大鍛件鍛造成形過程中內(nèi)部空洞型缺陷演化規(guī)律的研究

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1、摘要大鍛件是人型成套設(shè)備的核心零部件，被廣泛應(yīng)用于電力、冶金、造船、石油化工、核能、航空航天和國防軍工領(lǐng)域。大鍛件通常上作條件差、載荷大、安全可靠性要求高，因此質(zhì)量要求極為嚴(yán)格。然而，鋼鐵冶金過程決定了人型鋼錠內(nèi)部不可避免地會(huì)存在空洞型缺陷，內(nèi)部空洞的存在破壞了金屬的連續(xù)性，容易形成應(yīng)力集中與裂紋損傷，導(dǎo)致鍛件壽命縮短以致報(bào)廢。因此，深入認(rèn)識(shí)空洞演化規(guī)律，探索提高空洞壓實(shí)效果的條件，將有助于提高鍛件內(nèi)在質(zhì)量，促進(jìn)鍛造工藝的制定由經(jīng)驗(yàn)走向科學(xué)。由于大鍛件內(nèi)部分散著人量相對(duì)極為微小的空洞型缺陷，為了全面解析

2、空洞在鍛造過程中的演變，本文對(duì)空洞型缺陷的演化進(jìn)行了較為系統(tǒng)的研究，試圖同答這樣的問題：如果大鍛件某位置存在空洞型缺陷，那么空洞演化與大鍛件鍛造過程中的宏觀力學(xué)量場有何定量關(guān)系?空洞演化有何規(guī)律?為此，本文基于細(xì)觀塑性理論，通過理論建模、數(shù)值模擬和試驗(yàn)研究，提出了通用的空洞閉合判定準(zhǔn)則，開發(fā)了模擬空洞演化的計(jì)算程序，在DEFORM軟件基礎(chǔ)上建立了人鍛件鍛造過程中內(nèi)部空洞演化的仿真平臺(tái)，并通過試驗(yàn)驗(yàn)證了所提出的理論和方法的正確性。主要研究內(nèi)容和成果如下：針對(duì)大鍛件鍛造成形過程中內(nèi)部大量微小空洞同時(shí)存在并各

3、自變形的情況，本文提出了研究大鍛件內(nèi)部空洞演化的典型體元模型，典型體元模型是建立空洞演化與大鍛件鍛造成形T藝之間定量聯(lián)系的橋梁。典型體元可以歸結(jié)為大鍛件宏觀上的一個(gè)點(diǎn)元，對(duì)微小空洞而言可以視為無限火，典型體元的邊界條件為大鍛件鍛造過程中該點(diǎn)處的宏觀力學(xué)狀態(tài)，典型體元內(nèi)部的速度場決定空洞的演化?；诘湫腕w元模型，運(yùn)用細(xì)觀塑性理論，建立了空洞的體積和形狀演化參數(shù)與宏觀力學(xué)量場之間的一般關(guān)系；基于虛功原理，建立了研究大鍛件內(nèi)部空洞演化的通用方法。典型體元模型為探索大鍛件鍛造過程中內(nèi)部空洞型缺陷的演化規(guī)律提供了

4、比較成功的研究方法。由于大鍛件鍛造成形過程中內(nèi)部空洞的體積和形狀都會(huì)變化，為了得到空洞演化的定量規(guī)律，本文基于旋轉(zhuǎn)橢球雙曲坐標(biāo)系和空洞周圍基體材料的動(dòng)可容速度場，采用Rayleigh．Ritz法，對(duì)空洞演化進(jìn)行了詳細(xì)的數(shù)值計(jì)算，提出用空洞相對(duì)體積(空洞當(dāng)前體積與空洞初始體積的比)作為判斷大鍛件鍛造成形過程中內(nèi)部空洞演化的依據(jù)，得到了材料屬性、應(yīng)力和應(yīng)變狀態(tài)對(duì)空洞演化的影響規(guī)律。結(jié)果表明，空洞體積變形率隨著應(yīng)力三軸度水平和材料Norton指數(shù)的增大而單調(diào)增加；空洞相對(duì)體積隨應(yīng)力三軸度水平的提高和等效應(yīng)變的

5、增大而減?。浑S著應(yīng)力三軸度水平和材料Norton指數(shù)的增大，空洞完全閉合所需的遠(yuǎn)場等效應(yīng)變減小。針對(duì)實(shí)際生產(chǎn)中對(duì)具有明確物理意義和普遍適用性的空洞閉合判定準(zhǔn)則的現(xiàn)實(shí)需l：海交通人學(xué)T’學(xué)博f．，學(xué)位論文求，本文基于力學(xué)分析和數(shù)值計(jì)算，通過研究球形空洞演化成扁橢球并最終cjj合成為裂紋的過程，得劍了空洞閉合的插值模型。根據(jù)插值模型和空洞演化的數(shù)值計(jì)算結(jié)果，通過引入四個(gè)參數(shù)，提出了一個(gè)簡明的空洞體積演化模型，得劍了包含材料屬性、應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)和溫度影響的具有明確物理意義的大鍛什內(nèi)部空洞閉合判定準(zhǔn)則，其中溫度的

6、影響通過材料Norton指數(shù)和應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系米體現(xiàn)?？斩撮]合判定準(zhǔn)則定量地反映了空洞閉合的一般規(guī)律。針對(duì)大鍛件鍛造成形過程中難以準(zhǔn)確預(yù)報(bào)內(nèi)部大量微小空洞同時(shí)存在并各自演化這一難題，本文通過開發(fā)模擬空洞演化的計(jì)算程序，將空洞演化模型嵌入商用軟件DEFORM，實(shí)現(xiàn)了人鍛件鍛造成形過程中內(nèi)部空洞體積演變的定量化和可視化，建立了空洞演化的仿真平臺(tái)，首次在大鍛什鍛造過程的模擬中將空洞相對(duì)體積同步、直觀地顯示出來，為鍛造工藝的優(yōu)化和鍛造方法的創(chuàng)新提供了理論和計(jì)算依據(jù)，為揭示空洞演化規(guī)律和預(yù)報(bào)鍛造工藝對(duì)空洞型缺陷的壓實(shí)

7、效果提供了一條新途徑。在此仿真平臺(tái)上，對(duì)不同砧形的鐓粗T藝和多上步多道次的拔長T藝過程中鍛件內(nèi)部空洞閉合情況進(jìn)行了數(shù)值模擬，分析對(duì)比了不同鍛造方法對(duì)內(nèi)部空洞的壓實(shí)效果，并提出了鈸形砧鐓粗方法。由于大鍛件體積人、重量高、價(jià)格昂貴，直接用人鍛件進(jìn)行試驗(yàn)受到諸多限制，而鉛是再結(jié)晶溫度為窒溫的金屬材料，其常溫塑性性能與高溫鋼的塑性性能具有很好的相似性。本文通過在PbSb3鉛塊上加T空洞并組裝成一個(gè)整體的方法，制備了可以定量研究空洞演化的試件，試驗(yàn)研究了不同鍛造方法對(duì)空洞閉合的影響，并采用精密的光學(xué)投影儀對(duì)空洞體

8、積進(jìn)行測鼉，試驗(yàn)結(jié)果和數(shù)值模擬結(jié)果吻合較好，驗(yàn)證了本文建立的人鍛件內(nèi)部空洞演化模犁與仿真方法的有效性和準(zhǔn)確性。利用本文建立的空洞演化仿真平臺(tái)，分析了1000MW低壓轉(zhuǎn)子現(xiàn)行的鍛造工藝，在對(duì)現(xiàn)行工藝進(jìn)行定量評(píng)估的基礎(chǔ)上，建議了新的鍛造T藝。研究表明，基于空洞演化仿真平臺(tái)，通過CAE分析和優(yōu)化，可以為大鍛件設(shè)計(jì)最優(yōu)的鍛造方法，安排更經(jīng)濟(jì)的成形工藝，獲得更好的成形質(zhì)量。關(guān)鍵詞大鍛件，鍛造，空洞演化，典型體元，仿真平臺(tái)，數(shù)值模擬，物理模擬．II．A