基于组织的大型锻件热锻表面开裂准则研究

Heavy forging is of strategic importance to heavy machinery, energy equipment, etc, but surface cracking during hot forging seriously affects its development. Due to the long forging period and complex deformation process of heavy forings, the surface microstructure continuously evolutes (change in grain size and second phase precipitation), which have significant influence on the hot ductility. . In this proposal, we prepare 316LN main pipe steel and 18Mn18Cr0.5N retaining ring steel, and their surface cracking behaviors during hot forging are systematically investigated. The main work includes: 1) To analyze the nucleation and propagation of cracks under different grain size conditions, and to reveal the impact mechanism of grain size on surface cracking; 2) To establish the quantitative relationship between grain size and cracking (The effect of macro-nonuniformity of grain on cracking can be characterized by the effect of grain size in micro-region); 3) To investigate the characteristics of second phase which can promote cracking, and to reveal the impact mechanism; 4) To establish the quantitative relationships between second phase characteristics and cracking; 5) To establish the surface cracking criterion during hot forging for heavy forgings by combining material parameters (characterizing grain and second phase), and to evaluate and optimize it.. Revealing the impact mechanisms of microstructure on surface cracking and the quantitative relationship between microstructure and macro-cracking, and establishing the cracking criterion for heavy forgings are the main innovations.

大型锻件在重型机械和能源装备等领域具有战略地位，而热锻表面开裂严重制约其发展。大型锻件锻造时间长、变形复杂，表层组织不断演化（晶粒尺寸变化和第二相析出），其热塑性也不断改变。. 本项目以316LN核电主管道钢和18Mn18Cr0.5N护环钢为试验材料，对热锻表面开裂行为进行研究。主要计划：1）分析不同晶粒尺寸条件下裂纹的萌生和发展过程，阐明晶粒尺寸对开裂的影响机理；2）确定晶粒尺寸与开裂的定量关系（晶粒宏观不均匀性对开裂的影响，由微区晶粒尺寸的影响来体现）；3）明确可促进开裂的第二相的特性，揭示促进机理；4）确立第二相特性与开裂的定量关系；5）引入表征晶粒和第二相的参数，借鉴经典开裂准则，进而建立大型锻件热锻表面开裂准则，并进行优化和实践。. 揭示组织对开裂的影响机理，确定微观组织与宏观开裂的定量关系，进而建立针对大型锻件的热锻表面开裂准则，是本项目的创新点。

本项目主要研究了晶粒尺寸对开裂的影响机理，晶粒尺寸与开裂的定量关系，第二相对表面开裂的影响机理，第二相特性与开裂的定量关系；最终建立了大型锻件热锻表面开裂准则，并进行了实践。研究表明，在各个温度下变形时，晶粒尺寸越大，材料的热塑性越差。热变形时，大晶粒试样因晶界少而在晶界附近承受的局部应变更大；在均无动态再结晶的情况下，裂纹更易产生。小晶粒试样中新形成的裂纹分散、均匀，裂纹难以迅速扩展。另外，细晶材料在三叉晶界再结晶后，裂纹旁边的晶粒更容易转动为低Taylor因子，止裂作用更显著。晶粒尺寸对塑性的影响基本为线性，获得了晶粒尺寸与开裂的定量关系。对开裂有促进作用的第二相主要沿晶界分布，包括颗粒状的和条带状的。由于本身塑性差、与基体不共格,颗粒状第二相相当于损伤中的孔洞，条带状第二相相当于孔洞彼此相连而形成的微裂纹。并不是所有的晶界都会析出第二相，在随机大角晶界和Σ27晶界上均会析出第二相，在0%的小角晶界、5%的Σ3晶界、75%的Σ9晶界上会析出第二相。因此，可以借用晶界特征分布来表征材料的第二相析出特性。建立了不同第二相析出特性和断面收缩率之间的定量关系。通过理论分析和试验研究，首先建立了变形时微观局部应变与宏观试验测定断面收缩率的联系；然后建立了断面收缩率与试验设定变形条件的关系；之后分析了晶粒尺寸和第二相对断面收缩率的影响；最终建立基于组织的大型锻件热锻表面开裂准则。对所建立的开裂准则进行了实践，发现了连续冷却对开裂的影响，揭示了其影响机理。并发现，在将来的工作中，开裂准则应考虑变形过程中连续降低的温度和远低于传统热加工的变形速率。本项目针对大型锻件热锻表面开裂的特殊性，研究了组织对热锻表面开裂的影响机理，将具有明确物理意义的材料参数引入到开裂准则中，建立了适用于大型锻件的热锻表面开裂准则。研究成果对丰富和拓展大型锻件热锻表面开裂的预测理论和控制方法具有促进作用。