大型鍛件鍛造開裂的研究方法
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發表時間：2021-01-07 16:58
大型鍛件在生產過程中的主要質量問題是開裂 ，鍛造開裂成為大型鍛件以及某些高合金難鍛材料發展過程中的一個瓶頸。鍛件在重大技術裝備中起關鍵作用 ，其受力狀況和工作條件極為復雜和繁重 ，因此在重大技術裝備中對大鍛件的綜合力學性能也有著較高的要求.在大鍛件生產過程中，鍛造裂紋的產生嚴重影響了鍛造生產的發展和鍛件質量的提高 。近年來,我們公司關于鍛造裂紋的研究 ，投入了大量的人力、物力 ，主要從材料的成分 、微觀組織 、材料的鍛造工藝(溫度 、應變速率 、壓下量等 因素)幾方面進行了廣泛又深入的研究 ，取得了許多科學實用的論據與結果 ，為鍛造生產的發展提供了許多有利的幫助.主要有以下三種研究方法：
1.試驗法
理化檢測是鍛件質量分析和金屬材料失效分析中***常用的一種檢測方法，主要分為宏觀 (低倍 )分析和微觀分析。宏觀分析主要是檢測宏觀裂紋的走向、斷裂源的位置以及二次裂紋與主裂紋之間的關系。微觀分析主要是借助金相顯微鏡 、掃描電鏡、能譜、電子探針等來分析材料的微觀組織 ，進而解釋缺陷產生的本質原因。熒光檢測 、超聲檢波方法在檢測鍛件內部缺陷的過程中發揮著重要的作用。這些檢測手段在解釋缺陷產生的微觀機理方面有著不可替代的作用。
物理模擬實驗是另一種常用的研究方法 ，一般采用熱模擬試驗機來完成。通過把試樣制成標準試樣，借助熱力模擬實驗機來再現鋼鐵材料在熱加工過程中的組織與性能變化規律，從而預測材料在熱加工過程中可能存在的問題。采用熱力模擬實驗大大降低了材料的研究成本 ，對現有生產工藝的優化以及新工藝的制定都起著重要的作用。我們公司有多年經驗的工匠師傅在鍛造裂紋的分析與防治中提出熱鍛裂紋的研究方法主要有以下幾種 ：① 高溫拉伸：通過高溫拉伸實驗來研究材料的高溫塑性，從而確定材料的高溫塑性指標，為鍛造工藝參數的制定提供依據。②應變誘導裂紋張開試驗。③熱扭轉和熱彎曲試驗：主要是通過扭轉、彎曲試驗來評定材料在高溫條件下塑性的優劣，從而為確定合理的熱加工工藝參數提供依據。
2.解析法
解析法主要是以實驗數據為依托，通過數學的方法把影響材料斷裂的因素進行定量描述。提出用材料的等效塑性應變與等效應力的積分函數來定義發生破壞的時機，當其特征區域單位體積所吸收的塑性變形能達到閥值時，材料就產生宏觀裂紋，該模型的缺陷之處是沒有考慮拉伸主應力及靜水應力的影響。考慮到材料的斷裂主要與拉伸主應力有關，認為對于某一給定的材料，在一定的應變速率和溫度下，當***大拉應力一應變能達到某一臨界值時 ，材料會產生斷裂。各個斷裂準則表明，當金屬材料的塑性變形達到臨界破壞值的時候，材料的局部發生斷裂并產生裂紋。
3.數值模擬
數值模擬主要是在定解條件和數學方程的基礎上將實際過程抽象為理論模型，以計算機的模擬運算為依托求得所需要的數值解，從而推算實際過程的發生。隨著計算機技術以及信息科技的發展 ，在塑性成型過程力學分析的基礎上建立了金屬塑性成型過程數值模擬方法。在金屬塑性成型中關于數值模擬的有限元法大致分為兩類 ：一類為剛粘塑陛有限元法和剛塑性有限元法的流動型塑生有限元法；另一類為小變形彈塑性有限元法和大變形彈塑性有限元法的固體型塑性有限元法。在金屬塑性成型的問題上，彈塑性有限元法不僅能計算金屬材料內部的應力、應變分布，而且可以計算成型之后殘余應力和殘余應變的分布，它主要適用于板料成型的數值模擬。對于大型鍛件來說，由于整體上變形比較大，可以把材料的變形直接視為塑性變形，所以可以采用剛塑性有限元法，從而大大減少計算的時間。由于大鍛件的尺寸效應，對于改進的工藝方案不可能進行 1：1的工藝實驗 ，小件的實驗與實際生產過程中的誤差比較大 ，要想***地了解整個工藝過程的結果，借助于有限元模擬可以起到很好的效果 。物理模擬的局限性在于所獲得的實驗結果一般只能體現整個對象在實驗結束之后的一個綜合效果 ，而利用有限元模擬不僅可以形象的展現材料在整個工藝過程中的變化，而且可以對材料的加工過程有一個清楚的認識，可以說有限元模擬是物理模擬的一個補充。同樣，有限元模擬結果的合理性與可靠性需要物理模擬來進行驗證和檢測 ，物理模擬和有限元模擬在研究大型鍛件鍛造成型的過程中是相輔相成的。
當今有限元模擬已經和理化檢測 、解析一起作為金屬塑性成型研究的三大支柱。有限元模擬具有廣泛的適用性，它可以形象的演示材料熱變形過程的整個過程，并能給出詳細的計算結果，無論從時間效益還是經濟效益來說都是很不錯的選擇。
裂紋問題是制約大型鍛件發展的主要問題，大型鍛件的特性使其在鍛造過程中與中小型鍛件相比存在著許多難題。鍛造裂紋的研究正在由傳統的理化分析到理化分析和解析法、數值模擬相結合的新方向發展。我們公司對鍛造過程進行數學分析和數值模擬，與實際鍛造工藝相結合，加大對鍛造過程中裂紋的控制，對指導大型鍛件的生產具有重要的意義。
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