（材料加工工程专业论文）mn18cr18n钢热锻中损伤的理论与试验研究.pdf

中文摘要 中文摘要 开裂作为金属塑性成形过程中变形材料的破坏现象是金属塑性成形工艺过程分析 和优化中重点要解决的问题，也是制约产品质量的关键因素。揭示材料在成形过程中裂 纹形成的原因及其发展变化过程，并寻找避免其产生的方法，进而指导成形工艺设计和 优化是学术界长期以来重要的研究课题。随着我国经济的发展，能源需求越来越大，然 而3 0 0 m w 以上大型发电机护环我国尚不能稳定生产。m n l 8 c r l 8 n 钢是3 0 0 m w 以上护 环生产中的主要用钢，该钢在成形中易开裂成为制约大型发电机护环生产的关键问题。 本文以m n l 8 c r l 8 n 钢3 0 0 m w 护环成形为基础，从影响成形中裂纹形成和扩展的 主要因素出发，利用拉伸试验、定量金相测试和数值模拟方法分析了变形温度、应力状 态、应变率、组织结构对高温塑性、裂纹形成和裂纹扩展的作用规律。在8 0 0 - - 1 2 0 0 温度范围内，m n l 8 c r l 8 n 高氮奥氏体不锈钢的塑性随温度升高而升高，1 2 0 0 。( 2 时达到 最好，然后开始下降；应变率通过再结晶的作用而影响开裂趋势；当温度低于1 1 0 0 0 ( 2 时， 细晶粒尺寸材料的塑性优于粗晶粒尺寸，而温度高于l1 0 0 。( 2 时中等晶粒尺寸材料塑性最 好。进而给出了护环锻造中各变量的控制要求。全面综述了当前工程中常用的各种韧性 断裂准则及其对裂纹起裂和扩展过程的观点，并针对m n l 8 c r l 8 n 钢进行了材料韧性断 裂试验和数值模拟计算：选取以拉伸颈缩时的应变作为空洞形核应变、断裂应变作为空 洞开始聚合时的应变；给出了对应各韧性断裂准则的损伤因子阈值及其随温度变化规 律，并对各韧性断裂准则的适用性和精度进行了试验验证；发现c + l 准则能够较准确 的预报热锻中损伤的发生。利用找到的韧性断裂准则结合d e f o r m 有限元数值模拟技术 对护环成形中关键工序冲孔和芯棒拔长工艺进行预测和评价，结果显示，预测结果与生 产实际具有较高一致性。并对包套冲挤工艺进行优化，给出了工艺参数控制的优化数值 和正确的成形方案。 关键词：m n l 8 c r l 8 n 钢；护环；韧性断裂；数值模拟；冲孔；芯棒拔长； m n l 8 c r l 8 n 钢热锻中损伤的理论与试验研究 i i a b s t r a c t a b s t r a c t c r a c k i n gi su n d e r s t o o dh e r ea st h ec r a c kf o r m a t i o ni n s i d eo ro nt h es u r f a c e o ft h ep l a s t i c d e f o r m a t i o nb o d y i ti st h ef o c u so fa n a l y s i sa n do p t i m i z a t i o nt o s o l v et h ep r o b l e mi nm e t a lf o r m i n gp r o c e s sa n dt h ee s s e n t i a lf a c t o r so fa f f e c t p r o d u c tq u a l i t y i ti sa ni m p o r t a n tl o n g t e r ma c a d e m i cr e s e a r c ht o p i c st h a tr e v e a l t h ec a u s e so fc r a c kf o r m a t i o na n dd e v e l o p m e n tp r o c e s s e so fc r a c ki nm e t a l f o r m i n gp r o c e s sa n df i n dw a y st op r e v e n tc r a c kf o r m a t i o n ，t h u sg u i d e t h ed e s i g n a n do p t i m i z a t i o ni nf o r m i n gp r o c e s s a sc h i n a se c o n o m i cd e v e l o p m e n t ，w ea r e i n c r e a s i n gd e m a n df o re n e r g y h o w e v e r ，a sac r u c i a lc o m p o n e n t o f p o w e rp l a n t ， al a r g eg e n e r a t o rr e t a i n i n gr i n gf o rm o r et h a n30 0 m wp o w e rp l a n ti ss t i l lu n a b l e t os t a b i l i z et h ep r o d u c t i o ni no u rc o u n t r y m n l8 c r l8 ns t e e li st h em a j o r m a t e r i a lu s e di nl a r g eg e n e r a t o rr e t a i n i n gr i n go fm o r et h a n3 0 0 m w t h i ss t e e l i se a s yt oc r a c ki nf o r m i n gp r o c e s s i tb e c a m eak e yi s s u et h a tr e s t r i c tt h e p r o d u c t i o no fl a r g eg e n e r a t o rr e t a i n i n gr i n g i nt h i sp a p e r , b a s e do nt h ek e yi m p a c tf a c t o r so fc r a c ki n i t i a t i o na n dc r a c k g r o w t h ，r e s e a r c ho nt h ef o r m i n g o f3 0 0 m w r e t a i n i n gr i n go f m nl8 c r l8 ns t e e l t h er o l eo fl a wo fd e f o r m a t i o nt e m p e r a t u r e ，s t r e s ss t a t e ，s t r a i nr a t ea n d m i c r o s t r u c t u r eo nt h eh o td u c t i l i t y , c r a c kf o r m a t i o na n dc r a c kg r o w t ho f m nl8 c rl8 no fh i g h n i t r o g e na u s t e n i t i cs t a i n l e s ss t e e l sw a ss t u d i e db yt h e r m a l s i m u l a t e dt e s to ft e n s i o n ，q u a n t i t a t i v em e t a l l o g r a p h yt e s t i n gt e c h n o l o g ya n d n u m e r i c a ls i m u l a t i o n t h er e s u l t ss h o wt h a tt h eh o td u c t i l i t yo fm nl8 c r l8 no f h i 曲一n i t r o g e na u s t e n i t i cs t a i n l e s ss t e e l si si n c r e a s e d w i t ht h ei n c r e a s eo ft e s t t e m p e r a t u r e w h e nt h ed e f o r m a t i o nt e m p e r a t u r ei sb e t w e e n8 0 0 a n d110 0 t h es t e e le x h i b i t sap e a kp l a s t i c i t ya t12 0 0 ，a n dt h e nt h eh o td u c t i l i t yi s r e d u c e dw i t ht h ei n c r e a s eo ft e s tt e m p e r a t u r e t h ee f f e c t so fs t r a i nr a t eo nt h e c r a c k i n gt e n d e n c y o fm n l8 c r l8 ns t e e li s b yt h r o u g h t h er o l eo f r e c r y s t a l l i z a t i o n 们1 eh o td u c t i l i t yo fm n l8 c rl8 ns t e e lw i t hf i n eg r a i n e di s b e t t e rt h a nw i t hc o a r s eg r a i n e da tt e m p e r a t u r eb e l o wl10 0 a b o v e110 0 ， h o w e v e r ，t h eh o td u c t i l i t yw i t hm o d e r a t eg r a i n e di st h eb e s t t h ec o n d i t i o n s i i i 一些! ! 生! 型塑垫墼主塑垡塑堡笙皇鲨墼堕窒一 - _ - i _ _ _ - _ - - _ _ _ _ 一 一 t h a te a c hv a r i a b l es h o u l db ec o n f o r mw e r eg i v e ni nf o r m i n go fr e t a i n i n gr i n g s t r a i nr a t es h o u l dt a k eal a r g ev a l u ea th i 曲t e m p e r a t u r e s o nt h ec o n t r a r y , l o w s t r a i nr a t es h o u l db eo b t a i n e da tl o wt e m p e r a t u r e s ac o m p r e h e n s i v eo v e r v i e wo f v a r i o u sd u c t i l ef r a c t u r ec r i t e r i aa r ew i d e l yu s e di nt h ec u r r e n ta n d t h e i rv i e wo n t h ec r a c ki n i t i a t i o na n dc r a c kp r o p a g a t i o np r o c e s s d u c t i l ef r a c t u r et e s t i n ga n d n u m e r i c a ls i m u l a t i o no fm nl8 c r l8 ns t e e lh a sb e e nc o m p l e t e d 1 1 1 es t r a i nw h e n n e c k i n gt a k e np l a c ei nu n i a x i a lt e s tw a s s e e na sc a v i t yl n i t i a t i o ns t r a t a , a n dt h e f r a c t u r es t r a i nw a ss e e na st h es t r a i nw h e nc a v i t yc o a l e s c e n c et a k e np l a c ei n u n i a x i a lt e s t 1 1 1 et h r e s h o l do fd a m a g ef a c t o rh a sb e e nc a l c u l a t e dc o r r e s p o n d i n g t ot h ed u c t i l ef r a c t u r ec r i t e r i o na n di t sv a r i a t i o nw i t ht e m p e r a t u r eh a s b e e ng i v e n a p p l i c a b i l i t ya n da c c u r a c yo fv a r i o u sd u c t i l ef r a c t u r e c r i t e r i aw e r et e s t e di n o r d e rt of i n dt h em o s ta c c u r a t ed u c t i l ef r a c t u r ec r i t e r i a t h er e s u l t ss h o w st h a t c + l g a v em o d e r a t e l yg o o d ( q u a n t i t a t i v e ) c o r r e l a t i o nb e t w e e nt h ef o r g i n ga n d u n i a x i a lt e n s i o nb e h a v i o r s 1 1 1 ed u c t i l ef r a c t u r ec r i t e r i aw a si m p l e m e n t e di n t o t h ef i n i t ee l e m e n tc o d ed e f o r mi no r d e rt oe v a l u a t i o na n df o r e c a s tt h ek e y f o r m i n gp r o c e s so fr e t a i n i n gr i n gs u c ha sp u n c h i n ga n dm a n d r a ld r a w i n g 刀l e r e s u l ts h o wt h a t ，t h ef o r e c a s tr e s u l t sc o n f o r mw i t ht h ea c t u a lp r o d u c t i o n b a s e d o nt h es i m u l a t e dr e s u l t so fp u n c h i n g - e x m m i o np r o c e s so fr e t a i n i n gn n g , t h e m o s to p t i m a lf o r m i n gp r o c e s sh a sb e e ng i v e n k e y w o r d s ：m n l8 c rl8 ns t e e l ；r e t a i n i n g s i m u l a t i o n ；p u n c h i n g ；m a n d r a ld r a w i n g i v r i n g ；d u c t i l ef r a c t u r e ；n u m e r i c a l 目录 目录 第一章绪论1 1 - 1 课题提出的背景及意义1 1 2 国内外护环制造技术的发展和研究现状2 1 2 1 国内外护环材料发展和研究现状2 1 2 2 国内外护环成形技术发展和研究现状5 1 3 国内外锻造中损伤的研究现状7 1 4 裂纹问题的研究方法1 2 1 5 论文研究的内容1 4 第二章锻造缺陷的影响因素1 7 2 1 影响大型锻件缺陷产生的因素1 7 2 2 缺陷的预防2 3 2 2 1 影响大型锻件内部缺陷扩展的因素2 3 2 2 2 预防大型锻件内部缺陷扩展的方法2 4 2 3 本章小结2 5 ， 第三章热锻m n l8 c r l8 n 钢中损伤的研究及预报2 7 3 1 引言2 7 3 2 各主要因素对m n l 8 c r l 8 n 钢高温塑性的影响2 7 3 2 1 试验材料与方法2 7 3 2 2 试验结果与分析2 9 3 3 热锻m n l 8 c r l 8 n 钢中损伤及预报3 3 3 3 i 损伤力学理论与损伤临界点的选取3 3 3 3 2 损伤阈值的计算3 6 3 3 3 有限元模拟预报及热锻试验验证4 0 3 4 本章小结4 5 第四章护环主要自由锻工艺的损伤预测与评价4 7 4 1 引言4 7 4 2 冲孔中损伤预报4 7 4 2 1 冲孔工艺特点4 7 4 2 2 预报结果及分析4 8 v m n l 8 c r l 8 n 钢热锻中损伤的理论与试验研究 4 3 芯棒拔长中损伤的预报5 0 4 3 1 芯棒拔长工艺特点5 0 4 3 2 模拟参量的选取5 1 4 3 3 预报结果及分析5 2 4 4 本章小结5 3 第五章3 0 0 m w 护环热锻冲孔工艺优化5 5 5 1 引言5 5 5 2 模内包套冲挤成形工艺的优化5 6 5 2 1 模拟参量的设置5 6 5 2 2 坯料与模具间隙优化和3 0 0 删护环终成形5 6 5 3 本章小结6 2 第六章结论6 3 参考文献6 5 致谢7 1 攻读学位期间发表的学术论文目录7 2 v i 第一章绪论 第一章绪论 1 1 课题提出的背景及意义 众所周知，经济的发展很大程度上依靠能源的支撑。我国目前正处于经济高速增长 时期，能源的需求量非常大。2 0 0 5 年全国电力装机总量突破5 亿千瓦，2 0 1 0 年将超过 6 9 亿千瓦，2 0 2 0 年达到9 5 亿千瓦。中电联统计信息部发布中国电力工业统计数据 分析( 2 0 0 7 ) 显示：近年来，基建新增装机容量均以较高速度增长；2 0 0 6 年达到历史 最高水平1 0 4 2 3 5 4 万千瓦，其中新增火电装机比重最大，占新增总装机容量的8 8 3 3 。 “十五 期间，火电装机年均增长率为1 0 5 。“十五”以来，火电装机年均增长1 2 5 9 ，2 0 0 6 年增长率超过“十五 期间1 3 1 2 个百分点，是历史上增长规模最大的一年n 】。 为加大环境保护力度，保证经济社会可持续发展，发改委希望下阶段增大核电和可再生 能源在发电总量中的比重。特别是2 0 0 7 年春节期间我国南方雪灾所引发的北煤南运困 难和供电危机，以及美国经济危机的爆发而导致全球经济形势严峻，为扩大内需、促进 经济增长，国家将加大在基础建设方面的投入，电力必将是重点建设项目。这将促使国 家加大对核电建设和相关技术开发的投资。发改委相关领导指出，核电在发电总量中的 比例将由原计划2 0 2 0 年达到4 左右增加到可能超过6 。这显示了未来我国核电发展 的巨大潜力。 大型电站建设中用到许多大锻件。大型锻件是制造业的基础，可广泛用作矿山、重 型机械、能源、冶金、航空航天、兵器、石油和交通运输等行业设备的重要或关键零件。 因此，在一定程度上，大锻件的生产水平高低可作为衡量一个国家工业发展水平的标志， 同时也是一个国家增强科技竞争力、经济运行和国防安全的保障。然而，大型电站建设 中用到的许多大型锻件，特别是核心部件，如各种转子、汽轮发电机主轴、水轮机主轴、 发电机护环等我国目前还不能自主生产。这些核心部件长期依赖进口为我国经济运行带 来许多不稳定性。因此，2 0 0 7 年国家在“十一五”规划中明确提出，要“努力突破核心 技术，提高重大技术装备研发设计、核心元器件配套、加工制造和系统集成的整体水平”， 振兴装备制造业。因此，加快大型电站核心设备国产化进程成了实现电力技术等重大装 备完全国产化的当务之急。 护环是火电、核电中汽轮发电机组的关键基础部件之一。护环是装在汽轮发电机转 子两端用来紧箍端部线圈的无磁性钢环( 如图1 - 1 ) ，在高速旋转中受多种应力作用，其 中包括巨大的离心力、不均负荷引起的附加应力、由转子作用的交变应力以及热装时的 装配应力和由于结构要求造成的集中应力。因此，为保证机组的长期安全运行，要求护 m n l 8 c r l 8 n 钢热锻中损伤的理论与试验研究 环要有足够的强度、良好的力学性能，以及一定的韧性和最小的残余应力，故其制造技 术要求很高，其中3 0 0 m w 、6 0 0 m w 护环技术要求见表卜1 。此外，护环在强磁场、潮湿的 腐蚀介质中工作，特殊的工作环境要求护环材料应具备较强的抗应力腐蚀能力。所以， 护环通常采用无磁性奥氏体钢制造。聃1 图卜1 护环装配示意图 f i g 卜lr e t a i n i n gr i n ga s s e m b l ys c h e m a t i cd i a g r a m n 表卜13 0 0 、6 0 0 1 唧护环技术要求吲 名称切向试样试验温度取样位置 3 0 0 1 v l w6 0 0 1 哪 强度极限o - ( m p a ) 1 0 3 01 1 8 0 屈服极限oo 2 ( 肝a ) 1 0 3 0 1 1 7 01 0 7 0 9 5 1 0 5 中环 延伸率6 ( )1 5 1 7 断面收缩率v ( ) 5 83 0 冲击能量a k v ( j ) 1 0 26 0 内环 2 0 1 7 导磁率( u ) 1 11 1 中环 注：其余技术要求按“汽轮发电机无磁性护环锻件技术条件”0 i u 3 0 0 1 2 国内外护环制造技术的发展和研究现状 正是由于护环工作环境的严酷、受力状况又极其复杂，对其力学性能和组织结构提 出了非常高的要求。在力学性能必须满足如上表卜1 所述要求的同时，要求组织结构致 密、均匀、纤维流向和晶粒分布合理，以及最少的内部缺陷。如此高的力学性能和组织 结构要求为护环材料的开发及随后的制造带来极大困难。因此，无论是护环材料的开发 还是护环制造技术的研究都经历一个漫长的过程。 1 2 1 国内外护环材料发展和研究现状 在护环材料方面，主要有a k m c 钢( c0 5 m n 1 6 c r 3 5 ) 、u m 8 ( c0 4 5 o 5 ， 2 第一章绪论 m n1 7 1 9 ，s i o 3 - - 0 4 9 6 ，c r 5 - 5 5 ，p 0 0 4 ，s o 0 3 ) 、0 5 c 1 8 m n 、0 7 c 9 m n 6 n i1 4 c r 以及5 0 m n l 8 c r 4 和5 0 m n l 8 c r 4 w n 系等冷变形强化钢。特别是5 0 m n l 8 c r 4 和5 0 m n l 8 c r 4 w n 系钢无论是在强度、塑性等力学性能上，还是在其导磁性和组织等物理性能上都可以 满足设计要求。因此，该系钢在2 0 世纪8 0 年代以前得到广泛使用。但是，随着护环服 役期的增长，这种钢暴露出了它的致命缺点：抗应力腐蚀能力差。7 0 年代后期，世界各 地相继出现多起护环开裂引起的电站事故，如表1 - 2 所示。 表卜2 部分电厂事故表m 1 国别电厂发电机规格年代事故类型 加拿大t o r o n t o1 0 0 m w2 0 世纪5 0 年代应力腐蚀裂纹 南非 v a l l1 9 5 7 应力腐蚀裂纹 丹麦 s k a e r b a c k2 5 0 m w 2 0 世纪7 0 年代应力腐蚀裂纹 西德 s c h o l v e n1 9 7 8 应力腐蚀裂纹 瑞典 b a r s e b a o k6 1 0 m w1 9 7 9 应力腐蚀裂纹 中国江油电厂1 9 7 6应力腐蚀裂纹及疲劳裂纹 对大量的电厂事故进行分析发现，其原因均是由于该系钢晶界存在碳化物，对应力 腐蚀裂纹十分敏感，抗应力腐蚀能力差而发生服役护环开裂，即应力腐蚀开裂。这就迫 使护环厂商开发新的钢种用来弥补5 0 m n l 8 c r 4 系护环钢在抗应力腐蚀方面的不足。口1 2 0 世纪7 0 年代后期至8 0 年代初期，国内外都在研究开发新的护环材料。国外在 7 0 年代后期成功开发出m n l 8 c r l 8 n 钢，并呈现逐步取代5 0 m n l 8 c r 4 系护环钢的趋势。这 主要是应为m n l 8 c r l 8 n 钢不仅强度和导磁率等可以满足使用要求外，而且其塑性和韧性 指标也优于5 0 m n l 8 c r 4 系钢，更重要的是该种钢抗应力腐蚀能力也得到极大的提高，屈 强比很高，能很好满足护环的各种性能要求。1 9 8 7 年日本室兰制钢所做了m n l 8 c r 4 钢和 m n l 8 c r l 8 n 钢力学性能的对比试验，发现：m n l 8 c r l 8 n 的屈强比随着冷变形强化量的增 加可达到接近1 ，其冲击韧性、断面收缩率和延伸率也均比m n l 8 c r 4 钢高，而m n l 8 c r l 8 n 钢的抗应力腐蚀能力也比m n l 8 c r 4 钢要高一个数量级。但早期的m n l 8 c r l 8 n 钢n 含量较 低，需要经过复杂的加工工艺才能使其各项指标尽可能的符合要求。然而，随着研究的 深入人们发现了n 在不锈钢中的特殊作用，为高n 含量的m n l 8 c r l 8 n 钢开发奠定了基础。 近年来，国内外多家单位对高氮钢的试制进行了大量研究并取得了丰硕的成果。在 国外，k r u p p 钢厂、德国v s g 公司以及美国g e 公司等先后开发出新的m n l 8 c r l 8 n 钢。其 3 m n l 8 c r l 8 n 钢热锻中损伤的理论与试验研究 中德国v s g 公司在p 9 0 0 基础上，分别在1 9 8 8 年和1 9 9 8 年开发出p 9 0 0 - n 和p 2 0 0 0 系列 钢种；而p 2 0 0 0 钢中的n 含量已达0 9 ，用其制造的护环屈服强度可以高达1 6 0 0 m p a 。 v s g 公司的这些产品代表着世界最高水平。法国铸锻公司也利用先进的护环钢材料和合 理的工艺来提高和保证产品的质量。日本的东芝公司和楚部电能集团在2 0 0 1 年1 1 月共 同开发生产出世界上最大的涡轮发电机组，其配用的发电机护环就使用含氮0 7 6 的 m n l 8 c r l 8 n 钢。现在国内外3 0 0 m w 以上大型机组均采用m n l 8 c r l 8 n 钢制造，并且氮含量 在进一步增大。睁蛐1 我国也在高氮奥氏体不锈钢的研制上做了大量工作：1 9 5 6 年开始尝试仿制以m n 、n 代n i 的i c r l 7 m n 6 n i 5 n ；2 0 世纪6 0 年成功研制出无镍的1 c r l 8 m n l 4 m 0 2 n 铬锰氮不锈钢； 8 0 年代开始尝试控氮型铬镍奥氏体不锈钢的研制工作。在冶炼方面也进行了工业化尝 试并取得了一些成果。近年来，江苏大学、东北大学、中科院金属所以及上海大学和钢 铁研究总院等单位在高氮不锈钢的研制上做了大量的研究工作，并在高氮不锈钢的冶 炼、组织性能和加工工艺等诸多方面取得了一定成果。但受国内冶炼技术和设备的限制， 研究中采用的高氮钢中的氮含量大多集中在0 4 0 6 之间，一般不高于0 6 5 。针对 护环的生产我国也在8 0 年代中后期引进m n l 8 c r l 8 n 钢炼制技术，并进行了研制工作， 由第一重型机械集团、第二重型机械集团、上海重型机械集团及燕山大学、太原科技大 学等单位合作进行了“七五国家重点项目攻关，主要目标是m n l 8 c r l 8 n 钢的冶炼、电 渣重熔以及锻造工艺。上海重型机械集团针对m n l 8 c r l 8 n 钢的特点和重熔条件，从工艺 角度研究了n 含量与冶金质量的关系，开发了该钢的电渣重熔技术。2 0 0 2 年第二重型机 械集团在提高m n l 8 c r l 8 n 钢中含氮量的冶炼方面取得突破，获得了目前国内含氮量最高 ( o 6 8 9 ) 的m n l 8 c r l 8 n 钢锭。目前，我国生产的m n l 8 c r l 8 n 护环钢的氮含量基本在 0 6 4 - 0 7 之间，基本能满足3 0 0 m w 6 0 0 m w 护环生产的要求，但含氮量有待进一步提 高。太原科技大学做了m n l 8 c r l 8 n 钢塑性变形基本工艺参数的试验研究，在 g l e e b l e 一1 5 0 0 d 热力模拟试验机上经过热镦粗变形试验，测定了热变形工艺塑性，得到 了热塑性曲线、动态再结晶图和静态再结晶图以及不同应变率与温度下的应力一应变曲 线。燕山大学测定了m n l 8 c r l 8 n 钢的热变形力学行为，获得了其动态再结晶激活能及峰 值应力、应变与z e n e r h o l l o m a n 参数的关系。然而，纵观我国近几十年来在m n l 8 c r l 8 n 钢护环制造技术上的研究状况，与国外先进技术相比还存在不少差距。n 妇 虽然在提高m n l 8 c r l 8 n 钢n 含量和钢锭纯净度等炼刚和铸造方面取得重要成果，但 高n 使之强度升高、变形抗力增加、塑性降底、热锻温度变窄，导致成形中易开裂。所 以，揭示成形中开裂原因、开发有效防止开裂新工艺成为当务之急。 4 第一章绪论 1 2 2 国内外护环成形技术发展和研究现状 各种工件都有一定的形状，材料只有被加工成一定形状才能被利用。因此，成形性 能是衡量材料性能的关键指标之一。一些新材料尽管使用性能优异，如果成形性能差也 不能被工业广泛使用。所以，国内外在加强新护环材料开发研究的同时也对相应材料的 成形方法进行了深入的研究。由于m n l 8 c r l 8 n 钢中n 含量较高，而且属于奥氏体本质粗 晶粒钢，不能采用相变强化，只能通过锻造过程中的动态和静态再结晶来细化晶粒。而 晶粒越细、晶界曲折越多，金属强度越高，塑性、韧性也越好。为此，锻造中要经过多 次反复镦粗、拔长，通过大的变形量、高的变形温度来诱发动态和静态再结晶来细化晶 粒。如m n l 8 c r l 8 n 钢护环生产一般要经过炼钢、铸锭、锻造电极、电渣重熔、热煅制坯、 机械加工、固溶处理、液压胀形冷变形强化等多个工艺流程。然而，这将增加加工工序 的复杂性和成形难度。 我国在8 0 年代也逐步采用m n l 8 c r l 8 n 钢生产护环，并对相关成形工艺进行了探索。 炼钢方面采用电渣重熔精练，这使m n l 8 c r l 8 n 钢中的氮含量可达到0 6 4 - 0 7 之间，基 本能满足3 0 0 1 v 研- - - 6 0 0 m w 护环生产的要求；强化方面采用液压胀形强化技术也取得了较 大进展。所以锻造成形成为目前生产中的薄弱环节，成为制约我国护环生产的瓶颈。由 于护环是电站中制造难度大、技术含量高的代表性产品，其制造技术在国外竞争激烈，4 相关国家和公司均采取严格的技术保密工作，有关m n l 8 c r l 8 n 钢护环的制造方法鲜见报 道。因此，国内多由进口护环所附的技术说明文件，结合国内传统环类件的生产工艺通 过多次试错来生产m n l 8 c r l 8 n 钢护环。传统环类件的生产工艺流程如图卜2 。 图卜2 环形锻件工艺流程n 2 1 f i g1 - 2p r o c e s so fr i n gf o r g i n g s i l 2 】 在m n l 8 c r l 8 n 钢护环热锻中通常要经过钢锭拔长、镦粗、冲孔、拔长、芯棒扩孔等 多个锻造工步，加热火次为8 次左右。实际上往往需要经过十多次加热才能锻成。其 m n l 8 c r l 8 n 钢护环热锻主要工序如图1 - 3 。 5 m n l 8 c r l 8 n 钢热锻中损伤的理论与试验研究 跌纠；= ；l 扎 目二- , 1 = i ( 一jj ) 卜一一厂、 隧! e j 0 二：l ，洲、j ti ： ，酬。 3 0 0 m ：川 、81 0 j ：；：) 图卜3 护环热锻制坯自由锻工序3 1 f i g1 - 3r e t a i n i n gr i n gf o rf r e ef o r g i n gb i l l e tf o r g i n gm a n u f a c t u r i n gp r o c e s s 0 1 训 这种自由锻工序不仅工艺冗长、成形过程可控性差、热力制度不连续不规范，而且 变形分布不均匀、锻件表面开裂严重、锻后晶粒粗大且不均匀、力学性能波动较大。这 不仅造成材料、能源的浪费，而且成本上升，对材料内在质量产生不良影响，更重要的 是造成大量废品。究其原因，其一是因为热锻成形是一个非稳态多因素的复杂过程，目 前对其本质和规律的认识还不十分清楚；其二是在m n l 8 c r l 8 n 钢及热锻工艺的研究仅限 于静态、连续的方式，缺乏多工步、多火次的综合考虑，尤其是对再结晶过程的研究， 因而研究结果与生产实际差别较大；其三是我国配套的护环热锻水压机均为2 0 世纪5 0 年代制造，并且基本未经过现代化改造、无专用操作机、锻造精度差、锻造效率低，不 适应复杂热锻工艺的实施。特别在自由锻时因受力不均导致局部变形，往往形成拉应力 开裂，清除裂纹费时费力又污染环境，锻件要降温再加热，浪费能源，增加成本，严重 影响工艺过程与产品质量。虽然1 9 9 2 年一重、二重、上重三厂各自生产的3 0 0 m w 护环 都通过了国家鉴定，但是，由于上述原因尚不具备稳定生产的能力。然而，由于自由锻 的工艺灵活性好，局部变形所需设备压力较小，因而多年来一直沿用。但随着大容量、 高性能发电机组的出现，迫切需要全面提高护环质量，以适应服役工况的需要。 近年来，鉴于我国护环制造设备的现状以及传统热锻技术存在的问题，国内护环生 产厂家和相关高校对m n l 8 c r l 8 n 钢护环生产提出新的技术思路，大胆进行生产工艺创新， 并取得可喜的成果。比如：太原科技大学对m n l 8 c r l 8 n 钢热锻工艺控制成形及新技术进 行研究，提出基于e s r 环坯的控制热成形及控制冷却的锻造新工艺；用包套内冲挤复合 变形( 如图卜4 ) 代替传统自由锻中的自由冲孔；用包套扩挤复合成形( 如图1 - 5 ) 代 替传统自由锻中的芯棒拔长和扩孔。n 6 j 明 此套工艺在解决m n l 8 c r l 8 n 钢护环生产中易开裂难题上有较大突破，工艺可控性好。 但是由于护环坯料需要采用e s r 钢锭成形，而e s r 环坯结晶器费用较高等现实条件：该 工艺虽然在解决m n l 8 c r l 8 n 钢护环生产中易开裂问题上有较大突破，但对护环开裂的本 6 第一章绪论 质原因尚不清楚，对防止开裂上仅是由生产经验出发提出该套工艺及其相关工艺参数而 对如何采用合理的工艺参数来防止开裂尚缺乏系统、严紧的理论指导。所以仍然需要在 此基础上进行深入的研究。 2 卜 ， 彳 l 缓 霪 陟 。 、删绷 图1 - 4 护环冲挤成形示意图 i 冲头2 坯料3 包套4 筒摸n 钔 f i g1 - 4s c h e m a t i cd i a g r a mo fp u n c h i n g - e x m m i o n p r o c e s sw i t ha nr e t a i n i n gr i n g 1 4 1 1 3 国内外锻造中损伤的研究现状 图1 - 5 护环扩挤成形示意图 1 上摸2 坯料3 组合下摸n 钔 f i g1 - 5s c h e m a t i cd i a g r a mo fr e a m i n g - e x m m i o np r o c e s sw i t ha nr e t a i n i n gr i n g 1 4 】 损伤、产生大尺寸破坏性裂纹和断裂是伴随所有工件“一生”的问题，从铸造、锻 造、热处理到使用过程中，这些问题都是影响其“生命 的最关键“病因 。所有工件 最终的报废几乎都直接或间接由于这些问题所引起。而锻造过程中，由于材料在高温、 大成形力作用下“快速 流动，更易产生裂纹，甚至开裂。特别是大型锻件在锻造生产 过程中，更易因工艺不当而形成裂纹造成探伤超标，使其质量下降，严重时可能导致开 裂而使产品报废。2 0 世纪9 0 年代，我国大型饼类锻件的废品率高达1 4 7 ，大型模块 锻件废品率高达2 4 2 ，大型护环锻造过程中更是经常发生表面开裂现象。在m n l 8 c r l 8 n 钢护环生产中，锻造开裂问题更成为该种材料能否使用的“决定生死 问题。如m n l 8 c r 4 护环钢就是因为使用经常出现无法避免的应力腐蚀裂纹而被放弃，并迫使人们开发新的 护环钢，这才“催生 了m n l 8 c r l 8 n 护环钢，并逐步被m n l 8 c r l 8 n 钢取代。但是如前所 述，由于m n l 8 c r l 8 n 钢使用高n 来稳定奥氏体、细化晶粒，固溶强化等作用，使m n l 8 c r l 8 n 钢增强了强度和抗应力腐蚀能力，满足了使用性能要求；但同时降低了塑性，使成形性 能下降，特别是锻造中表面易开裂。又由于护环生产中经常使用自由锻，坯料局部受力 导致变形不均，如果此时再缺乏必要的成形辅助控制设备或设备精度不够，再加上热力 7 m n l 8 c r l 8 n 钢热锻中损伤的理论与试验研究 制度不连续、不规范，更易导致坯料开裂。 由于裂纹的产生及由此引起的开裂问题的普遍存在，所以长期以来人们对其进行了 深入的研究。在漫长的探索过程中人们取得了丰硕的成果，特别是建立了许多适用于金 属塑性变形的韧性断裂准则，并在金属成形中起到重要的指导作用。由于锻造是高温下 金属的塑性成形，所以主要使用基于损伤力学建立起来的韧性断裂准则。 损伤力学是国际力学界在最近几十年才建立起来的- 1 7 新的力学分支。早在1 9 5 8 年，原苏联学者k a c h a n o v 在研究拉伸蠕变断裂时提出“连续度 和“有效应力 的 概念。1 9 6 3 年，另一位原苏联学者r a b o t n o v 进一步提出“损伤因子的概念。根据这 些新兴的概念，很多力学工作者采纳了连续力学的原理和概念来研究损伤的过程。在一 定的时期内，研究工作的重点主要集中在蠕变损伤问题上。在上世纪7 0 年代后期，由 于在核工业和航天技术中也出现了损伤问题，力学工作者对损伤的概念给予了更多的关 注，包括k a c h a n o v 和r o b o t n o v 在内的很多力学工作者。例如l e m a i t r e 、c h a b o c h e 、s i m o 、 k r a j a c i n o v i c 、m u r k k a m i 、k c k i e 、h u h 、s i d o r o f 和v a l h a p p a n 等运用连续力学的原理 进一步把损伤因子发展成一种系统变量。在同一时期内，由于试验技术的新进展，很多 试验工作作者如r o u s s e li e r 、b o d a n n o f 、a s h b y 、d y s o n 和m e l e a n 、g it u s 等都从更微 观结构的角度致力于材料损伤机理的研究工作。1 9 7 7 年j a n s o n 与h u l t 第一次提出“损 伤力学这一名词。1 9 7 8 年，法国l e m a i t r e 与c h a b o c h e 等人从不可逆过程热力学出发， 运用连续介质力学的方法，才从理论上证明并给出塑性、粘性、疲劳损伤等数学模型， 从而形成了一门新的学科。自诞生以来，在近几十年内损伤力学获得了飞速的发展，取 得了很多重要得理论成果。 1 7 培1 损伤力学的研究对象主要是含损伤的介质材料性质，以及在结构或材料的变形过程 中损伤的演化直至破坏的过程。损伤力学主要的分支有两个：( 1 ) 连续损伤力学：这种 方法的研究特点是把损伤引入到本构方程中，首先确定用来描述损伤状态的“损伤度 即内变量