组织而获得均匀致密的锻件。 自2 0 世纪8 0 年代起，t h = 界各国的人锻件工作者开始注意到，在不改变压机额定载荷的前 提下，通过设计新的锻造工艺有可能人幅度提高成形零件的使用性能。于是这方面的研究工 作逐渐增多，也取得了诸多有实用价值的研究成果。简单介绍如下： 1 镦粗 镦粗是使坯料高度减小、横截面积增加的锻造工艺，是人型锻件锻压成形的主要工序之 一。除了饼类锻件的成形主要应用镦粗工序之外，许多重要的轴类锻件的成形也常用镦粗工 序。镦粗的主要作用是提高下一步延伸时的锻造比、提高锻件的横向力学性能和减少力学性 能的异向性。镦粗的主要控制参数是锻件的压缩率和高径比，开坯时，锻件应镦粗到高径比 接近1 。为保证锻合钢锭内部空隙，压缩率应大于4 0 ，但每次压缩量应在材料塑性允许的 范围，圆柱体毛坯的高径比最好在2 2 2 之间，平行人面体毛坯的高度与较小棱边之比应小 于3 5 4 ( 梁晨，2 0 0 3 ) 。钢锭高径比过大，镦粗时容易火稳而弯曲；钢锭高径比过小，镦粗压 下率较小时，不足以锻合钢锭内部的孔隙，而当镦粗压下率过大，镦粗后锻件高径比小于l 时，锻件心部易产生“夹馅饼”缺陷，或称r s t 效应( r i g i ds l i d et e a r i n ge f f e c t ) ( 任猛，张宝印， 1 9 9 1 ) 。 ( 1 ) 凹形砧镦粗 凹形砧镦粗法包括球形砧和碟形砧等凹形砧镦粗，是在传统的平砧镦粗的基础上发展起 来的。凹形砧镦粗法可以提高钢锭内部的静水压力，锻合心部孔洞，防止裂纹的产生，缺点 是靠近球形板和碟形板附近会出现范围较大的难变形区，致使该区域内铸态晶粒的破碎不完 全，空洞难以锻合，材料的力学性能无法改善，使锻件质量不能达标。 ( 2 ) 锥形板镦粗 锥形板镦粗方法是罗吴( 1 9 9 2 ) 在实践中总结出来的，后米刘助柏和王连东( 1 9 9 4 ) 对其进 行了力学分析，认为锥形板镦粗方法既有利于消除钢锭端部的变形死区，又消除了由端部的 变形死区造成的径向拉应力，增大了镦粗变形过程中轴线附近的静水压力，沿轴线变形均 匀，减小了变形中的附加应力和锻后的残余应力( 刘助柏等，1 9 9 8 ；李琼，1 9 9 9 ) 。它的主要缺点 是，沿轴线方向变形量小，不能作为修复缺陷的主要锻造方法( 任运米，2 0 0 3 ) 。 ( 3 ) m 形板镦粗 m 形板镦粗( 黄华贵等，2 0 0 5 ) 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镦粗锻造方法。m 形板镦粗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，有利于空洞型缺陷的锻合。 2 拔长 3 l ：海交通人学t 学博t 学位论文 拔长是使坯料横截面积减小、长度增加的锻造上艺。长期以来 j 锻比( 拔k 前后坯料长 度之比) 来衡量钢锭的压实程度，为了提高质量，常采用大锻比锻造。随着钢锭的日趋大型 化，人钢锭镦粗逐渐受到液压机能力的限制，而且锻比只是一个宏观评价指标，不足以评价 内部质量( 王雷刚，2 0 0 1 ) ，应该建立新的评价体系( 郭会光，田继红，2 0 0 7 ) 。于是人锻件= 作者 考虑州应力应变等力学量作为评价指标。二十世纪5 0 年代，前苏联学者把拔长视为局部镦粗 加刚端影响，以镦粗时高径比h d 2 产生双鼓形为基础，根据变形协调条件，得到了当砧宽 b t w h 2 时产生双鼓形为基础，根据变形协调条件，论述了当砧宽比w h 0 4 ， b h = 0 8 3 1 2 时，变形体内不会出现舣向拉应力。 北京机电研究所的朱明( 1 9 9 0 ) 利用损伤细观力学的g u r s o n 模型( g u r s o n ，1 9 7 7 a ，b ) 从理论上 对大型锻件内部空洞缺陷的闭合规律进行了探讨，导出了锻造过程中孔隙度变化的方程，但 当用该方程分析空洞完全闭合的条件时会出现应力或应变的奇异性。于是又提出一种有限体 积的椭球体中含椭球形空洞的损伤细观模型( 朱明，金泉林，1 9 9 2 a ，b ) ，对椭球空洞的闭合规律 进行了数值分析，指出静水压力、等效应变和材料应变率敏感系数影响空洞闭合，减小材料 应变率敏感系数可加快空洞闭合过程，还可使空洞完全闭合所需静水压力和等效应变减小。 任运来( 2 0 0 3 ) 将b u d i a n s k ye ta 1 ( 1 9 8 2 ) 得到的线性粘性材料内部椭球空洞的体积变化方程 引入到大锻件的工艺分析中来，讨论了空洞形状变化与远场应力的关系，对非线性粘性材料 借助连续损伤力学的方法进行了数值计算，回归得剑了外载荷与内部空洞变形的半解析关 系。 综上所述，对于大锻件内部空洞锻合的理论研究，早期的工作主要集中于具体锻件的力 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。随着理论研究的 深入，各国学者普遍认识到：大型锻件内部空洞型缺陷修复判据的建立，是大型锻件理论研 海交通人学t 学博i j 学位论艾 究的一个重人课题。缺陷修复判据应该为制定人锻件锻造j ：艺和研制新i ：艺提供最基本的准 则和依据，在人锻件的生产和研究中发挥着不可替代的作用。但是，到目前为止，这样的修 复判据还没有很好地建立起来，还没有建立包含材料属性、应力应变状态和温度影响的具有 明确物理意义和普遍适用性的修复判据。由于人锻件内部分散着人量的、相对极为微小的空 洞型缺陷，具有明确物理意义和普遍适用性的修复判据只有通过多尺度分析，在充分了解空 洞的演化规律的基础上才可能建立。 1 3 大锻件内部空洞的闭合判据研究进展 1 采用闭合速度作为评价孔洞闭合的判据 福井义典等( 1 9 8 0 ) 用刚塑性有限元法对拔k 和镦粗工艺进行分析，指出当锻坯内部孔洞 的闭合速度t o 仅考虑压下方向尺寸的变化时，闭合速度t 0 可以定义为 ，h 、 刃= d i l d r ( 1 - 1 ) l 其中7 7 为压下率，6 0 为孔洞在高度方向的原始尺寸，6 为孔洞在高度方向的瞬时尺寸。根据 有限元法计算结果，得出了不同的应力状态m = ( o i c r 2 ) ( q c r 3 ) 下万伽) 的近似值，进而 得至l f f l 隙闭合的条件为 f 警= 踟咧h ) d 毛= 丢f 嘶) ( 1 一刁朋酬 ( 1 - 2 ) 其中，群为压下方向的t 程应变，矿为等效应变，一为压卜方向的应力偏量，k 为单向压 缩时的变形抗力。 2 通过扩散原理研究孔洞闭合的判据 c e r a aa n di l a b a n k ( 1 9 8 2 ) 通过微观孔隙性缺陷闭合过程的研究，得到了如下的闭合判据 卜一惫m c l + 等 m 3 ， 其中，厂为t 时间间隔内的剪应变强度，r 为孔洞初始半径，为临界剪应变速度强度， 丁为绝对温度，k 为波尔兹曼常数，力为扩散原子的体积，d 为原子扩散系数，吒为材料 的屈服应力。 3 采用静水积分作为评价孔洞闭合的判据 田中光之等( t a n a k ae ta 1 ，1 9 8 6 ，1 9 8 7 a ，b ) 采用刚塑性有限元法把孔洞的变化与其周围的应 力、应变联系起来进行研究，认为空洞周围的等效应变和静水应力的时间积分是空洞闭合的 主导因素，集中体现了砧宽比、压下率和加j r ：硬化的影响。在此基础上，n a k a s a k ie t a 1 ( 2 0 0 6 ) 定义静水积分为 g m = f ( a o ) d s o 并用g m 作为评价孔洞闭合的判据，其中c r m 、吒分别为平均应力和等效应力， 变。静水积分将空洞的闭合作为一个过程，引入了等效应变这个累积量。 ( 1 - 4 ) 乞为等效应 1 2 第1 章绪论 4 采用闭合度作为评价孔洞闭合的判据 任猛( 1 9 8 6 ) 认为内部空洞的闭合度五与最大压应变毛成线性正比的关系 五：竽：( 1 6 5 5 1 9 ) 4( 1 5 ) 式中b 为最大压下方向蜀上的孔洞原始尺寸，6 为最大压下方向毛上的孔洞尺寸变化量， 空洞闭合度见等于l 时表示空洞闭合。在锻造过程中，任意位置的孔洞，只要该处的最人压 应变达到一定值就能闭合。孔洞闭合所需临界主压应变并不是一个常数，它是孔洞的儿何尺 寸和锻坯内部应力、应变状态的函数，但没有给出该函数的表达式。 5 采用“锻合能”指标作为评价孔洞闭合的判据 孙捷先和郭会光( 1 9 8 7 ，1 9 8 8 ) 认为，仅仅单独用应力或应变来估计是否对锻合有利，往往 会得出相互矛盾的结论，心部孔隙的闭合是在一系列应力条件下变形的积累过程，仅看一时 的应力、应变状况是得不出正确结论的，于是提出用锻合能指标e 来评价空洞乐实效果： e = f 知a n t 专卜乞 m 6 ， 式中吒为等效应力，乞为等效应变，是静水压应力。用e 值研究锻合效果，不局限于模 拟缺陷处，可看到全面情况，但e 值大小与空洞闭合之间的定量联系并不明确。 6 采用应力指标作为评价孔洞闭合的判据 杜学刚( 1 9 8 9 ) 进行了压实横向柱状孔的镦粗试验，认为柱状孔洞闭合首先受主压应变和 剪虑变的影响，在应变状态已满足的情况下，应力状态则上升为主要矛盾，压应力绝对值的 大小同样对压合过程起着加速或减速的作用。根据上述规律，回归出了一个镦粗时横向柱状 孔的闭合判据： 乞= o 1 4 3 1 4 ( 一吼) “1 2 5 6 ( 1 7 ) 式中为静水压应力，吒为屈服应力。 7 基于孔隙力学导出孔洞闭合的判据 金宁( 1 9 9 0 ) 认为，孔洞和疏松都可以看作是一种孔隙材料模型，并借助孔隙力学的本构 方程和屈服条件，通过解析法建立了孔隙率与变形和应力的关系，进而得到了孔隙闭合条件 的表达式 磊l 丘l _ 一f ( p o ) ( 1 8 ) lo i 其中磊为八面体剪应变，岛为原始孔隙率，而 ，( 岛) = - 竽 p o ( i n p o ) 2 - 2 i n p o + 2 + 丢露 2 ( i n p o ) 2 2 l n 岛+ 1 ( 1 9 ) 在用该闭合条件分析锻压工艺时，磊i a m a , j f ( p o ) 时，表明缺陷已完全闭合，并处丁扩散焊合阶段。 金宁( 1 9 9 0 ) 在国内首先将孔隙力学引入人型锻什内部缺陷闭合条件的研究，在模型中引 入了塑性流动影响区的概念，为深入了解孔隙性缺陷的闭合规律创造了条件，使研究的思路 更多元化( 任运来，2 0 0 3 ) 。 8 利用损伤力学推导孔洞闭合的判据 朱n ( 1 9 9 0 ) 、朱明和金泉林( 1 9 9 2 a ，b ) 基于损伤细观力学的分析，提出了一种有限体积的 椭球体中含椭球形空洞的损伤细观模型 彳+ 2 p q i c