大型锻件坯料内裂纹愈合的物理模拟

工程科学学报，第39卷，第11期：1674-1683,2017年11月 Chinese Journal of Engineering,Vol.39,No.11:1674-1683,November 2017 D0l:10.13374/j.issn2095-9389.2017.11.010:http://journals..ustb.edu.cn 大型锻件坯料内裂纹愈合的物理模拟 米国发”，张军强2》，徐斌23》四，孙明月2》 1)河南理工大学材料科学与工程学院，焦作4540002)中国科学院金属研究所沈阳材料科学国家（联合）实验室，沈阳110016 3)中国科学院金属研究所核用材料与安全评价重点实验室，沈阳110016 ☒通信作者，E-mail:bxu@imr.ac.cn 摘要针对锻造过程中钢锭内部裂纹缺陷的愈合情况进行研究，设计了裂纹愈合的实验室模拟实验与工业级模拟实验 通过在Gl©ble热压缩试样中预制裂纹缺陷，研究了变形温度和变形量对内部裂纹愈合的影响，发现变形温度越高，变形量越 大，内裂纹的愈合效果越好.为了验证Gleeble实验结果的准确性，保证其结果在实际锻造生产中的适用性，设计了锻件内部 裂纹愈合的工业级模拟实验.结果表明在1200℃，变形量为40%时，可以有效焊合锻件内部裂纹 关键词大型锻件：内裂纹：愈合：变形：变形温度 分类号TG142.11:TG142.15 Physical simulation of internal crack healing in a heavy-forged billet MI Guofa,ZHANG Jun-qiang,XU Bin,SUN Ming-yue) 1)School of Material Science and Engineering,Henan Polytechnic University,Jiaozuo 454000,China 2)Shenyang National Laboratory for Materials Science,Institute of Metal Research,Chinese Academy of Sciences,Shenyang 110016,China 3)Key Laboratory of Nuclear Materials and Safety Assessment,Institute of Metal Research,Chinese Academy of Sciences,Shenyang 110016,China Corresponding author,E-mail:bxu@imr.ac.cn ABSTRACT The healing behavior of internal cracks in an ingot during the forging process was investigated using laboratory and in- dustrial simulation studies.During the laboratory experiment,specimens with artificial cracks were hot compressed by a Gleeble simu- lator,and the effect of temperature and deformation ratio on inner crack healing was studied.The experimental result shows that the higher the deformation temperature or greater the deformation,the better the healing effect.To verify the accuracy and applicability of the result in an actual forging process,an industrial experiment was designed and performed.The result shows that internal cracks can be effectively metallurgically bonded at a temperature of 1200C and deformation ratio of 40%. KEY WORDS heavy forging:internal cracks:healing:deformation:deformation temperature 大型锻件是大型成套设备的核心零部件，在国民 件差、安全可靠性要求高等特点，质量要求极为严格，必须 经济建设、国防装备发展和现代尖端科学技术重大工 通过锻造加工成形，以改善组织，修复缺陷，提高性能，满 程的建设中，起着非常重要的作用，被广泛应用于电 足零件服役的强度要求和工作环境的特殊要求 力、治金、造船、石油化工、核能、航空航天和国防军工 大型钢锭的凝固过程决定了材料内部不可避免地 领域0.大锻件一般重达几吨至几百吨，典型的大锻 会存在各种缺陷，内部空洞及中心缺陷是大锻件缺陷 件有水轮机大轴、发电机转子、核反应堆壳体、轧辊、大 的重要形式.内部空洞的存在破坏了金属的连续性， 型曲轴和齿轮等，这些关键零部件具有载荷大、工作条 容易形成应力集中与裂纹损伤，导致锻件寿命缩短以 收稿日期：201703-20 基金项目：国家自然科学基金-辽宁联合基金资助项目(U1508215):国家重点研发计划资助项目(2016YB0300401):辽宁百千万人才工程项 目【2015】12资助项目

工程科学学报，第 39 卷，第 11 期: 1674--1683，2017 年 11 月 Chinese Journal of Engineering，Vol． 39，No． 11: 1674--1683，November 2017 DOI: 10． 13374 /j． issn2095--9389． 2017． 11． 010; http: / /journals． ustb． edu． cn 大型锻件坯料内裂纹愈合的物理模拟 米国发1) ，张军强1，2) ，徐 斌2，3) ，孙明月2，3) 1) 河南理工大学材料科学与工程学院，焦作 454000 2) 中国科学院金属研究所沈阳材料科学国家( 联合) 实验室，沈阳 110016 3) 中国科学院金属研究所核用材料与安全评价重点实验室，沈阳 110016  通信作者，E-mail: bxu@ imr． ac． cn 摘 要 针对锻造过程中钢锭内部裂纹缺陷的愈合情况进行研究，设计了裂纹愈合的实验室模拟实验与工业级模拟实验． 通过在 Gleeble 热压缩试样中预制裂纹缺陷，研究了变形温度和变形量对内部裂纹愈合的影响，发现变形温度越高，变形量越 大，内裂纹的愈合效果越好． 为了验证 Gleeble 实验结果的准确性，保证其结果在实际锻造生产中的适用性，设计了锻件内部 裂纹愈合的工业级模拟实验． 结果表明在 1200 ℃，变形量为 40% 时，可以有效焊合锻件内部裂纹． 关键词 大型锻件; 内裂纹; 愈合; 变形; 变形温度 分类号 TG142. 1 + 1; TG142. 1 + 5 Physical simulation of internal crack healing in a heavy-forged billet MI Guo-fa1) ，ZHANG Jun-qiang1，2) ，XU Bin2，3)  ，SUN Ming-yue2，3) 1) School of Material Science and Engineering，Henan Polytechnic University，Jiaozuo 454000，China 2) Shenyang National Laboratory for Materials Science，Institute of Metal Ｒesearch，Chinese Academy of Sciences，Shenyang 110016，China 3) Key Laboratory of Nuclear Materials and Safety Assessment，Institute of Metal Ｒesearch，Chinese Academy of Sciences，Shenyang 110016，China  Corresponding author，E-mail: bxu@ imr． ac． cn ABSTＲACT The healing behavior of internal cracks in an ingot during the forging process was investigated using laboratory and in￾dustrial simulation studies． During the laboratory experiment，specimens with artificial cracks were hot compressed by a Gleeble simu￾lator，and the effect of temperature and deformation ratio on inner crack healing was studied． The experimental result shows that the higher the deformation temperature or greater the deformation，the better the healing effect． To verify the accuracy and applicability of the result in an actual forging process，an industrial experiment was designed and performed． The result shows that internal cracks can be effectively metallurgically bonded at a temperature of 1200 ℃ and deformation ratio of 40% ． KEY WOＲDS heavy forging; internal cracks; healing; deformation; deformation temperature 收稿日期: 2017--03--20 基金项目: 国家自然科学基金--辽宁联合基金资助项目( U1508215) ; 国家重点研发计划资助项目( 2016YFB0300401) ; 辽宁百千万人才工程项 目【2015】12 资助项目 大型锻件是大型成套设备的核心零部件，在国民 经济建设、国防装备发展和现代尖端科学技术重大工 程的建设中，起着非常重要的作用，被广泛应用于电 力、冶金、造船、石油化工、核能、航空航天和国防军工 领域［1］． 大锻件一般重达几吨至几百吨，典型的大锻 件有水轮机大轴、发电机转子、核反应堆壳体、轧辊、大 型曲轴和齿轮等，这些关键零部件具有载荷大、工作条 件差、安全可靠性要求高等特点，质量要求极为严格，必须 通过锻造加工成形，以改善组织，修复缺陷，提高性能，满 足零件服役的强度要求和工作环境的特殊要求［2--5］． 大型钢锭的凝固过程决定了材料内部不可避免地 会存在各种缺陷，内部空洞及中心缺陷是大锻件缺陷 的重要形式． 内部空洞的存在破坏了金属的连续性， 容易形成应力集中与裂纹损伤，导致锻件寿命缩短以

米国发等：大型锻件坯料内裂纹愈合的物理模拟 1675· 致报废6.在我国，大多数大型锻件报废的原因是探 室模拟结果设计工业级模拟实验，分析工业级模拟实 伤结果达不到检验标准，而锻件内部原有的空洞型缺 验中的裂纹愈合效果 陷未能有效焊合是探伤不能达到标准的重要原因之 一四.工程上通常采取设计新的锻造工艺的方式消 1大型锻件锻造过程实验室模拟 除铸锭内部的空洞缺陷对锻件质量的影响四，但是， 1.1实验材料及模拟方案 怎样设计新的锻造工艺更利于空洞型缺陷的锻合，减 MC5钢是常用的冷轧辊用钢，这种钢属于高碳过 小裂纹缺陷的产生，各种说法不一，大锻件内部缺陷的 共析钢，它具有优良的淬透性、耐磨性、抗疲劳性能，因 消除至今在很大程度上仍然依靠经验 而被广泛地应用.冷轧辊的锻坯一般由MC5电渣重 本文围绕大型锻件的裂纹缺陷问题开展了研究. 熔钢锭经锻造而成，热加工过程中易产生裂纹缺陷，导 利用Gleeble3800热力模拟实验机开展实验室级别的 致锻件产品质量不合格或者提前报废，因而本文选择 物理模拟实验，通过在变形试样中预制裂纹的方法模 MC5冷轧辊用钢作为实验材料，研究锻造工艺对其内 拟大型锻件中的裂纹缺陷，研究不同变形条件对锻件 部裂纹的愈合的影响.本实验所使用的MC5钢的材 内部裂纹愈合的影响.根据大型锻件锻造过程的实验 料成分如表1所示 表1MC5钢成分表（质量分数） Table 1 Chemical composition of MC5 steel C Mn Cr Ni Mo V Fe 0.86 0.52 0.36 <0.015 <0.012 4.95 0.39 0.32 0.18 余量 模拟方案是通过在实验试样中预制裂纹，然后在 则形状的空隙，空隙分布没有定量规则可循.这些空 不同的变形条件下压缩MC5钢试样，分析不同变形条 隙类似于大型锻件中的裂纹缺陷，因而，可采取这种方 件对内部裂纹愈合的影响.本文依据Gleeble38O0热 法，在试样中预制裂纹，然后对试样进行变形实验，模 力模拟实验机的实验条件设计了裂纹愈合研究实验 拟大型锻件中裂纹缺陷的愈合过程 实验制备了外形尺寸为10mm×10mm×6mm的MC5 本实验针对变形温度和变形量对锻件内部裂纹愈 钢试样，其表面采用粗砂纸磨去氧化皮，然后将两块试 合的影响设计了Gleeble模拟实验.研究变形温度对 样叠在一起，放入Gleeble3800热力模拟实验机中进行 内部裂纹愈合的影响时，考虑到变形量较小时可能无 单向压缩实验 法明确观察锻件的内部裂纹愈合情况，因此将变形量 图I所示是Gleeble实验的示意图.试样变形过 设计为单次压下40%.确定合适的变形温度后，再研 程一直处于真空环境中，真空度为100Pa.变形试样 究变形量对内部裂纹愈合的影响，最终选取最佳变形 夹持在压头之间，试样与压头之间放置了石墨片，石 温度及变形量 墨片具有润滑作用，可减小试样与压头之间的摩擦 变形过程中左侧压头在液压压力作用下向右移动压 缩试样，使试样发生变形.在变形过程中，Gleeble 3800实验机可保持试样温度不变，达到模拟锻造变 形的目的 真空环境 图2 Gleeble试样界面示意图 ,石墨片 Fig.2 Schematic diagram of the interface of the Gleeble specimen 不 模拟实验方案如表2所示.实验过程中，变形前 的加热速度为10℃·s,加热至变形温度后，保温120 试样 s再开始变形，变形后保温以消除锻件内部变形应力 压头 实验结束后，空冷试样 图1 Gleeble实验示意图 1.2实验室模拟结果分析 Fig.1 Schematic diagram of the Gleeble experiment 为了确定压缩变形过程中试样界面受力变形情 况，采用Deform3D有限元软件对试样变形过程中的 粗砂纸磨过的试样表面残留着大量磨痕，把两个 应力应变情况进行了分析.建立尺寸为10mm×10mm× 试样叠加在一起后，两个试样的接触界面的状态如图 12mm的方形坯料的单向压缩有限元模型，坯料的 2所示.两个试样界面并没有完全接触，而是存在不规 初始温度设为1200℃，坯料与空气之间的传热，坯料

米国发等: 大型锻件坯料内裂纹愈合的物理模拟 致报废［6--8］． 在我国，大多数大型锻件报废的原因是探 伤结果达不到检验标准，而锻件内部原有的空洞型缺 陷未能有效焊合是探伤不能达到标准的重要原因之 一［9--12］． 工程上通常采取设计新的锻造工艺的方式消 除铸锭内部的空洞缺陷对锻件质量的影响［13］，但是， 怎样设计新的锻造工艺更利于空洞型缺陷的锻合，减 小裂纹缺陷的产生，各种说法不一，大锻件内部缺陷的 消除至今在很大程度上仍然依靠经验［14］． 本文围绕大型锻件的裂纹缺陷问题开展了研究． 利用 Gleeble 3800 热力模拟实验机开展实验室级别的 物理模拟实验，通过在变形试样中预制裂纹的方法模 拟大型锻件中的裂纹缺陷，研究不同变形条件对锻件 内部裂纹愈合的影响． 根据大型锻件锻造过程的实验 室模拟结果设计工业级模拟实验，分析工业级模拟实 验中的裂纹愈合效果． 1 大型锻件锻造过程实验室模拟 1. 1 实验材料及模拟方案 MC5 钢是常用的冷轧辊用钢，这种钢属于高碳过 共析钢，它具有优良的淬透性、耐磨性、抗疲劳性能，因 而被广泛地应用． 冷轧辊的锻坯一般由 MC5 电渣重 熔钢锭经锻造而成，热加工过程中易产生裂纹缺陷，导 致锻件产品质量不合格或者提前报废，因而本文选择 MC5 冷轧辊用钢作为实验材料，研究锻造工艺对其内 部裂纹的愈合的影响． 本实验所使用的 MC5 钢的材 料成分如表 1 所示． 表 1 MC5 钢成分表( 质量分数) Table 1 Chemical composition of MC5 steel % C Si Mn P S Cr Ni Mo V Fe 0. 86 0. 52 0. 36 ＜ 0. 015 ＜ 0. 012 4. 95 0. 39 0. 32 0. 18 余量 模拟方案是通过在实验试样中预制裂纹，然后在 不同的变形条件下压缩 MC5 钢试样，分析不同变形条 件对内部裂纹愈合的影响． 本文依据 Gleeble 3800 热 力模拟实验机的实验条件设计了裂纹愈合研究实验． 实验制备了外形尺寸为 10 mm × 10 mm × 6 mm 的 MC5 钢试样，其表面采用粗砂纸磨去氧化皮，然后将两块试 样叠在一起，放入 Gleeble3800 热力模拟实验机中进行 单向压缩实验． 图 1 所示是 Gleeble 实验的示意图． 试样变形过 程一直处于真空环境中，真空度为 100 Pa． 变形试样 夹持在压头之间，试样与压头之间放置了石墨片，石 墨片具有润滑作用，可减小试样与压头之间的摩擦． 变形过程中左侧压头在液压压力作用下向右移动压 缩试样，使 试 样 发 生 变 形． 在 变 形 过 程 中，Gleeble 3800 实验机可保持试样温度不变，达到模拟锻造变 形的目的． 图 1 Gleeble 实验示意图 Fig． 1 Schematic diagram of the Gleeble experiment 粗砂纸磨过的试样表面残留着大量磨痕，把两个 试样叠加在一起后，两个试样的接触界面的状态如图 2 所示． 两个试样界面并没有完全接触，而是存在不规 则形状的空隙，空隙分布没有定量规则可循． 这些空 隙类似于大型锻件中的裂纹缺陷，因而，可采取这种方 法，在试样中预制裂纹，然后对试样进行变形实验，模 拟大型锻件中裂纹缺陷的愈合过程． 本实验针对变形温度和变形量对锻件内部裂纹愈 合的影响设计了 Gleeble 模拟实验． 研究变形温度对 内部裂纹愈合的影响时，考虑到变形量较小时可能无 法明确观察锻件的内部裂纹愈合情况，因此将变形量 设计为单次压下 40% ． 确定合适的变形温度后，再研 究变形量对内部裂纹愈合的影响，最终选取最佳变形 温度及变形量． 图 2 Gleeble 试样界面示意图 Fig． 2 Schematic diagram of the interface of the Gleeble specimen 模拟实验方案如表 2 所示． 实验过程中，变形前 的加热速度为 10 ℃·s － 1，加热至变形温度后，保温 120 s 再开始变形，变形后保温以消除锻件内部变形应力． 实验结束后，空冷试样． 1. 2 实验室模拟结果分析 为了确定压缩变形过程中试样界面受力变形情 况，采用 Deform 3D 有限元软件对试样变形过程中的 应力应变情况进行了分析． 建立尺寸为 10 mm × 10 mm × 12 mm的 方 形 坯 料 的 单 向 压 缩 有 限 元 模 型，坯 料 的 初始温度设为1200℃ ，坯料与空气之间的传热，坯料 · 5761 ·

·1676 工程科学学报，第39卷，第11期 表2 Gleeble模拟实验方案 砧子与试样之间的摩擦系数设为0.3.上砧子的压下 Table 2 Simulation scheme of the Gleeble experiment 速度为l.44mms',这一速度根据Gleeble实验中实 试样 变形温度/变形量/应变速率/压后保温冷却 际的应变速率而定.如图3所示是不同压缩变形量 编号 81 时间/s 方式 时，试样界面的应力应变变化情况.图3(a)是界面位 1 1000 40 0.01 300 置等效应力随着压缩量逐渐增大的变化情况，从图中 2 1100 40 0.01 300 可以看出，随着压缩量增大，界面位置等效应力逐渐增 3 1200 40 0.01 300 大，且界面中心位置的应力值高于界面四分之一处，各 4 1200 10 0.01 300 空冷 位置如图4所示.图3(b)是界面位置等效应变随着 5 1200 20 0.01 300 压缩量逐渐增大的变化情况，可以看出，随着压缩量增 6 1200 30 0.01 300 大，界面位置等效应变逐渐增大，界面中心位置的应力 7 1200 % 0.01 300 值高于界面四分之一处，各位置如图4所示.由此可 知不同压缩变形量时，试样界面所产生的应力应变是 与砧子之间的传热，以及坯料自身的辐射传热均为0， 不同的 12 @ 一试样界而四分之一处 b 一试样界面四分之一处 50/ 试样界面中心 试样界面中心 1.0 50 0.8 06 30 20 10 0.2 10 20 30 50 20 30 40 压缩量/% 压缩量/% 图3试样界面的应力应变.(a)等效应力：(b)等效应变 Fig.3 Stress and strain on the Gleeble specimen's interface:(a)effective stress:(b)effective strain 为了分析变形温度和变形量对内部裂纹愈合的影 界面特征.但从晶粒大小的均匀性来看，变形温度低 响，把Gleeble试样进行解剖分析，将压缩变形后的试 的试样界面中心位置存在一些小晶粒，与基体晶粒尺 样沿着轴线剖为两半，图4所示，是Gleeble试样的解 寸相差很大，这些小晶粒的形成原因有两种可能，一是 剖面示意图，图中标出了界面的中心位置，界面四分之 因为晶粒取向的不同，在金相观察的解剖面上观察到 一处.微观组织分析中，将在试样界面的中心、四分之 的小晶粒可能只是大晶粒的一部分：另一种可能是形 一处取样分析.解剖后的试样使用硝酸酒精溶液腐 变之后原始组织发生变形拉长，有一定的形变能存在， 蚀，在金相显微镜下观察其界面愈合情况 且由于温度较高，很容易发生再结晶形核和晶粒长大， 晶粒长大过程中晶界的迁移是使晶界曲率半径向无穷 大的方向移动，即存在着使晶界变得平直、大晶粒吞并 界面中心 小晶粒的趋势，因此较小尺寸晶粒在形核、长大后的生 长是受限的.从小晶粒形成原因的第二种可能性考 虑，温度越高就可使界面愈合得越充分 四分之一处 图6所示是不同变形温度下试样界面四分之一处 (即界面中心到边缘的二分之一处)的微观组织形貌. 图4 Gleeble试样解剖面示意图 从图中可以看出，在1000℃变形的试样界面的四分之 Fig.4 Schematic of the section of Gleeble specimen 处有明显的界面特征，试样界面两端的晶界均是直 线晶界，这说明界面转化为晶界，未发生迁移：在 1.2.1变形温度对内裂纹愈合的影响 1100℃变形试样界面的四分之一处也可观察到界面 图5所示是不同变形温度下试样界面中心位置的 特征，界面特征也是一条沿着界面延伸的晶界，界面中 微观组织形貌.从图中可以看出，在压下量为40%时， 间有三叉晶界的存在，三叉晶界是因晶界迁移而成，这 不同变形温度下试样心部界面完全愈合，没有观察到

工程科学学报，第 39 卷，第 11 期 表 2 Gleeble 模拟实验方案 Table 2 Simulation scheme of the Gleeble experiment 试样 编号 变形温度/ ℃ 变形量/ % 应变速率/ s － 1 压后保温 时间/ s 冷却 方式 1 1000 40 0. 01 300 2 1100 40 0. 01 300 3 1200 40 0. 01 300 4 1200 10 0. 01 300 空冷 5 1200 20 0. 01 300 6 1200 30 0. 01 300 7 1200 50 0. 01 300 与砧子之间的传热，以及坯料自身的辐射传热均为 0， 砧子与试样之间的摩擦系数设为 0. 3． 上砧子的压下 速度为 1. 44 mm·s － 1，这一速度根据 Gleeble 实验中实 际的应变速率而定． 如图 3 所示是不同压缩变形量 时，试样界面的应力应变变化情况． 图 3( a) 是界面位 置等效应力随着压缩量逐渐增大的变化情况，从图中 可以看出，随着压缩量增大，界面位置等效应力逐渐增 大，且界面中心位置的应力值高于界面四分之一处，各 位置如图 4 所示． 图 3( b) 是界面位置等效应变随着 压缩量逐渐增大的变化情况，可以看出，随着压缩量增 大，界面位置等效应变逐渐增大，界面中心位置的应力 值高于界面四分之一处，各位置如图 4 所示． 由此可 知不同压缩变形量时，试样界面所产生的应力应变是 不同的． 图 3 试样界面的应力应变． ( a) 等效应力; ( b) 等效应变 Fig． 3 Stress and strain on the Gleeble specimen’s interface: ( a) effective stress; ( b) effective strain 为了分析变形温度和变形量对内部裂纹愈合的影 响，把 Gleeble 试样进行解剖分析，将压缩变形后的试 样沿着轴线剖为两半，图 4 所示，是 Gleeble 试样的解 剖面示意图，图中标出了界面的中心位置，界面四分之 一处． 微观组织分析中，将在试样界面的中心、四分之 一处取样分析． 解剖后的试样使用硝酸酒精溶液腐 蚀，在金相显微镜下观察其界面愈合情况． 图 4 Gleeble 试样解剖面示意图 Fig． 4 Schematic of the section of Gleeble specimen 1. 2. 1 变形温度对内裂纹愈合的影响 图 5 所示是不同变形温度下试样界面中心位置的 微观组织形貌． 从图中可以看出，在压下量为 40% 时， 不同变形温度下试样心部界面完全愈合，没有观察到 界面特征． 但从晶粒大小的均匀性来看，变形温度低 的试样界面中心位置存在一些小晶粒，与基体晶粒尺 寸相差很大，这些小晶粒的形成原因有两种可能，一是 因为晶粒取向的不同，在金相观察的解剖面上观察到 的小晶粒可能只是大晶粒的一部分; 另一种可能是形 变之后原始组织发生变形拉长，有一定的形变能存在， 且由于温度较高，很容易发生再结晶形核和晶粒长大， 晶粒长大过程中晶界的迁移是使晶界曲率半径向无穷 大的方向移动，即存在着使晶界变得平直、大晶粒吞并 小晶粒的趋势，因此较小尺寸晶粒在形核、长大后的生 长是受限的． 从小晶粒形成原因的第二种可能性考 虑，温度越高就可使界面愈合得越充分． 图 6 所示是不同变形温度下试样界面四分之一处 ( 即界面中心到边缘的二分之一处) 的微观组织形貌． 从图中可以看出，在 1000 ℃变形的试样界面的四分之 一处有明显的界面特征，试样界面两端的晶界均是直 线晶 界，这 说 明 界 面 转 化 为 晶 界，未 发 生 迁 移; 在 1100 ℃变形试样界面的四分之一处也可观察到界面 特征，界面特征也是一条沿着界面延伸的晶界，界面中 间有三叉晶界的存在，三叉晶界是因晶界迁移而成，这 · 6761 ·

米国发等：大型锻件坯料内裂纹愈合的物理模拟 ·1677· (b) 100 图5不同变形温度下Gleeble试样界面中心位置微观组织（原始界面为竖直方向）.(a)1000℃：(b)1100℃：(c)1200℃ Fig.5 Microstructure of the interface at the center of the Gleeble specimen under different deformation temperatures (the original interface is verti- cal):(a)1000℃：(b)1100℃：(c)1200℃ 表明，此处界面已通过原子扩散而焊合.在1200℃变 的差异是其界面愈合程度不同的主要原因 形试样界面的四分之一处没有观察到界面特征，晶粒 根据以上分析结果可知，变形温度越高，试样内部 大小与基体的晶粒大小基本相同，个别地方存在小晶 界面愈合效果越好，在锻造过程中，越有利于锻件内部 粒.说明变形温度越高，对于消除锻件内部裂纹缺陷 裂纹缺陷的愈合， 的作用越大，裂纹消除率越高. 1.2.2变形量对内裂纹愈合的影响 针对Gleeble试样界面中心与界面四分之一处结 根据变形温度对内部裂纹愈合的影响，设计了在 合情况的差异，对试样剖面的应力应变状态进行了分 1200℃下的不同变形量的实验，研究变形量对内部裂 析.图7所示是方形坯料压缩40%后相同剖面上应力 纹愈合的影响. 应变分布状态.模拟中是将两个10mm×10mm×6mm 图8所示是变形温度1200℃时，不同变形量的试 的试样当作一个整体进行压缩模拟计算，试样二分之 样界面中心位置的微观组织形貌，从图中可以发现，不 一水平位置即为界面位置.由于实际的Gleeble实验 同变形量情况下，试样界面中心均没有界面特征.但 中试样是沿水平方向垂直界面压缩变形，而模拟中是 是，变形量为10%和20%时界面位置晶粒尺寸均匀性 沿高度方向垂直界面压缩变形，因此，此处所示界面与 较差.压下量为30%、40%和50%的试样界面中心部 进行试样界面是垂直关系，实际界面位置是一致的. 位没有任何界面特征，晶粒尺寸大小较为均匀，界面愈 从图7(b)中可以看出试样中心位置的应变量大于四合良好. 分之一处，图7(a)是Y轴应力的分布情况，Y轴应力 图9所示是变形温度1200℃时，不同变形量的试 与界面垂直，相当于界面正应力，应力值为负，表示应 样界面四分之一处的微观组织形貌，可见变形量为 力状态为压应力状态.从图中可以看出界面中心的正 10%和20%的试样界面可观察到界面特征，界面两侧 压应力大于界面四分之一处的正压应力.Gleeble试样 存在较多的未被完全吞并的小晶粒.变形量为30% 中界面焊合实质是金属的固相连接，在相同的温度下， 时，界面特征不明显，但可在界面位置观察到未被完全 应变量越大，金属界面所受到的正压应力越大，越有利 吞并的小晶粒.变形量为40%和50%的试样界面处 于金属固相界面焊合5-.由此可见，相同变形条件 没有观察到界面特征，晶粒尺寸均匀，有个别小晶粒 下，Gleeble试样界面中心与界面四分之一处应力应变 存在

米国发等: 大型锻件坯料内裂纹愈合的物理模拟 图 5 不同变形温度下 Gleeble 试样界面中心位置微观组织( 原始界面为竖直方向) ． ( a) 1000 ℃ ; ( b) 1100 ℃ ; ( c) 1200 ℃ Fig． 5 Microstructure of the interface at the center of the Gleeble specimen under different deformation temperatures ( the original interface is verti￾cal) : ( a) 1000 ℃ ; ( b) 1100 ℃ ; ( c) 1200 ℃ 表明，此处界面已通过原子扩散而焊合． 在 1200 ℃ 变 形试样界面的四分之一处没有观察到界面特征，晶粒 大小与基体的晶粒大小基本相同，个别地方存在小晶 粒． 说明变形温度越高，对于消除锻件内部裂纹缺陷 的作用越大，裂纹消除率越高． 针对 Gleeble 试样界面中心与界面四分之一处结 合情况的差异，对试样剖面的应力应变状态进行了分 析． 图 7 所示是方形坯料压缩 40% 后相同剖面上应力 应变分布状态． 模拟中是将两个 10 mm × 10 mm × 6 mm 的试样当作一个整体进行压缩模拟计算，试样二分之 一水平位置即为界面位置． 由于实际的 Gleeble 实验 中试样是沿水平方向垂直界面压缩变形，而模拟中是 沿高度方向垂直界面压缩变形，因此，此处所示界面与 进行试样界面是垂直关系，实际界面位置是一致的． 从图 7( b) 中可以看出试样中心位置的应变量大于四 分之一处，图 7( a) 是 Y 轴应力的分布情况，Y 轴应力 与界面垂直，相当于界面正应力，应力值为负，表示应 力状态为压应力状态． 从图中可以看出界面中心的正 压应力大于界面四分之一处的正压应力． Gleeble 试样 中界面焊合实质是金属的固相连接，在相同的温度下， 应变量越大，金属界面所受到的正压应力越大，越有利 于金属固相界面焊合［15--16］． 由此可见，相同变形条件 下，Gleeble 试样界面中心与界面四分之一处应力应变 的差异是其界面愈合程度不同的主要原因． 根据以上分析结果可知，变形温度越高，试样内部 界面愈合效果越好，在锻造过程中，越有利于锻件内部 裂纹缺陷的愈合． 1. 2. 2 变形量对内裂纹愈合的影响 根据变形温度对内部裂纹愈合的影响，设计了在 1200 ℃ 下的不同变形量的实验，研究变形量对内部裂 纹愈合的影响． 图 8 所示是变形温度 1200 ℃ 时，不同变形量的试 样界面中心位置的微观组织形貌，从图中可以发现，不 同变形量情况下，试样界面中心均没有界面特征． 但 是，变形量为 10% 和 20% 时界面位置晶粒尺寸均匀性 较差． 压下量为 30% 、40% 和 50% 的试样界面中心部 位没有任何界面特征，晶粒尺寸大小较为均匀，界面愈 合良好． 图 9 所示是变形温度 1200 ℃ 时，不同变形量的试 样界面四分之一处的微观组织形貌，可见变形量为 10% 和 20% 的试样界面可观察到界面特征，界面两侧 存在较多的未被完全吞并的小晶粒． 变形量为 30% 时，界面特征不明显，但可在界面位置观察到未被完全 吞并的小晶粒． 变形量为 40% 和 50% 的试样界面处 没有观察到界面特征，晶粒尺寸均匀，有个别小晶粒 存在． · 7761 ·

·1678· 工程科学学报，第39卷，第11期 b 100y 100 图6不同变形温度下G1cble试样界面四分之一处微观组织（原始界面为竖直方向）.(a)1000℃：(b)1100℃：(c)1200℃ Fig.6 Microstructure of the interface at a quarter cross-section of the Gleeble specimen under different deformation temperatures (the original inter- face is vertical):(a)1000℃：(b)1100℃：(c)1200℃ 轴应力/MPa 应变 a -50 09 -100 0.6 -150 0.3 Lx 图7 Gleeble试样变形情况.(a)应力分布：(b)应变分布 Fig.7 Deformation of the Gleeble specimen:(a)stress distribution:(b)strain distribution 根据以上相同温度下，不同变形量时，试样内部界 虑Gleeble模拟实验与实际锻件锻造过程的差异，根据 面的愈合效果分析结果可以发现，在高温条件下，变形 Gleeble物理模拟实验的结果，设计了大型锻件锻造过 量越大越有利于试样内部界面的焊合，也就有利于锻 程的工业级模拟实验，分析锻造工艺对大型锻件内部 件内部裂纹缺陷的愈合 裂纹愈合的影响. 2大型锻件锻造过程工业级模拟 2.1工业级内裂纹愈合实验设计 2.1.1实验材料制备 Gleeble模拟实验有效地分析了变形温度和变形 工业级模拟实验的材料为MC5钢，与Gleeble模 压缩量对锻件内部裂纹缺陷愈合的影响，可以在一定 拟实验一致.制备规格为150mm×150mm×90mm的 程度上作为评价锻造方法优劣和锻造工艺应用的依 MC5钢板两块，这样两块钢板叠加后的尺寸即为 据.由于Gleeble实验的模拟条件较为理想，与实际的 150mm×150mm×180mm,坯料初始高径比就与 锻件锻造工艺还有一定的差距，比如温度、摩擦等.考 Gleeble试样相同.钢板表面用砂轮打磨至无肉眼可见

工程科学学报，第 39 卷，第 11 期 图 6 不同变形温度下 Gleeble 试样界面四分之一处微观组织( 原始界面为竖直方向) ． ( a) 1000 ℃ ; ( b) 1100 ℃ ; ( c) 1200 ℃ Fig． 6 Microstructure of the interface at a quarter cross-section of the Gleeble specimen under different deformation temperatures ( the original inter￾face is vertical) : ( a) 1000 ℃ ; ( b) 1100 ℃ ; ( c) 1200 ℃ 图 7 Gleeble 试样变形情况． ( a) 应力分布; ( b) 应变分布 Fig． 7 Deformation of the Gleeble specimen: ( a) stress distribution; ( b) strain distribution 根据以上相同温度下，不同变形量时，试样内部界 面的愈合效果分析结果可以发现，在高温条件下，变形 量越大越有利于试样内部界面的焊合，也就有利于锻 件内部裂纹缺陷的愈合． 2 大型锻件锻造过程工业级模拟 Gleeble 模拟实验有效地分析了变形温度和变形 压缩量对锻件内部裂纹缺陷愈合的影响，可以在一定 程度上作为评价锻造方法优劣和锻造工艺应用的依 据． 由于 Gleeble 实验的模拟条件较为理想，与实际的 锻件锻造工艺还有一定的差距，比如温度、摩擦等． 考 虑 Gleeble 模拟实验与实际锻件锻造过程的差异，根据 Gleeble 物理模拟实验的结果，设计了大型锻件锻造过 程的工业级模拟实验，分析锻造工艺对大型锻件内部 裂纹愈合的影响． 2. 1 工业级内裂纹愈合实验设计 2. 1. 1 实验材料制备 工业级模拟实验的材料为 MC5 钢，与 Gleeble 模 拟实验一致． 制备规格为 150 mm × 150 mm × 90 mm 的 MC5 钢板 两 块，这 样 两 块 钢 板 叠 加 后 的 尺 寸 即 为 150 mm × 150 mm × 180 mm，坯 料 初 始 高 径 比 就 与 Gleeble 试样相同． 钢板表面用砂轮打磨至无肉眼可见 · 8761 ·