摘要　模擬技術(shù)是研究大型鍛件控制鍛造理論的有效方法，在縮短試驗(yàn)周期等方面具有無(wú)可比擬的優(yōu)越性，為此研制了以高溫云紋法為代表的物理和數(shù)值模擬技術(shù)。針對(duì)大型鍛件中存在的質(zhì)量問(wèn)題，研究了內(nèi)部缺陷的形成過(guò)程及影響因素，發(fā)現(xiàn)了變形體中存在剪切帶、夾雜性裂紋聚合、損傷與修復(fù)等新現(xiàn)象，并對(duì)其規(guī)律進(jìn)行了深入研究。制定了大型鍛件鍛造工藝規(guī)范，對(duì)提高產(chǎn)品質(zhì)量起到了重要的作用。
　　關(guān)鍵詞　大型鍛件　模擬技術(shù)　質(zhì)量控制　組織變化　損傷與修復(fù)
　　大型鍛件出廠前，不僅要求做機(jī)械性能和晶粒度檢驗(yàn)，而且要求做超聲波探傷檢查，特別是核電鍛件還需作TNDT（無(wú)延性轉(zhuǎn)變溫度）分析。雖然鋼鐵冶煉技術(shù)發(fā)展迅速，但是其冶煉和凝固特性決定了鋼錠中不可避免地存在夾雜物和大小、位向不同的晶粒，而且隨著鋼錠增大，夾雜物和粗大晶粒將更為明顯。因此，夾雜物和晶界的變化仍然是引起大型鍛件報(bào)廢的重要原因，深入研究其變化和影響規(guī)律，對(duì)于提高產(chǎn)品質(zhì)量起著舉足輕重的作用。
　　為此，探索了以云紋法為代表的高溫、三維、動(dòng)態(tài)模擬技術(shù)，并用此研究了大型鍛件的變形規(guī)律、內(nèi)部缺陷的損傷和修復(fù)機(jī)制、晶粒組織控制過(guò)程，提出了控制鍛造理論的雛形。依此解決了許多生產(chǎn)難題，特別是制造出了具有國(guó)際先進(jìn)水平的核電大型鍛件。
1　模擬技術(shù)及分析測(cè)試方法
　　大型鍛件多為單件生產(chǎn)，生產(chǎn)過(guò)程復(fù)雜、周期長(zhǎng)、成本高故不適合于用實(shí)物進(jìn)行研究以獲取質(zhì)量控制理論、基本規(guī)律等。采用模擬技術(shù)研究大型鍛件的質(zhì)量控制規(guī)律是目前公認(rèn)的最有效的方法之一［1］。
　　高溫云紋法可以用于模擬研究大型鍛件的生產(chǎn)過(guò)程。使用離子轟擊法直接在鋼試件表面上制造云紋柵版，分辨率可達(dá)0.05 mm、耐高溫可達(dá)1250℃。在熱模擬爐中試件根據(jù)需要發(fā)生變形, 圖像分析系統(tǒng)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)動(dòng)態(tài)采集，解決了高溫、微觀分析變形的技術(shù)難題。在塑性變形過(guò)程中, 探討了使用聲顯微鏡無(wú)損檢測(cè)材料內(nèi)部缺陷的變化過(guò)程，取得了滿意的效果。通過(guò)計(jì)算機(jī)數(shù)值分析技術(shù)將缺陷的變化過(guò)程參數(shù)加以模擬，能夠獲得材料內(nèi)部缺陷的三維動(dòng)態(tài)變化規(guī)律。
　　目前，已掌握了高溫云紋法模擬技術(shù)，用聲顯微鏡檢測(cè)和計(jì)算機(jī)層析技術(shù)（CT技術(shù)）無(wú)損檢測(cè)和分析材料內(nèi)部缺陷的發(fā)展、變化過(guò)程，以及鋼錠凝固、鍛造和熱處理的數(shù)值模擬研究方法。將上述研究方法集成，便可以用于研究高溫、三維、動(dòng)態(tài)變形條件下材料內(nèi)部缺陷的發(fā)展和變化過(guò)程，獲得質(zhì)量控制鍛造規(guī)律。
2　鍛件變形分布規(guī)律
　　采用物理模擬方法系統(tǒng)地研究了餅塊類、桶體類、軸類鍛件內(nèi)部的變形分布規(guī)律［2］。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在變形過(guò)程中，由于邊界摩擦的作用，大變形區(qū)與剛性區(qū)之間無(wú)明顯的過(guò)渡區(qū)，在2區(qū)之間形成了劇烈的剪切變形帶；隨著變形的增大，變形區(qū)經(jīng)較大變形后，材料內(nèi)部的受力情況將發(fā)生變化。變形繼續(xù)增大時(shí)，則表現(xiàn)為剪切帶開(kāi)始移動(dòng)并引起剛性區(qū)逐層進(jìn)入塑性狀態(tài)。在上述條件下，加之夾雜物和粗大晶界的存在，裂紋非常容易在夾雜物和晶界處產(chǎn)生。如鐓粗過(guò)程中，在與砧面接觸的剛性區(qū)和中間部分的大變形區(qū)之間的剪切帶中變形非常劇烈，當(dāng)變形達(dá)到某一特定值時(shí)，原剛性區(qū)開(kāi)始發(fā)生變形致使載荷急劇增大，此時(shí)經(jīng)常引起缺陷擴(kuò)展。在模塊、桶體、軸類鍛件變形過(guò)程中也存在類似現(xiàn)象。
　　采用云紋法研究了夾雜、空洞等缺陷處的微觀變形分布情況，證明了缺陷的形貌直接影響著應(yīng)力集中程度，剪切變形和缺陷局部應(yīng)力的綜合作用致使缺陷之間金屬基體斷裂，微小夾雜通過(guò)裂紋相連，然后夾雜擠入裂紋，直至形成更大的夾雜性裂紋是引起探傷超標(biāo)的重要原因之一。用此可以圓滿地解釋餅塊類鍛件中心夾陷層缺陷形成的原因，并為消除此類缺陷奠定了理論基礎(chǔ)。
　　夾雜物形貌和晶界狀況直接影響著大型鍛件的使用性能，不合理的缺陷分布極有可能成為使用過(guò)程中大型鍛件突然失效的重大隱患。雖然目前檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)還無(wú)法對(duì)其進(jìn)行科學(xué)評(píng)判，但在鍛造過(guò)程中應(yīng)充分利用變形特性保證缺陷的合理分布。研究變形分布規(guī)律可以有效地解決空洞壓實(shí)問(wèn)題，為變形控制晶粒度乃至生產(chǎn)復(fù)合性能鍛件提供工藝參數(shù)。
3　材料內(nèi)部缺陷損傷與修復(fù)規(guī)律
　　在鍛造過(guò)程中，大型鍛件內(nèi)部存在的夾雜物和粗大的晶界是引起材料損傷的原因。研究夾雜物的變形行為及其對(duì)金屬基體變形的影響表明，在800℃～1200℃溫度范圍內(nèi)，隨著溫度的升高，裂紋產(chǎn)生存在著3種形式：①夾雜處基體形成空洞，空洞長(zhǎng)大直至匯合；②夾雜與基體脫開(kāi)形成空洞，然后沿界面擴(kuò)展到基體直至斷裂；③裂紋萌生于晶界，沿晶界擴(kuò)展至斷裂。據(jù)此提出了夾雜性裂紋聚合的物理模型，結(jié)合變形規(guī)律提出了細(xì)觀損傷力學(xué)模型及判據(jù)。粗大的晶界在變形過(guò)程中非常容易引起裂紋產(chǎn)生，致使損傷出現(xiàn)，其規(guī)律和機(jī)理有待深入研究。
　　高溫修復(fù)是在生產(chǎn)實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)的新現(xiàn)象，在機(jī)理尚未清楚的情況下，修復(fù)了已探傷證明報(bào)廢的大型管板、模塊、轉(zhuǎn)子等鍛件，取得了顯著的經(jīng)濟(jì)效益。
　　在再結(jié)晶溫度以上，修復(fù)過(guò)程主要由裂紋界面基體金屬中的原子向裂紋空洞擴(kuò)散遷移和晶粒長(zhǎng)大2個(gè)階