大型自由鍛件的rst效應(yīng)

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1、大型自由鍛件的RST效應(yīng)摘要：大型自由鍛件在生產(chǎn)過程中存在一種新的力學(xué)效應(yīng)(RST效應(yīng))，它會(huì)導(dǎo)致產(chǎn)品內(nèi)部出現(xiàn)夾層裂紋缺陷。經(jīng)過觀察和分析，提出了避免其危害的工藝準(zhǔn)則。?長期以來，一些大型自由鍛件的質(zhì)量問題是在超聲波探傷時(shí)，出現(xiàn)大面積密集型缺陷，嚴(yán)重時(shí)底波降低，甚至完全消失。?針對(duì)這種內(nèi)部層狀裂紋型缺陷，有人曾做過理論分析，提出了3種最有可能產(chǎn)生缺陷的理由：①未鍛合的疏松；②夾雜性裂紋；③氫脆或白點(diǎn)。然后，根據(jù)顯微觀察來逐一辨別確認(rèn)。但是，觀察結(jié)果卻排除了上述3種可能性。經(jīng)過長期的觀察和分析，推出了一個(gè)新的力學(xué)效應(yīng)模型，即RST效應(yīng)。?1　RST效應(yīng)的定義和

2、產(chǎn)生條件?大型圓餅類和板類自由鍛件，在鍛造成形過程中，經(jīng)受很大的變形量后產(chǎn)生的內(nèi)部層狀裂紋缺陷，是由一種特殊的力學(xué)效應(yīng)引起的，定義為RST效應(yīng)(RigidSlideTearingEffect，剛性滑動(dòng)撕裂效應(yīng))。?圖1表示了在鍛造過程中產(chǎn)生RST效應(yīng)的情況。其特點(diǎn)是：當(dāng)鍛造工具(砧子等)在與鍛件相接觸表面上兩方向(如砧子的長度和寬度，鐓粗為直徑)的尺寸都大大超過坯料的高度時(shí)，致使坯料內(nèi)上下兩個(gè)剛性區(qū)相遇。隨后，在壓機(jī)力的繼續(xù)作用下，產(chǎn)生剛性區(qū)內(nèi)部的層狀剛性滑動(dòng)變形并導(dǎo)致撕裂。??(a)鍛煉過程中上下兩個(gè)剛性區(qū)“相遇”?(b)鍛煉內(nèi)部的RST裂紋?圖1　RST

3、效應(yīng)產(chǎn)生條件示意?坯料內(nèi)部的剛性區(qū)是由工具和坯料表面的摩擦引起的，也稱“死區(qū)”或“摩擦錐”。實(shí)際上，剛性區(qū)內(nèi)的金屬一般情況下并不完全呈整體剛性狀態(tài)，而是從表面對(duì)稱中心開始，向坯料內(nèi)部呈一定梯度的小應(yīng)變速率分布。剛性區(qū)的邊界也無嚴(yán)格的規(guī)定，技術(shù)人員常以應(yīng)變速率<0.0015－1為判別其邊界的條件。圖2表示了在平板間鐓粗、平砧拔長鍛板和上平砧、下轉(zhuǎn)臺(tái)成形管板的3種情況下，坯料內(nèi)部剛性體(三維視場(chǎng))相遇的模型。前2種情況具有變形對(duì)稱的特點(diǎn)，剛性體分別為對(duì)稱的上下錐臺(tái)或棱形鍛臺(tái)；第3種情況為上下不對(duì)稱的變形，剛性體也應(yīng)為上下對(duì)稱的棱形錐臺(tái)。?(a)平板間鐓粗時(shí)內(nèi)部剛

4、性體相遇?(b)平砧拔長時(shí)內(nèi)部剛性體相遇?上平砧、下平臺(tái)成形管板時(shí)內(nèi)部剛性體相遇?圖2　不同鍛造方式下坯料內(nèi)部的剛性體由此看來，導(dǎo)致RST效應(yīng)的先決條件為：?(1)特殊的邊界條件和工具尺寸條件，如摩擦系數(shù)μ，砧子的長度L，進(jìn)砧寬度W及坯料高度H。?(2)在上述變形條件下形成坯料內(nèi)部的剛性體相遇后，繼續(xù)施以一定的壓下變形量。?(3)剛性體內(nèi)部的金屬完全失去彈性和塑性變形能力，在壓力下繼續(xù)強(qiáng)制性變形，被迫發(fā)生層狀剛性滑動(dòng)(或?qū)訝畲嘈曰瑒?dòng))，直至超過材料的剪應(yīng)變強(qiáng)度而撕裂破壞。?2　RST效應(yīng)的作用機(jī)制?RST效應(yīng)并不是在瞬間突然作用的，其機(jī)制按力學(xué)特性分為3個(gè)發(fā)

5、展階段：①彈性壓縮變形，②剛性剪切變形，③剛性滑動(dòng)撕裂。?彈性壓縮變形階段是指坯料內(nèi)部上下兩個(gè)剛性體發(fā)生了接觸，并且在外力的作用下繼續(xù)相向運(yùn)動(dòng)時(shí)，在剛性體內(nèi)部產(chǎn)生彈性變形的過程。這一階段一般比較短暫，在兩剛性體接觸寬度內(nèi)的彈性潛能充分釋放后，這部分材料就被“壓實(shí)”了，如圖3所示。??圖3　RST效應(yīng)作用第一階段機(jī)制示意圖?(a)“死區(qū)”未接觸；(b)剛剛相遇，彈性壓縮變形開始；c彈性壓縮變形結(jié)束。剛性剪切變形階段，是指在坯料內(nèi)剛性體中的“壓實(shí)區(qū)”已不具有彈性壓縮能力的情況下，繼續(xù)受力強(qiáng)制壓縮，使其高度減小，迫使金屬發(fā)生類似層狀的橫向運(yùn)動(dòng)，如圖4所示。?圖4　

6、剛性剪切變形階段特征圖4還給出了在受力中心線上橫向運(yùn)動(dòng)速度的分布。由于坯料受表面摩擦的影響，與剛性體的形狀有關(guān)，所以這種速度的分布從表面到中心呈一定的梯度。由于“壓實(shí)區(qū)”內(nèi)各金屬層(剛性層)之間存在著橫向移動(dòng)速度的差別，便導(dǎo)致產(chǎn)生了相鄰層間的剪切運(yùn)動(dòng)，所以稱之為剛性變形階段。?剛性滑動(dòng)撕裂階段是指在剛性層間的剪切變形量達(dá)到某一極限值(即此時(shí)的材料剪切強(qiáng)度)時(shí)開始的撕裂破壞過程。首先，在部分剛性層間產(chǎn)生裂紋，然后再繼續(xù)滑動(dòng)撕裂擴(kuò)大，直至坯料外部的受力壓下變形結(jié)束為止。在這個(gè)過程中，處于“壓實(shí)區(qū)”內(nèi)的金屬已實(shí)際上具有如同巖石一般脆性材料的特性了。圖5表示此階段的

7、坯料內(nèi)部特征。??圖5　剛性滑動(dòng)撕裂階段特征事實(shí)上，在描述這一過程中“壓實(shí)區(qū)”內(nèi)金屬的性質(zhì)，無論用“剛性”或是“脆性”都不十分合適。這是因?yàn)閯傂灾覆蛔冃蔚囊馑?，但是它又不象脆性材料那樣，在壓縮時(shí)呈近似45°角的破壞。?3　避免RST效應(yīng)的工藝準(zhǔn)則?根據(jù)RST效應(yīng)的作用機(jī)制，只要合理控制鍛造時(shí)的工藝參數(shù)，使坯料內(nèi)部的剛性體不發(fā)生相遇，就可以完全避免由RST效應(yīng)導(dǎo)致鍛件內(nèi)部產(chǎn)生“層狀裂紋”的缺陷。圖6表示了平砧鍛造時(shí)，工藝參數(shù)(砧寬W0，坯料高度H)和剛性體尺寸參數(shù)(摩擦角α、β，剛性體高度h,l)之間的關(guān)系。??圖6　工藝參數(shù)與剛性體尺寸之間的關(guān)系通常，成形管

8、板和鍛板時(shí)在砧子長度方向上與坯料接觸的尺寸總是遠(yuǎn)大于