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備的核心零部件，被廣泛應用于電力、冶金、造船、石油化工、核能、航空航天和國防軍工領域。大鍛件通常上作條件差、載荷大、安全可靠性要求高，因此質量要求極為嚴格。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，容易形成應力集中與裂紋損傷，導致鍛件壽命縮短以致報廢。因此，深入認識空洞演化規(guī)律，探索提高空洞壓實效果的條件，將有助于提高鍛件內(nèi)在質量，促進鍛造工藝的制定由經(jīng)驗走向科學。由于大鍛件內(nèi)部分散著人量相對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，本文對空洞型缺陷的演化進行了較為系統(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量場有何定量關系?空洞演化有何規(guī)律?為此，本文基于細觀塑性理論，通過理論建模、數(shù)值模擬和試驗研究，提出了通用的空洞閉合判定準則，開發(fā)了模擬空洞演化的計算程序，在DEFORM軟件基礎上建立了人鍛件鍛造過程中內(nèi)部空洞演化的仿真平臺，并通過試驗驗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：針對大鍛件鍛造成形過程中內(nèi)部大量微小空洞同時存在并各

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。典型體元可以歸結為大鍛件宏觀上的一個點元，對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處的宏觀力學狀態(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，運用細觀塑性理論，建立了空洞的體積和形狀演化參數(shù)與宏觀力學量場之間的一般關系；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變化，為了得到空洞演化的定量規(guī)律，本文基于旋轉橢球雙曲坐標系和空洞周圍基體材料的動可容速度場，采用Rayleigh．Ritz法，對空洞演化進行了詳細的數(shù)值計算，提出用空洞相對體積(空洞當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、應力和應變狀態(tài)對空洞演化的影響規(guī)律。結果表明，空洞體積變形率隨著應力三軸度水平和材料Norton指數(shù)的增大而單調增加；空洞相對體積隨應力三軸度水平的提高和等效應變的

5、增大而減?。浑S著應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場等效應變減小。針對實際生產(chǎn)中對具有明確物理意義和普遍適用性的空洞閉合判定準則的現(xiàn)實需l：海交通人學T’學博f．，學位論文求，本文基于力學分析和數(shù)值計算，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)值計算結果，通過引入四個參數(shù)，提出了一個簡明的空洞體積演化模型，得劍了包含材料屬性、應力應變狀態(tài)和溫度影響的具有明確物理意義的大鍛什內(nèi)部空洞閉合判定準則，其中溫度的

6、影響通過材料Norton指數(shù)和應力應變關系米體現(xiàn)?？斩撮]合判定準則定量地反映了空洞閉合的一般規(guī)律。針對大鍛件鍛造成形過程中難以準確預報內(nèi)部大量微小空洞同時存在并各自演化這一難題，本文通過開發(fā)模擬空洞演化的計算程序，將空洞演化模型嵌入商用軟件DEFORM，實現(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，首次在大鍛什鍛造過程的模擬中將空洞相對體積同步、直觀地顯示出來，為鍛造工藝的優(yōu)化和鍛造方法的創(chuàng)新提供了理論和計算依據(jù)，為揭示空洞演化規(guī)律和預報鍛造工藝對空洞型缺陷的壓實

7、效果提供了一條新途徑。在此仿真平臺上，對不同砧形的鐓粗T藝和多上步多道次的拔長T藝過程中鍛件內(nèi)部空洞閉合情況進行了數(shù)值模擬，分析對比了不同鍛造方法對內(nèi)部空洞的壓實效果，并提出了鈸形砧鐓粗方法。由于大鍛件體積人、重量高、價格昂貴，直接用人鍛件進行試驗受到諸多限制，而鉛是再結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空洞并組裝成一個整體的方法，制備了可以定量研究空洞演化的試件，試驗研究了不同鍛造方法對空洞閉合的影響，并采用精密的光學投影儀對空洞體

8、積進行測鼉，試驗結果和數(shù)值模擬結果吻合較好，驗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確性。利用本文建立的空洞演化仿真平臺，分析了1000MW低壓轉子現(xiàn)行的鍛造工藝，在對現(xiàn)行工藝進行定量評估的基礎上，建議了新的鍛造T藝。研究表明，基于空洞演化仿真平臺，通過CAE分析和優(yōu)化，可以為大鍛件設計最優(yōu)的鍛造方法，安排更經(jīng)濟的成形工藝，獲得更好的成形質量。關鍵詞大鍛件，鍛造，空洞演化，典型體元，仿真平臺，數(shù)值模擬，物理模擬．II．A