大型锻件杂性裂纹的有效控制及处理 -

原作者:[标签:作者] 添加时间:2007-07-02 原文发表时间:2007-07-03 人气:1

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摘要大型锻件的夹杂性裂纹问题是长期以来困扰我国重型行业发展的重要因素之一。为从根本上解决此问题，本文对大型锻件内部夹杂性裂纹的形成机理进行了模拟研究，得到了夹杂性裂纹形成及其在高温条件下自修复的规律。在此基础上，提出了能有效控制夹杂性裂纹的大型锻件锻造工艺。大型管板和模块锻件的控制夹杂性裂纹锻造工艺已在生产中应用，大大地提高了大型锻件的成品率和产品内在质量，具有十分显著的经济和社会效益。
关键词夹杂性裂纹大型锻件裂纹修复控制锻造

1 概述

大型锻件作为重要或关键部件，已被广泛用于重型机械、能源、冶金、矿山、兵器、航空、航天、石油、化工等行业所用的关键设备。因此，大型锻件生产水平的高低，在一定程度上被视为衡量一个国家工业发展水平的标准，在国民经济中占有重要的地位。饼类和模块类锻件是大型锻件的主要产品，饼类锻件包括汽轮机锅炉用管板和叶轮、核反应堆压力壳平顶盖、热交换器管板、化工容器底封头等，而模块锻件则主要用做制造各种压力机和锻锤的锻造工具。在实际生产中，此类锻件废品率高，生产难度大，生产中反映最严重的便是夹杂性裂纹问题[1，2]。

由于多种因素的影响，大型锻件用的钢锭内不可避免的存在着各种类型的夹杂物。对于外来夹杂物，解决问题的方法较为简单，可采取一切措施来防止它们进入钢中，这方面的理论研究和实际应用工作近年来进行的较多，进展很大。而对于内生夹杂物，问题就要复杂的多，因为它们是钢的组成部分，虽然其数量、大小、形状、分布和组成等都可以得到改善，但绝对不可能完全避免。这些夹杂物的存在及其在压力加工中的变化，构成了产生夹杂性裂纹最主要的动因。在管板锻件的常用材料20MnMo、模块锻件的常用材料5CrMnMo等钢中，最主要的非金属夹杂为硫化物（以MnS为代表）、铝酸盐类（以铝酸钙为代表）及少量的氧化物夹杂，并且热锻裂纹主要产生于硫化锰等塑性夹杂物附近。在饼、块类锻件的锻造过程中，在不均匀变形的作用下，锻件心部的金属流动远较周围更加剧烈，裂纹的聚合更加容易。因而，产生的缺陷也更多、尺寸更大。因此，研究夹杂性裂纹形成的机理，探讨这种裂纹修复的可能性，通过改变锻造工艺达到控制的目的，是一个非常有意义的学科前沿性课题。

2 夹杂性裂纹的形成

我们知道，钢锭中存在的各种夹杂物是产生大型锻件内部质量问题的重要原因，随锻件和钢锭单重的增加，矛盾更加突出。然而，对夹杂物在塑性变形过程中的行为、夹杂物与夹杂性裂纹之间的关系等问题较深入的分析研究则十分缺乏。

为了解塑性夹杂对金属基体变形的影响，我们用含塑性夹杂和不含夹杂的模型试样在有再结晶和无再结晶的变形条件下进行了压缩试验。图1为当变形程度为15%时，所得到的云纹照片。由图中可见，在不含塑性夹杂的变形体图1a内，云纹的分布基本上是均匀等距的，即变形是均匀分布的；而在同样的变形条件下（图1b），在夹杂物的顶端部位，与水平轴大约成45°角的方向云纹则较为密集，而其它部位则相对变得稀疏。当出现再结晶时（如图1c），这种情况愈加严重，变形不均匀的程度迅速增加。

由云纹图，计算并绘出相应的等效应变分布如图2所示。由图中可看出，在无夹杂的模型试样中，等效应变的数值均在0.1～0.2之间，且分布均匀（见图2a）；而当试样中含有夹杂时，在夹杂物的临近区域内，等效应变的局部集中现象较明显，应变梯度增大（见图2b），在与夹杂物水平轴成45°角的方向有大塑性变形区的延伸；当有再结晶时，不仅有明显的剪切带出现，而且剪切带的范围及等效应变的数值也加大（见图2c）。