大型锻件锻造开裂的研究方法

2021-01-07 17:08 admin
     大型锻件在生产过程中的主要质量问题是开裂 ,锻造开裂成为大型锻件以及某些高合金难锻材料发展过程中的一个瓶颈。锻件在重大技术装备中起关键作用 ,其受力状况和工作条件极为复杂和繁重 ,因此在重大技术装备中对大锻件的综合力学性能也有着较高的要求.在大锻件生产过程中,锻造裂纹的产生严重影响了锻造生产的发展和锻件质量的提高 。近年来,我们公司关于锻造裂纹的研究 ,投入了大量的人力、物力 ,主要从材料的成分 、微观组织 、材料的锻造工艺(温度 、应变速率 、压下量等 因素)几方面进行了广泛又深入的研究 ,取得了许多科学实用的论据与结果 ,为锻造生产的发展提供了许多有利的帮助.主要有以下三种研究方法:
1.试验法
   理化检测是锻件质量分析和金属材料失效分析中最常用的一种检测方法,主要分为宏观 (低倍 )分析和微观分析。宏观分析主要是检测宏观裂纹的走向、断裂源的位置以及二次裂纹与主裂纹之间的关系。微观分析主要是借助金相显微镜 、扫描电镜、能谱、电子探针等来分析材料的微观组织 ,进而解释缺陷产生的本质原因。荧光检测 、超声检波方法在检测锻件内部缺陷的过程中发挥着重要的作用。这些检测手段在解释缺陷产生的微观机理方面有着不可替代的作用。
   物理模拟实验是另一种常用的研究方法 ,一般采用热模拟试验机来完成。通过把试样制成标准试样,借助热力模拟实验机来再现钢铁材料在热加工过程中的组织与性能变化规律,从而预测材料在热加工过程中可能存在的问题。采用热力模拟实验大大降低了材料的研究成本 ,对现有生产工艺的优化以及新工艺的制定都起着重要的作用。我们公司有多年经验的工匠师傅在锻造裂纹的分析与防治中提出热锻裂纹的研究方法主要有以下几种 :① 高温拉伸:通过高温拉伸实验来研究材料的高温塑性,从而确定材料的高温塑性指标,为锻造工艺参数的制定提供依据。②应变诱导裂纹张开试验。③热扭转和热弯曲试验:主要是通过扭转、弯曲试验来评定材料在高温条件下塑性的优劣,从而为确定合理的热加工工艺参数提供依据。
2.解析法
   解析法主要是以实验数据为依托,通过数学的方法把影响材料断裂的因素进行定量描述。提出用材料的等效塑性应变与等效应力的积分函数来定义发生破坏的时机,当其特征区域单位体积所吸收的塑性变形能达到阀值时,材料就产生宏观裂纹,该模型的缺陷之处是没有考虑拉伸主应力及静水应力的影响。考虑到材料的断裂主要与拉伸主应力有关,认为对于某一给定的材料,在一定的应变速率和温度下,当最大拉应力一应变能达到某一临界值时 ,材料会产生断裂。各个断裂准则表明,当金属材料的塑性变形达到临界破坏值的时候,材料的局部发生断裂并产生裂纹。
3.数值模拟
   数值模拟主要是在定解条件和数学方程的基础上将实际过程抽象为理论模型,以计算机的模拟运算为依托求得所需要的数值解,从而推算实际过程的发生。随着计算机技术以及信息科技的发展 ,在塑性成型过程力学分析的基础上建立了金属塑性成型过程数值模拟方法。在金属塑性成型中关于数值模拟的有限元法大致分为两类 :一类为刚粘塑陛有限元法和刚塑性有限元法的流动型塑生有限元法;另一类为小变形弹塑性有限元法和大变形弹塑性有限元法的固体型塑性有限元法。在金属塑性成型的问题上,弹塑性有限元法不仅能计算金属材料内部的应力、应变分布,而且可以计算成型之后残余应力和残余应变的分布,它主要适用于板料成型的数值模拟。对于大型锻件来说,由于整体上变形比较大,可以把材料的变形直接视为塑性变形,所以可以采用刚塑性有限元法,从而大大减少计算的时间。由于大锻件的尺寸效应,对于改进的工艺方案不可能进行 1:1的工艺实验 ,小件的实验与实际生产过程中的误差比较大 ,要想全面地了解整个工艺过程的结果,借助于有限元模拟可以起到很好的效果 。物理模拟的局限性在于所获得的实验结果一般只能体现整个对象在实验结束之后的一个综合效果 ,而利用有限元模拟不仅可以形象的展现材料在整个工艺过程中的变化,而且可以对材料的加工过程有一个清楚的认识,可以说有限元模拟是物理模拟的一个补充。同样,有限元模拟结果的合理性与可靠性需要物理模拟来进行验证和检测 ,物理模拟和有限元模拟在研究大型锻件锻造成型的过程中是相辅相成的。
   当今有限元模拟已经和理化检测 、解析一起作为金属塑性成型研究的三大支柱。有限元模拟具有广泛的适用性,它可以形象的演示材料热变形过程的整个过程,并能给出详细的计算结果,无论从时间效益还是经济效益来说都是很不错的选择。
    裂纹问题是制约大型锻件发展的主要问题,大型锻件的特性使其在锻造过程中与中小型锻件相比存在着许多难题。锻造裂纹的研究正在由传统的理化分析到理化分析和解析法、数值模拟相结合的新方向发展。我们公司对锻造过程进行数学分析和数值模拟,与实际锻造工艺相结合,加大对锻造过程中裂纹的控制,对指导大型锻件的生产具有重要的意义。

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