大锻件内部空洞型缺陷闭合过程的数值模拟研究

1、大锻件内部空洞型缺陷闭合过程的数值模拟研究1、大锻件空洞型缺陷闭合介绍大锻件通常用来制造大型结构件或重要承载件，例如大型汽轮机转子、核电压力容器等，其具有载荷大、工作条件差、安全性要求高等特点。但是钢铁冶金过程决定了大锻件内部不可避免地存在空洞型缺陷，并严重影响大锻件的性能。大锻件内部空洞型缺陷的消除需要经过闭合和焊合两个阶段，空洞型缺陷可通过扩散机制或再结晶机制实现焊合，但无论是哪种机制都需要在压力和高温条件下进行，基于真空扩散焊合物理模型来建立空洞焊合的物理模型。2、有限元模拟大锻件内部空洞的闭合是一个局部过程，即空洞体积相对于锻件尺寸属于无限小，其存在仅影响很小邻域的应力应变状态，并且其

2、演化过程也仅取决于该微小邻域的变形。为此，在锻件内部取含有空洞的典型体元模型，其意义是，宏观上(相对于大锻件体元无限小，即研究锻件变形时，可忽略空洞体积影响：而微观上(相对于空洞体元无限大，即研究空洞变形时，将体元边界力学量作为边界条件。图1是体元内的空洞由球形经历椭球形逐步变化到片状裂隙的示意图。图1 典型体元内空洞变形过程示意图以圆柱体的镦粗过程为例研究空洞的闭合过程。为简化研究的问题，假设空洞型缺陷位于圆柱体的轴线上，且处于高度的中心位置。根据圆柱体和变形条件的对称性，取 1/4 作为计算模型如图2b以便于观察分析空洞的演变过程。设空洞的形状为球形，直径为d0，局部放大如图2a。以下以初

3、始外形尺寸为1200×1400mm的圆柱体大锻件镦粗过程为例，讨论空洞的变形过程，以及空洞闭合所需要的相对压下量。在以下的讨论中，空洞均在锻件中心部位，且半径分别为4mm、2mm、3mm、5mm，变形温度为 970。图3所示均为闭合过程中空洞区域演变的局部放大图，分别给出了相对压下量为4.5%，8.9%，13.4%，17.9%，21.7%时空洞变形形状和其附近的等效应变分布。数值模拟结果表明，当空洞位于圆柱体中心，d0为4mm时，闭合时需要21.7%的压下量。图2 中心带有空洞的有限元模型(a 空洞局部放大图 (b 1/4有限元模型由图3b至3f可以看出，圆球形空洞首先被压成椭球，当

4、变形量达到一定后，椭球的长轴端部两侧金属开始贴合，并且贴合区域向心部扩展，直到完全闭合。空洞附近的应变分布与模型其它区域不同。在空洞的闭合过程中，椭球长轴端点附近应变最大，变形最剧烈；而沿椭球短轴方向附近的应变最小，变形也比较小。则可知，椭球长轴端点附近沿压下方向的应变对空洞的闭合起着主导作用。(a (b此外，对d0为2mm，3mm，5mm的空洞闭合过程也分别进行了计算，且通过模拟结果得知，d0为2mm，3mm，5mm的空洞闭合分别需要19.9%，20.5%，22.3%的相对压下量。(c (d(e (f图3 d0=4mm 的空洞闭合过程及相应的等效应变分布的局部放大图 (a空洞区域初始模型；相

5、对压下量达到(b4.5%；(c8.9%；(d13.4%；(e17.9%；(f21.7%(闭合时当空洞的半径由 2mm增至 5mm时，其闭合所需的相对压下量相差很小。由此表明空洞的变形是局部效应问题，也就是说，只要空洞体积相对于变形基体的体积非常小，影响该空洞闭合的应变量就几乎是相同的，即，当空洞几何位置确定时，随着空洞体积增加，使之闭合的相对压下量略有增加。并且在空洞闭合的过程中均出现了椭球长轴端点附近应变最大，变形最剧烈的现象。在一定的压力及变形量下，大锻件内部的空洞实现闭合。空洞闭合后，才能使所形成的裂隙表面贴合，进一步实现在高温条件下的自由面间原子的相互扩散，在裂隙两表面之间形成金属键而

6、最终焊合。此外，大锻件在空洞型缺陷闭合过程中产生了一定塑性变形，引起内部晶格畸变，一方面为焊合过程的再结晶形核提供了条件，另一方面也为再结晶提供了一定的能量，从而促进了空洞型缺陷的焊合过程。三、模型益处及不足对大锻件内部不同直径的球形空洞的锻造闭合过程进行了热力耦合数值模拟，研究得到空洞闭合过程中的空洞形状演变过程，即由圆球形变成椭球，在进一步变形条件下，椭球高度减小，直至闭合。对于不同体积的空洞，只要空洞体积相对于变形基体的体积非常小，即当空洞几何位置确定时，随着空洞体积增加，使之闭合的相对压下量只是略有增加。这些研究虽然给出了一些定性结论但是并不能很好地揭示材料属性和工艺参数对空洞闭合的影响机理，没有建立空洞周围应力应变状态与空洞闭合的定量关系，没有提出有效的空洞闭合判定准则。参考文献：1 张效迅，崔振山大锻件内部空洞热锻闭合的Z-C判据及其应用J机械工程学报，2009，45(1：1491532 廖培根，方刚，雷丽萍，曾攀，杜凤山大锻件中心压实法(JTS锻造过程有限元分析J锻压技术，2007，32(6：44463 催振山，陈文，