大型鍛件鍛造開裂的研究方法
隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展以及能源、國防、化工、冶金火電、水電、核電、航空航天等重大技術(shù)裝備的提升,大鍛件在重大技術(shù)裝備中所發(fā)揮的作用越來越明顯，對國民經(jīng)濟(jì)建設(shè)、制造業(yè)的發(fā)展以及國防現(xiàn)代化都具有重大的意義。大型鍛件在生產(chǎn)過程中存在的主要質(zhì)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生產(chǎn)過程中的一個瓶頸。因此,對大型鍛件鍛造開裂的研究對實際生產(chǎn)過程具有重要的指導(dǎo)意義。
大鍛件在重大技術(shù)裝備中起關(guān)鍵作用,其受力狀況和工作條件極為復(fù)雜和繁重,因此在重大技術(shù)裝備中對大鍛件的綜合力學(xué)性能也有著較高的要求。在核電、航空等領(lǐng)域的要求則更高,不允許存在氣泡、裂紋、白點及大塊的夾雜物等,否則在長期的使用過程中極有可能在這些缺陷部位產(chǎn)生應(yīng)力集中，從而導(dǎo)致重大的事故，造成生命財產(chǎn)的重大損失。因此,在研究大鍛件鍛造工藝的過程中，質(zhì)量問題被提到了首位,鍛件的質(zhì)量與鋼液澆注后大型鋼錠的質(zhì)量、鍛造過程中鍛壓設(shè)備性能以及鍛造工藝參數(shù)的設(shè)置密切相關(guān)。鋼錠的冶煉技術(shù)、液壓機(jī)的綜合性能參數(shù)、鍛造工藝的研究創(chuàng)新一直都是國內(nèi)外大鍛件生產(chǎn)技術(shù)研發(fā)的重中之重。大型鍛件一般由一次澆注成型的大型鑄錠經(jīng)過鍛造而獲得。經(jīng)澆注成型的鑄錠內(nèi)部存在常見的鑄造缺陷，如疏松、縮孔、偏析、非金屬夾雜等。隨著鋼錠重量的增大,這些鋼錠中固有的缺陷都愈發(fā)嚴(yán)重，這與大鍛件的高質(zhì)量要求形成了矛盾。這些鑄造缺陷的存在對隨后的鍛造過程有著極其不利的影響，它們隔斷了基體組織的連續(xù)性，大大降低了鋼錠在高溫變形過程中的熱變形塑性。另外，由于大型鍛件的尺寸效應(yīng)和重量效應(yīng)，鋼錠的熱處理過程也十分復(fù)雜，加熱溫度過低、保溫時間過短不利于合金元素的擴(kuò)散,甚至無法保障熱處理過程中組織的均勻化。加熱溫度過高、保溫時間過長容易引起鋼錠晶粒長大、過熱、過燒，甚至?xí)痣s質(zhì)元素沿晶界偏聚，為后續(xù)加工過程中的鍛造開裂埋下隱患。不僅如此,大型鍛件對加熱過程中加熱速率的控制也有嚴(yán)格的限制，這是由于鋼錠在加熱過程中存在著溫度應(yīng)力和組織應(yīng)力，而且鋼錠本身也存在殘余應(yīng)力，因此在加熱的過程中極易因加熱速度過快造成內(nèi)外應(yīng)力的不一致性而使鋼錠產(chǎn)生內(nèi)裂。然而加熱速度過慢又限制了生產(chǎn)效率的提高。所以大型鍛件的熱處理過程與中小型鍛件相比難度提高了許多。
大型鍛件在后續(xù)鍛壓成型過程中的工藝參數(shù)對獲得良好的鍛后組織也起著重要的作用。對于尺寸較大的鍛件來說,鍛造方法不當(dāng)很難將變形滲透到鍛件的心部，不但鍛件心部的缺陷無法鍛合，而且內(nèi)外組織也會出現(xiàn)不均勻性，甚至很可能在鍛件的心部產(chǎn)生新的裂紋。尤其對于不銹鋼大鍛件來說，不同類型的不銹鋼由于化學(xué)成分的不同，與之對應(yīng)的內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)也不相同，其可鍛性與鍛造工藝參數(shù)也存在著很大的差別，所以要具體針對材料的高溫性能制定合理的鍛造工藝。不銹鋼屬于鐵基合金，其合金化程度與鐵基高溫合金相比要低，與合金結(jié)構(gòu)鋼相比要高,因此不銹鋼的可鍛性（塑性、變形抗力和流動性）與碳鋼和合金結(jié)構(gòu)鋼相比要差一些，但比合金化程度更高的高溫合金要高，屬于難變形合金范疇。在鍛造過程中，材料在高溫、大成型力的作用下“快速”流動，易產(chǎn)生裂紋，甚至開裂。裂紋的存在對大型鍛件的生產(chǎn)過程來說十分不利,鋼錠也常常因為某些裂紋缺陷而報廢，同爐冶煉增加了生產(chǎn)成本，因此大型鍛件在成型的過程中與中小型鍛件相比存在著許多工藝難題和技術(shù)難題。
理化檢測是鍛件質(zhì)量分析和金屬材料失效分析中最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(guān)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(jìn)而解釋缺陷產(chǎn)生的本質(zhì)原因。熒光檢測,超聲檢測方法在檢測鍛件內(nèi)部缺陷的過程中發(fā)揮著重要的作用。這些檢測手段在解釋缺陷產(chǎn)生的微觀機(jī)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(jī)來完成。通過把試樣制成標(biāo)準(zhǔn)試樣,借助熱力模擬實驗機(jī)來再現(xiàn)鋼鐵材料在熱加工過程中的組織與性能變化規(guī)律，從而預(yù)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(xiàn)有生產(chǎn)工藝的優(yōu)化以及新工藝的制定都起著重要的作用。何文武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(biāo),為鍛造工藝參數(shù)的制定提供依據(jù)。②應(yīng)變誘導(dǎo)裂紋張開試驗提出了裂紋開啟的臨界應(yīng)變量。臨界變形量越大，說明材料的高溫塑性越好，材料開裂的敏感性越小。③熱扭轉(zhuǎn)和熱彎曲試驗：主要是通過扭轉(zhuǎn)、彎曲試驗來評定材料在高溫條件下塑性的優(yōu)劣，從而為確定合理的熱加工工藝參數(shù)提供依據(jù)。
裂紋問題是制約大型鍛件發(fā)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(tǒng)的理化分析到理化分析和解析法、數(shù)值模擬相結(jié)合的新方向發(fā)展。對鍛造過程進(jìn)行數(shù)學(xué)分析和數(shù)值模擬，與實際鍛造工藝相結(jié)合，加大對鍛造過程中裂紋的控制,對指導(dǎo)大型鍛件的生產(chǎn)具有重要的意義。