关于大型锻件锻造开裂的研究方法

张义帅 孙红星，2 刘 华 张秀芝 田香菊(.郑州机械研究所，河南450000；2.西安交通大学机械工程学院，陕西70049；.太原科技大学材料科学与工程学院，山西00024)

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[1]。

1 大锻件生产的主要特点

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、航空等领域的要求则更高，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[2]。

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，回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。

2 大型锻件锻造开裂的研究现状

在大锻件生产过程中，锻造裂纹的产生严重影响了锻造生产的发展和锻件质量的提高。近年来，关于锻造裂纹的研究，投入了大量的人力、物力，主要从材料的成分、微观组织、材料的锻造工艺(温度、应变速率、压下量等因素)几方面进行了广泛又深入的研究，取得了许多科学实用的论据与结果，为锻造生产的发展提供了许多有利的帮助。常红英[3]利用电子探针以及光学显微镜对1Cr13钢锻造开裂原因进行了分析，结果表明由于钢锭中二次缩孔的存在，在分段锻造过程中，空洞内壁被氧化从而引起了锻造开裂。姚铁光[4]对05钢钢锭锻造开裂的原因进行了研究，在扫描电镜下断口为沿晶韧性断裂，韧窝中分布着许多细小的圆形颗粒，经过透射电镜的电子衍射分析，细小的颗粒为α-FeO，断裂的原因是由于钢水脱氧不良，过量的氧以α-FeO形式分散在原奥氏体晶界上，使晶界的强度大大降低，锻造过程中在外部应力的作用下形成沿晶韧性断裂。崇鹏[5]对20CrMnTi 锻造开裂原因进行了分析，发现开裂的主要原因是由于在铸造过程中存在冶金缺陷，大量夹杂物的存在破坏了基体的连续性，从而在锻造的过程中导致开裂。舒金波等[6]对35CrMo钢钻头锻造开裂原因进行了分析，锻件在锻造过程中产生内裂的原因是由于内部存在疏松，疏松部位在锻造过程中受到拉应力的作用，形成应力集中从而导致锻造开裂。莫立华[7]对XM-19不锈钢锻造开裂的原因进行了分析，加热温度过高导致过烧，奥氏体晶界弱化，晶界强度低于晶内强度，造成沿晶断裂，特别是沿原奥氏体晶界高温铁素体的析出，加剧了锻造裂纹的萌生和发展。常红英[8]对一炉含Se4J38锻件开裂的原因进行了分析，结果表明引起锻件开裂的主要原因是Se和Fe生成了沿晶界分布的低熔点化合物，当加热温度超过化合物的熔点时，造成晶界熔化、烧毁，从而导致在锻造时开裂。韩静涛[9]等研究了大型锻件的夹杂性裂纹与锻造工艺控制，他们指出:①控制预镦粗变形量，经过模拟研究表明：高径比为0.6～2.0的钢锭内部夹杂性裂纹开始凝合的镦粗变形量为50%，考虑到后续变形对锻件心部夹杂延展的进一步作用，钢锭的预镦粗变形量应控制在40%左右为宜。如需要进一步减少锻件的高度，可采用旋转进砧压下来实现。②保证压实所需的变形工艺参数，采用FM法锻造时应满足砧宽比大于0.6、单面压下量大于15%的要求。③控制终锻火次及变形量，为修复前步锻造工艺中可能产生的、无损检测可见的夹杂性裂纹，要求在普通锻造工艺中增加对终锻火次和变形量的控制要求。具体执行时，可将半成品返炉后在高温下保温，使锻件内部裂纹处的孔洞被充分填充，然后按压实所需的变形量进行终锻变形及整形，压实内部仍存在的显微孔洞达到对锻件的尺寸要求。控制终锻火次的另一目的是利用锻件的高温停锻效应，以保证锻件内部晶粒尺寸的均匀，避免混晶现象的发生。北满特殊钢集团公司中心实验室的金宏伟[10]通过金相、断口、扫描分析，结合五害元素、化学成分以及气体含量对34CrNi3Mo钢锭锻裂原因进行了分析，柱状晶发达，低熔点的夹杂物沿柱状晶界析出，削弱了晶间的结合力，从而造成锻件沿晶断裂而报废。1 050～1 250℃铜在奥氏体中的溶解度一般在9%左右。钢在1 100～1 200℃的氧化性气氛中加热时，由于选择性氧化，在表层会产生富铜区，超过溶解度之后会以液态相的形式析出，液相沿晶界向内渗透，容易产生所谓的“热脆”现象。铜含量越高，则富铜区的形成速度愈快，表层的锻造开裂倾向也越严重。若含有锡、锑，还会严重降低铜在奥氏体中的溶解度，加剧这种脆化倾向[11]。

图1 锻造开裂的研究方法Figure 1 Research method of forging cracking

图2 应变诱导裂纹试验示意图[12]Figure 2 The schematic diagram of strain induced crack test[12]

3 大型锻件锻造开裂的研究方法

3.1 试验法

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。锻造开裂的研究方法见图1。

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[11]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(图2)提出了裂纹开启的临界应变量：

εC=ln(D1/D0)

(1)

式中，D0为试件原始直径；D1为裂纹启开时镦粗部分试件直径。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。

3.2 解析法

解析法主要是以实验数据为依托，通过数学的方法把影响材料断裂的因素进行定量描述。近年来材料的韧性损伤与断裂理论成为固体力学研究的热门话题[13]。Freudenthal[14]与Gillemat等[15]提出用材料的等效塑性应变与等效应力的积分函数来定义发生破坏的时机，当其特征区域单位体积所吸收的塑性变形能达到阀值时，材料就产生宏观裂纹，该模型的缺陷之处是没有考虑拉伸主应力及静水应力的影响。

C=∫εf0σdε

(2)

式中，εf为材料断裂的等效应变；dε为等效应变增量；σ为等效应力；C为材料的临界破坏值。

Ayada[16]则认为等效应变和静水应力是影响空穴扩张的主要因素，提出了以下准则：

C=∫εf0σmσdε

(3)

式中，σm为静水应力。

McClintock[17]将空穴看做变形材料的内部缺陷，忽略了空穴与空穴之间的交互作用，提出了以下的断裂准则：

C=∫εf0〔2 (1-n)3sin {(1-n)3(σ1+σ3)2σ} +σ1-σ3σ〕dε

(4)

式中，n为材料的硬化系数；σ3为材料断裂时的最小主应力。

Crockroft 和Latham[18]考虑到材料的断裂主要与拉伸主应力有关，认为对于某一给定的材料，在一定的应变速率和温度下，当最大拉应力-应变能达到某一临界值时，材料会产生断裂，其断裂准则如下：

C=∫εf0σ*σdε

(5)

式中，σ*为最大拉伸应力；εf为材料断裂的等效应变；dε为等效应变增量；σ为等效应力；C为材料的临界破坏值。

各个断裂准则表明，当金属材料的塑性变形功达到临界破坏值C的时候，材料的局部发生断裂并产生裂纹。众多研究表明[19～22]，C﹠L准则对预测金属材料塑性变形过程中裂纹的萌生可以起到很好的作用。

3.3 数值模拟

数值模拟主要是在定解条件和数学方程的基础上将实际过程抽象为理论模型，以计算机的模拟运算为依托求得所需要的数值解，从而推算实际过程的发生。随着计算机技术以及信息科技的发展，在塑性成型过程力学分析的基础上建立了金属塑性成型过程数值模拟方法。在金属塑性成型中关于数值模拟的有限元法大致分为两类：一类为刚粘塑性有限元法和刚塑性有限元法的流动型塑性有限元法；另一类为小变形弹塑性有限元法和大变形弹塑性有限元法的固体型塑性有限元法[23]。

在金属塑性成型的问题上，弹塑性有限元法不仅能计算金属材料内部的应力、应变分布，而且可以计算成型之后残余应力和残余应变的分布，它主要适用于板料成型的数值模拟。对于大型锻件来说，由于整体上变形比较大，可以把材料的变形直接视为塑性变形，所以可以采用刚塑性有限元法，从而大大减少计算的时间。

由于大锻件的尺寸效应，对于改进的工艺方案不可能进行1∶1的工艺实验，小件的实验与实际生产过程中的误差比较大，要想全面地了解整个工艺过程的结果，借助于有限元模拟可以起到很好的效果。物理模拟的局限性在于所获得的实验结果一般只能体现整个对象在实验结束之后的一个综合效果，而利用有限元模拟不仅可以形象的展现材料在整个工艺过程中的变化，而且可以对材料的加工过程有一个清楚的认识，可以说有限元模拟是物理模拟的一个补充。同样，有限元模拟结果的合理性与可靠性需要物理模拟来进行验证和检测，物理模拟和有限元模拟在研究大型锻件锻造成型的过程中是相辅相成的。国内外众多学者大都采用物理模拟与数值模拟相结合的方法来研究大型锻件的塑性加工过程。刘建生[24]提出了数值模拟与物理模拟相结合的内在研究机制，如图3所示。

当今有限元模拟已经和理化检测、解析一起作为金属塑性成型研究的三大支柱。有限元模拟具有广泛的适用性，它可以形象的演示材料热变形过程的整个过程，并能给出详细的计算结果，无论从时间效益还是经济效益来说都是很不错的选择。

图3 大型锻造工艺研发中模拟技术集成机制[24]Figure 3 The integration mechanism of simulation technology in the development of heavy forging processes[24]

4 结语

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。

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