大型锻件锻造开裂的研究方法

       随着经济的发展以及能源、国防、化工、冶金火电、水电、核电、航空航天等重大技术装备的提升,大锻件在重大技术装备中所发挥的作用越来越明显，对国民经济建设、制造业的发展以及国防现代化都具有重大的意义。大型锻件在生产过程中存在的主要质量问题是开裂，锻造开裂成为大型锻件以及某些高合金难锻材料生产过程中的一个瓶颈。因此,对大型锻件锻造开裂的研究对实际生产过程具有重要的指导意义。

       大锻件在重大技术装备中起关键作用,其受力状况和工作条件极为复杂和繁重,因此在重大技术装备中对大锻件的综合力学性能也有着较高的要求。在核电、航空等領域的要求则更高,不允许存在气泡、裂纹、白点及大块的夹杂物等,否则在长期的使用过程中极有可能在这些缺陷部位产生应力集中，从而导致重大的事故，造成生命财产的重大损失。因此,在研究大锻件锻造工艺的过程中，质量问题被提到了首位,锻件的质量与钢液浇注后大型钢锭的质量、锻造过程中锻压设备性能以及锻造工艺参数的设置密切相关。钢锭的冶炼技术、液压机的综合性能参数、锻造工艺的研究创新一直都是国内外大锻件生产技术研发的重中之重。大型锻件一般由一次浇注成型的大型铸锭经过锻造而获得。经浇注成型的铸锭内部存在常见的铸造缺陷，如疏松、缩孔、偏析、非金属夹杂等。随着钢锭重量的增大,这些钢锭中固有的缺陷都愈发严重，这与大锻件的高质量要求形成了矛盾。这些铸造缺陷的存在对随后的锻造过程有着极其不利的影响，它们隔断了基体组织的连续性，大大降低了钢锭在高温变形过程中的热变形塑性。另外，由于大型锻件的尺寸效应和重量效应，钢锭的热处理过程也十分复杂，加热温度过低、保温时间过短不利于合金元素的扩散,甚至无法保障热处理过程中组织的均匀化。加热温度过高、保温时间过长容易引起钢锭晶粒长大、过热、过烧，甚至会引起杂质元素沿晶界偏聚，为后续加工过程中的锻造开裂埋下隐患。不仅如此,大型锻件对加热过程中加热速率的控制也有严格的限制，这是由于钢锭在加热过程中存在着温度应力和组织应力，而且钢锭本身也存在残余应力，因此在加热的过程中极易因加热速度过快造成内外应力的不一致性而使钢锭产生内裂。然而加热速度过慢又限制了生产效率的提高。所以大型锻件的热处理过程与中小型锻件相比难度提高了许多。

       大型锻件在后续锻压成型过程中的工艺参数对获得良好的锻后组织也起着重要的作用。对于尺寸较大的锻件来说,锻造方法不当很难将变形渗透到锻件的心部，不但锻件心部的缺陷无法锻合，而且内外组织也会出现不均匀性，甚至很可能在锻件的心部产生新的裂纹。尤其对于不锈钢大锻件来说，不同类型的不锈钢由于化学成分的不同，与之对应的内部组织结构也不相同，其可锻性与锻造工艺参数也存在着很大的差别，所以要具体针对材料的高温性能制定合理的锻造工艺。不锈钢属于铁基合金，其合金化程度与铁基高温合金相比要低，与合金结构钢相比要高,因此不锈钢的可锻性（塑性、变形抗力和流动性）与碳钢和合金结构钢相比要差一些，但比合金化程度更高的高温合金要高，属于难变形合金范畴。在锻造过程中，材料在高温、大成型力的作用下“快速”流动，易产生裂纹，甚至开裂。裂纹的存在对大型锻件的生产过程来说十分不利,钢锭也常常因为某些裂纹缺陷而报废，同炉冶炼增加了生产成本，因此大型锻件在成型的过程中与中小型锻件相比存在着许多工艺难题和技术难题。

       理化检测是锻件质量分析和金属材料失效分析中最常用的一种检测方法,主要分为宏观(低倍)分析和微观分析。宏观分析主要是检测宏观裂纹的走向、断裂源的位置以及二次裂纹与主裂纹之间的关系。微观分析主要是借助金相显微镜、扫描电镜、能谱、电子探针等来分析材料的微观组织,进而解释缺陷产生的本质原因。荧光检测,超声检测方法在检测锻件内部缺陷的过程中发挥着重要的作用。这些检测手段在解释缺陷产生的微观机理方面有着不可替代的作用。

       物理模拟实验是另一种常用的研究方法，一般采用热模拟试验机来完成。通过把试样制成标准试样,借助热力模拟实验机来再现钢铁材料在热加工过程中的组织与性能变化规律，从而预测材料在热加工过程中可能存在的问题。采用热力模拟实验大大降低了材料的研究成本，对现有生产工艺的优化以及新工艺的制定都起着重要的作用。何文武在锻造裂纹的分析与防治中提出热锻裂纹的研究方法主要有以下几种：①高温拉伸：通过高温拉伸实验来研究材料的高温塑性，从而确定材料的高温塑性指标,为锻造工艺参数的制定提供依据。②应变诱导裂纹张开试验提出了裂纹开启的临界应变量。临界变形量越大，说明材料的高温塑性越好，材料开裂的敏感性越小。③热扭转和热弯曲试验：主要是通过扭转、弯曲试验来评定材料在高温条件下塑性的优劣，从而为确定合理的热加工工艺参数提供依据。

       裂纹问题是制约大型锻件发展的主要问题，大型锻件的特性使其在锻造过程中与中小型锻件相比存在着许多难题。锻造裂纹的研究正在由传统的理化分析到理化分析和解析法、数值模拟相结合的新方向发展。对锻造过程进行数学分析和数值模拟，与实际锻造工艺相结合，加大对锻造过程中裂纹的控制,对指导大型锻件的生产具有重要的意义。