大鍛件內(nèi)部空洞型缺陷閉合過程的數(shù)值模擬研究

1、大鍛件內(nèi)部空洞型缺陷閉合過程的數(shù)值模擬研究1、大鍛件空洞型缺陷閉合介紹大鍛件通常用來制造大型結(jié)構(gòu)件或重要承載件，例如大型汽輪機轉(zhuǎn)子、核電壓力容器等，其具有載荷大、工作條件差、安全性要求高等特點。但是鋼鐵冶金過程決定了大鍛件內(nèi)部不可避免地存在空洞型缺陷，并嚴重影響大鍛件的性能。大鍛件內(nèi)部空洞型缺陷的消除需要經(jīng)過閉合和焊合兩個階段，空洞型缺陷可通過擴散機制或再結(jié)晶機制實現(xiàn)焊合，但無論是哪種機制都需要在壓力和高溫條件下進行，基于真空擴散焊合物理模型來建立空洞焊合的物理模型。2、有限元模擬大鍛件內(nèi)部空洞的閉合是一個局部過程，即空洞體積相對于鍛件尺寸屬于無限小，其存在僅影響很小鄰域的應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)，并且其

2、演化過程也僅取決于該微小鄰域的變形。為此，在鍛件內(nèi)部取含有空洞的典型體元模型，其意義是，宏觀上(相對于大鍛件體元無限小，即研究鍛件變形時，可忽略空洞體積影響：而微觀上(相對于空洞體元無限大，即研究空洞變形時，將體元邊界力學(xué)量作為邊界條件。圖1是體元內(nèi)的空洞由球形經(jīng)歷橢球形逐步變化到片狀裂隙的示意圖。圖1 典型體元內(nèi)空洞變形過程示意圖以圓柱體的鐓粗過程為例研究空洞的閉合過程。為簡化研究的問題，假設(shè)空洞型缺陷位于圓柱體的軸線上，且處于高度的中心位置。根據(jù)圓柱體和變形條件的對稱性，取 1/4 作為計算模型如圖2b以便于觀察分析空洞的演變過程。設(shè)空洞的形狀為球形，直徑為d0，局部放大如圖2a。以下以初

3、始外形尺寸為12001400mm的圓柱體大鍛件鐓粗過程為例，討論空洞的變形過程，以及空洞閉合所需要的相對壓下量。在以下的討論中，空洞均在鍛件中心部位，且半徑分別為4mm、2mm、3mm、5mm，變形溫度為 970。圖3所示均為閉合過程中空洞區(qū)域演變的局部放大圖，分別給出了相對壓下量為4.5%，8.9%，13.4%，17.9%，21.7%時空洞變形形狀和其附近的等效應(yīng)變分布。數(shù)值模擬結(jié)果表明，當空洞位于圓柱體中心，d0為4mm時，閉合時需要21.7%的壓下量。圖2 中心帶有空洞的有限元模型(a 空洞局部放大圖 (b 1/4有限元模型由圖3b至3f可以看出，圓球形空洞首先被壓成橢球，當變形量達到一

4、定后，橢球的長軸端部兩側(cè)金屬開始貼合，并且貼合區(qū)域向心部擴展，直到完全閉合?？斩锤浇膽?yīng)變分布與模型其它區(qū)域不同。在空洞的閉合過程中，橢球長軸端點附近應(yīng)變最大，變形最劇烈；而沿橢球短軸方向附近的應(yīng)變最小，變形也比較小。則可知，橢球長軸端點附近沿壓下方向的應(yīng)變對空洞的閉合起著主導(dǎo)作用。(a (b此外，對d0為2mm，3mm，5mm的空洞閉合過程也分別進行了計算，且通過模擬結(jié)果得知，d0為2mm，3mm，5mm的空洞閉合分別需要19.9%，20.5%，22.3%的相對壓下量。(c (d(e (f圖3 d0=4mm 的空洞閉合過程及相應(yīng)的等效應(yīng)變分布的局部放大圖 (a空洞區(qū)域初始模型；相對壓下量達到

5、(b4.5%；(c8.9%；(d13.4%；(e17.9%；(f21.7%(閉合時當空洞的半徑由 2mm增至 5mm時，其閉合所需的相對壓下量相差很小。由此表明空洞的變形是局部效應(yīng)問題，也就是說，只要空洞體積相對于變形基體的體積非常小，影響該空洞閉合的應(yīng)變量就幾乎是相同的，即，當空洞幾何位置確定時，隨著空洞體積增加，使之閉合的相對壓下量略有增加。并且在空洞閉合的過程中均出現(xiàn)了橢球長軸端點附近應(yīng)變最大，變形最劇烈的現(xiàn)象。在一定的壓力及變形量下，大鍛件內(nèi)部的空洞實現(xiàn)閉合?？斩撮]合后，才能使所形成的裂隙表面貼合，進一步實現(xiàn)在高溫條件下的自由面間原子的相互擴散，在裂隙兩表面之間形成金屬鍵而最終焊合。此

6、外，大鍛件在空洞型缺陷閉合過程中產(chǎn)生了一定塑性變形，引起內(nèi)部晶格畸變，一方面為焊合過程的再結(jié)晶形核提供了條件，另一方面也為再結(jié)晶提供了一定的能量，從而促進了空洞型缺陷的焊合過程。三、模型益處及不足對大鍛件內(nèi)部不同直徑的球形空洞的鍛造閉合過程進行了熱力耦合數(shù)值模擬，研究得到空洞閉合過程中的空洞形狀演變過程，即由圓球形變成橢球，在進一步變形條件下，橢球高度減小，直至閉合。對于不同體積的空洞，只要空洞體積相對于變形基體的體積非常小，即當空洞幾何位置確定時，隨著空洞體積增加，使之閉合的相對壓下量只是略有增加。這些研究雖然給出了一些定性結(jié)論但是并不能很好地揭示材料屬性和工藝參數(shù)對空洞閉合的影響機理，沒有建立空洞周圍應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)與空洞閉合的定量關(guān)系，沒有提出有效的空洞閉合判定準則。參考文獻：1 張效迅，崔振山大鍛件內(nèi)部空洞熱鍛閉合的Z-C判據(jù)及其應(yīng)用J機械工程學(xué)報，2009，45(1：1491532 廖培根，方剛，雷麗萍，曾攀，杜鳳山大鍛件中心壓實法(JTS鍛造過程有限元分析J鍛壓技術(shù)，2007，32(6：44463 催振山，陳文，