型锻件是国家重型装备、重大工程建设所必需的重要基础部件, 广泛运用于冶金矿山设备、能源装备、石油化工设备、船舶、军工产品、大型科研装置等各个方面, 对国家的经济建设、国防力量、现代科学技术有至关重要的意义。目前我国装备构件呈现出大型化及超大型的发展趋势, 大锻件质量标准要求也随之越来越高。镦粗作为大锻件成形的核心工序之一, 对锻件内部质量起着重要作用。在生产过程中大型钢锭心部孔隙缺陷能否压实是困扰锻件质量提升的棘手难题, 孔洞不仅削弱锻件的力学性能, 还可能成为裂纹萌生与扩展的源头, 严重危及使用可靠性。

      孔隙缺陷对大锻件的最终质量有较大影响。马庆贤等通过采用小试样的镦粗实验研究空洞缺陷的演变规律, 发现与实际的大锻件锻造中空洞的演变机理上有较大不同, 运用目前的实验方法较难得到空洞闭合时准确工艺参数。郭伦等研究了在压应力状态下孔洞闭合演变规律, 并建立了压应力状态下的孔洞闭合预测模型。李彦柟等以锻透性和变形均匀性为评价指标, 对车轴径向锻造工艺参数进行了优化, 为改善锻件内部变形均匀性提供了参考。李晗等对大锻件内部孔洞的形成及闭合过程进行了研究, 分析了孔洞闭合的影响因素及判定方法。方旭升等通过对镦粗和拔长的数值模拟分析, 得到镦粗后再进行3道次拔长工艺, 可获得较好的材料性能。黄涛等采用有限元数值模拟方法研究了塑性变形过程中锻件内部孔洞缺陷的闭合规律, 分析了不同变形条件下孔洞的演变特征。同时,焦永星等也针对30Cr2Ni4MoV 钢拔长变形中多方向变形的孔洞演变进行了分析, 并对闭合临界值进行了预测。

     目前研究对孔隙缺陷做了较多研究, 但随着大锻件质量及截面尺寸增大, 有必要结合数值模拟技术对孔洞闭合及判定继续进行深入研究。本文针对大型转子锻件镦粗变形, 通过数值模拟与实验相结合的方式, 研究变形量、孔洞尺寸及高径比对闭合的影响, 分析孔洞周围等效应变与孔洞闭合的关系,提出镦粗变形过程中孔洞闭合的判定方法, 并进行实验验证。

1实验材料及方法

     实验材料选用铸态30Cr2Ni4MoV钢, 将该材料模型及孔洞模型导入到DEFORM 软件中, 设置镦粗变形参数并进行数值模拟, 把试样及上下砧导入软件后, 镦粗模型示意图如图1a所示。试件的尺寸为Φ100 mm×100 mm, 试样的心部设置有不同尺寸的孔, 分别为Φ2、Φ5、Φ10、Φ20 和Φ30 mm, 变形温度设置为1200℃, 变形量为10%~50%。模拟完成后, 通过软件的后处理模块观察不同变形量下孔洞的变化规律, 分析孔洞周围的应力、应变对闭合过程的影响。

      对于空洞闭合判定的模拟, 是通过二次开发将判定参数Q 值导入到DEFORM 软件, Q 值的建立主要根据Tanaka Y 等的研究, 通过分析变形过程中应力、应变对空洞闭合行为的影响规律, 提出了判断空洞闭合判定参数Q的概念, 其计算公式可表示如下:

      镦粗变形实验在Gleeble-3800 热模拟试验机上进行, 试样尺寸为Φ8mm×12 mm, 镦粗试样的心部钻了Φ1.5 mm 的孔, 位置与模拟中试样一致, 压缩过程在真空中进行, 避免了热变形中试样的氧化影响孔洞闭合实验结果, 压缩流程如图1b所示。热模拟实验压缩完成后, 用线切割将压缩试样沿着压缩方向切开, 对切开的试样打磨抛光后采用光学显微镜观察金相组织, 分析孔洞不同变形参数的演变规律。

2. 1 变形量对孔洞闭合的影响

    图2为随着变形量增加, 直径为Φ20mm 孔洞的闭合演变及等效应变的变化情况。如图2a所示,孔洞沿着变形方向运动, 圆形的孔洞向椭圆形转变,由于变形量比较小, 变化不是很明显。孔洞横向方向的圆角位置的等效应变增加, 其余位置的等效应变基本不变。由图2b 可知, 随着变形量增加, 孔洞沿着变形方向运动, 原始圆形的孔洞明显被拉长为椭圆形, 孔洞横向圆角位置的等效应变为0.7。变形量温20%时, 如图2c所示, 孔洞横向圆角位置的等效应变增加为1.1, 孔洞圆角逐渐变为尖角, 并从该位置处开始逐渐闭合。孔洞纵向和横向的尺寸明显减小, 说明孔洞是从垂直于变形方向的尖角位置开始逐渐闭合, 而不是一直沿着椭圆形减小。变形量增加到25%后, 如图2d所示, 孔洞沿着应变值高的地方逐渐闭合, 闭合位置等效应变值增加到1.3, 上述分析表明, 随着变形量的增加, 孔洞周围的等效应变逐渐增大, 孔洞从垂直于变形方向的尖角位置开始闭合, 并逐渐向内部扩展。因此, 等效应变的增加是促进孔洞闭合的主要因素。

2. 2  孔洞尺寸对闭合的影响

    孔洞直径与试样高度之比大于1/10时, 随着孔洞尺寸减小, 闭合时需要的变形量减小, 但由于一般情况下实际铸锭中孔洞的尺寸相对于试件尺寸均在1/10 以内, 因此, 重点分析小尺寸孔洞随变形量的变化规律。图3为孔洞直径为Φ5和Φ10mm 时,随着变形量增加时孔洞闭合及等效应变演变规律。由图可知, 孔洞闭合需要的变形量均为20%, 孔洞闭合需要的变形量相同, 没有随着孔洞尺寸的减小而减小。图3中孔洞周围等效应变随变形量的变化情况与图2基本相同, 均为应变1.3 左右开始闭合。由以上分析可知: Φ5mm 和Φ10mm 孔洞完全闭合所需的变形量均为20%, 而当孔洞直径尺寸与试样高度之比小于1/10 时, 孔洞尺寸对闭合过程没有影响, 这就建立了孔洞尺寸与孔洞闭合的定量关系。由于实际锻造时, 锻件中空隙缺陷均远远小于锻件尺寸, 所以可以认为空隙性缺陷的尺寸对闭合过程没有影响。

2. 3 高径比对孔洞闭合的影响

     图4为高径比为1.5∶1 的试件随着变形量增加时, 直径Φ20mm 的心部孔洞周围等效应变的变化规律。如图4a 和图4b 所示, 变形量较小时孔洞沿着变形方向被拉长, 没有闭合。随着变形量增加,如图4c 所示, 等效应变的值增加到1.3, 孔洞沿着横向圆角的位置开始闭合, 变形量为35%时, 如图4f 所示, 孔洞完全闭合。由2.1 节中分析可知, 对于高径比为1∶1 的锻件, 当孔洞直径尺寸相同时,闭合孔洞需要的变形量为25%, 而图4中, 孔洞闭合需要的变形量为35%, 说明随着高径比的增加使孔洞闭合难度增加。图4中等效应变的变形规律与高径比为1∶1 时锻件的变化规律相同, 说明变形参数与试样尺寸对闭合的影响最终均反映在等效应变的变化上, 即等效应变达到1.3 左右时, 孔洞开始闭合。孔洞闭合的主要影响因素是等效应变的变化,因此可用孔洞周围的等效应变和静水应力的时间积分作为孔洞闭合的判定值, 即Q值判定, 下节中将对镦粗中孔洞闭合的判定进行详细分析。

2. 4  镦粗过程中孔洞闭合判定

    图5为变形量为15%、20%和25%时, 高径比为1:1 的试件的心部Q值的变化情况。图中试样心部未设置孔洞。通过提取不同变形量下试样心部的Q值, 并与有孔洞试样发生闭合时的变形量进行对应, 分析Q值与孔洞闭合之间的关系, 从而确定孔洞闭合的Q 值判据。从图5a中可看出, 变形量增加到15%时, Q 值开始增加, 但增加不多, 保持在0.1~ 0.2 之间。如图5b所示, 变形量增加到20%后, 心部Q 值增加到0.3, 并随着变形量的增加, 如图5c 所示, Q 值继续增加, 且Q 值超过0.3的部分逐渐扩大。根据2.2 节中分析可知, 孔洞直径小于试样高度的1/10 时, 变形量达到20%时可使得孔洞闭合, 即当Q 值增加到0.3 时, 可认为孔洞闭合。对孔洞直径超过试样高度1/10 的情况, 闭合需要更大的变形量, 因此, 有必要分析Q值的变化与孔洞尺寸的关系。

      为表征孔洞相对于试样尺寸的大小, 采用孔洞直径D与试样高度H之比D/H 作为孔洞相对尺寸。由于本组数值模拟中试样高度H 保持不变, 因此D/H 的变化与孔洞直径D的变化相对应。采用无量纲参数D/H 可减小试样绝对尺寸的影响, 便于比较不同相对尺寸孔洞的闭合规律。图6a为不同尺寸孔洞闭合所需变形量的变化情况。由图6a可知, 随着孔洞尺寸的减小, 闭合所需要变形量减小, 孔洞直径为试样高度的1/2时, 孔洞闭合需要变形量超过了

35%, 孔洞直径减小为试样高度1/10 时, 孔洞闭合需要的变形量为20%, 且随着孔洞尺寸继续减小,闭合所需变形量基本不变。说明了孔洞尺寸相对于锻件尺寸较小时, 孔洞尺寸闭合需要变形量基本一致。根据2.3 节分析可知, 孔洞周围等效应变的变化影响孔洞闭合, 而且跟孔洞周围的应力状态和静水压应力相关, 只有保持三向压应力状态并提高静水压力, 才能确保孔洞闭合。图6b 为不同尺寸孔洞闭合时对应Q 值的变化规律。从图6b 中可以看出,随着孔洞直径的减小, 完全闭合需要的Q 值减小,孔洞直径为试样高度的1/2 时闭合需要的Q 值最大, 其值为1.8, 孔洞尺寸减小为高度的1/5 时,闭合需要的Q 值减小为0.5, 随着孔洞尺寸继续减小时, Q 值继续减小。当孔洞直径尺寸为试样高度的1/10 时, Q 值减小为0.3, 且随着孔洞尺寸继续减小时, Q 保持在0. 3 基本不再变化。由2.2 节分析可知, 孔洞直径与试样高度之比小于1/10 时, 闭合需要的变形量与孔洞尺寸无关, 这与Q 值变化规律一致。因此, 可将Q 值达到0.3 作为钢锭镦粗变形时内部孔洞闭合的临界值。

2. 5 模拟与实验结果对比

    图7为内部直径为1.5 mm 的孔洞的Φ8mm×12 mm 试样变形过程的模拟和实验结果。图7a 为原始孔洞, 直径为1.5 mm, 随着变形量增加, 孔洞逐渐开始沿着变形方向(Z方向) 闭合, 沿着横向方向(X方向) 被拉长; 变形量为10%时, 如图7b所示, 孔洞沿Z 方向的尺寸减小为0.781 mm, 沿X方向的尺寸为1.616 mm; 变形量为15%时, 如图7c 所示, 孔洞沿Z方向的尺寸减小为0.354 mm,沿X 方向的尺寸为1.551 mm, 变形量为20%时, 如图7d 所示, 孔洞沿Z 方向的尺寸减小为0.141 mm,沿X 方向的尺寸为0.842 mm; 变形量为25%时, 如图7e 所示, 孔洞完全闭合。随着变形量的增加, 孔洞沿Z 方向的尺寸减小直到完全闭合, 沿X 方向的尺寸先增加, 当变形量超过15%后开始减小, 孔洞沿着圆角位置开始闭合, 直到变形量达到25%后,孔洞完全闭合。如图7g 所示, 孔洞沿Z 方向的尺寸减小为0. 743 mm, 沿X 方向的尺寸为1. 576 mm;变形量为15%时, 如图7h 所示, 孔洞沿Z 方向的尺寸减小为0. 336 mm, 沿X 方向的尺寸为1. 523 mm; 变形量为20%时, 如图7i 所示, 孔洞沿Z 方向的尺寸减小为0. 124 mm, 沿X 方向的尺寸为0. 831 mm; 变形量为25%时, 如图7j 所示,孔洞完全闭合。通过对比数值模拟和实验后孔洞形状及尺寸可知, 孔洞沿Z 方向和X 方向的尺寸误差均在0. 05 mm 以内, 且孔洞形状变化规律基本一致, 验证了模拟结果的准确性。

     (1) 镦粗变形过程中, 随着变形量增加, 孔洞从圆形逐渐变为椭圆形。变形量增加到20%时, 孔洞横向圆角位置处的等效应变增加为1.1, 且圆角逐渐变为尖角, 并从该位置孔洞开始逐渐闭合; 变形量增加到25%时, 孔洞位置的等效应变为1.3,孔洞完全闭合。说明孔洞周围的等效应变是影响孔洞闭合的主要因素。

   (2) 孔洞尺寸相同时, 随着高径比的增加, 孔洞闭合需要的变形量增加, 但孔洞周围等效应变的演变规律基本一致, 说明高径比主要影响孔洞闭合所需的变形量, 而不改变孔洞闭合规律。

   (3) 孔洞直径与试样高度之比大于1/10 时,孔洞尺寸减小, 闭合所需变形量减小; 孔洞直径与试样高度之比小于1/10 时, 闭合所需变形量基本一致, 并提出用Q 值达到0.3 作为孔洞闭合的临界条件。

   (4) 对比模拟与实验结果可知, 孔洞尺寸变化规律基本一致, Z、X 方向的尺寸误差均在0. 05 mm以内, 验证了模拟的准确性。