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 ·

米国发等：大型锻件坯料内裂纹愈合的物理模拟 ·1679· 小品粒 007 c d 100n 10 图8不同变形量下Gleeble试样界面中心的微观组织（原始界面为整直方向）.(a)10%:(b)20%:(c)30%:(d)40%:(e)50% Fig.8 Microstructure of the interface at the center of the Gleeble specimen under different reductions (the original interface is vertical):(a)10%: (b)20%:(c)30%:(d)40%:(e)50% 的氧化皮，并进行清洗，保证表面洁净.然后，把钢板 有示踪物的试样界面位置，便于准确分析实验内部的 按照图10所示的方式叠放在一起，将两块钢板接触界 裂纹愈合情况. 面一周封焊，并保证封焊过程中界面不受污染，内部仍 2.1.2锻造过程与分析方法 为界面接触状态，模拟锻件坯料中的裂纹缺陷 根据Gleeble实验的结果可知，锻造过程中，变形 MC5钢板通过上述方式连接后，钢板界面形貌也 温度越高、变形量越大，越有利于锻件内部裂纹的愈 可用图2所示的界面状态表示.锻造之前，MC5钢板 合，考虑到单次变形量过大时，坯料表面会产生较大的 未焊接界面区域只是机械地连接在一起，MC5钢板的 周向拉应力，可能使坯料表面产生裂纹缺陷7-.因 表面采用砂轮打磨，因此钢板界面之间存在大大小小 此，工业级的内裂纹愈合模拟实验采用在1200℃下， 的空隙，这些界面空隙尺寸要比Gleeble试样中预制的 使坯料变形40%的锻造工艺进行实验，沿界面垂直方 裂纹尺寸更大，更不容易愈合 向变形40%后，对坯料进行拔长然后修整坯料外形尺 锻造变形后MC5钢的界面可能消失而无法定位， 寸接近方形，分析该工艺对锻件内部裂纹缺陷愈合的 因此，设计了界面示踪实验.另做一个相同的工业级 作用. 模拟实验件，在两块MC5钢板之间放置一片尺寸150 实际的锻造过程有锻前加热和锻造变形两部分， mm×150mm×2mm的纯铁片，作为界面示踪物.在相 因此，实际的工业级模拟实验根据实际情况设定了 同的锻造工艺下，带有示踪物的试样就可以表征出没 MC5钢试样的锻前加热过程，锻前加热的升温速度为

米国发等: 大型锻件坯料内裂纹愈合的物理模拟 图 8 不同变形量下 Gleeble 试样界面中心的微观组织( 原始界面为竖直方向) ． ( a) 10% ; ( b) 20% ; ( c) 30% ; ( d) 40% ; ( e) 50% Fig． 8 Microstructure of the interface at the center of the Gleeble specimen under different reductions ( the original interface is vertical) : ( a) 10% ; ( b) 20% ; ( c) 30% ; ( d) 40% ; ( e) 50% 的氧化皮，并进行清洗，保证表面洁净． 然后，把钢板 按照图 10 所示的方式叠放在一起，将两块钢板接触界 面一周封焊，并保证封焊过程中界面不受污染，内部仍 为界面接触状态，模拟锻件坯料中的裂纹缺陷． MC5 钢板通过上述方式连接后，钢板界面形貌也 可用图 2 所示的界面状态表示． 锻造之前，MC5 钢板 未焊接界面区域只是机械地连接在一起，MC5 钢板的 表面采用砂轮打磨，因此钢板界面之间存在大大小小 的空隙，这些界面空隙尺寸要比 Gleeble 试样中预制的 裂纹尺寸更大，更不容易愈合． 锻造变形后 MC5 钢的界面可能消失而无法定位， 因此，设计了界面示踪实验． 另做一个相同的工业级 模拟实验件，在两块 MC5 钢板之间放置一片尺寸 150 mm × 150 mm × 2 mm 的纯铁片，作为界面示踪物． 在相 同的锻造工艺下，带有示踪物的试样就可以表征出没 有示踪物的试样界面位置，便于准确分析实验内部的 裂纹愈合情况． 2. 1. 2 锻造过程与分析方法 根据 Gleeble 实验的结果可知，锻造过程中，变形 温度越高、变形量越大，越有利于锻件内部裂纹的愈 合，考虑到单次变形量过大时，坯料表面会产生较大的 周向拉应力，可能使坯料表面产生裂纹缺陷［17--18］． 因 此，工业级的内裂纹愈合模拟实验采用在 1200 ℃ 下， 使坯料变形 40% 的锻造工艺进行实验，沿界面垂直方 向变形 40% 后，对坯料进行拔长然后修整坯料外形尺 寸接近方形，分析该工艺对锻件内部裂纹缺陷愈合的 作用． 实际的锻造过程有锻前加热和锻造变形两部分， 因此，实际的工业级模拟实验根据实际情况设定了 MC5 钢试样的锻前加热过程，锻前加热的升温速度为 · 9761 ·

·1680· 工程科学学报，第39卷，第11期 a d e 100 图9不同变形量下Gleeble试样界面四分之一处的微观组织（原始界面为竖直方向）.(a)10%:(b)20%:(c)30%:(d)40%:(c) 50% Fig.9 Microstructure of the interface at a quarter cross-section of the Gleeble specimen under different reductions (the original interface is vertical): (a)10%:(b)20%:(c)30%:(d)40%:(e）50% (a) (b) 150℃h,为了防止加热过程中产生的热应力对试样 产生影响，在加热至300、500和850℃时分别保温1 h,加热至1200℃后，保温2h,然后出炉开始锻造变 M5倒 M5钢 形.考虑到实际的锻造过程坯料降温较快，为了使工 业级实验与Gleebe模拟实验尽量一致，在锻造过程 MC5钢 MC5钢 中，坯料与砧子之间放置了保温棉，以减少坯料温度 界面示踪物 的散失 图10MC5钢板叠放示意图.(a)工业级裂纹愈合实验件：(b) 实验使用Masterscan-340超声波无损探伤仪器按 工业级裂纹愈合界面示踪实验件 照GB/T6402一2008标准对锻造后的MC5钢试样探 Fig.10 Stack of the MC5 steel plate:(a)industrial-grade specimen 伤，探伤所使用的探伤探头是B4S-N单晶直探头，探 for crack-healing experiment:(b)interface tracer experiment speci- 头AVG曲线调至直径2mm平底孔当量，探伤方法是 men for industrial-grade crack-healing experiment 采用接触法对锻件6个面100%扫查

工程科学学报，第 39 卷，第 11 期 图 9 不同变形量下 Gleeble 试样界面四分之一处的微观组织( 原始界面为竖直方向) ． ( a) 10% ; ( b) 20% ; ( c) 30% ; ( d) 40% ; ( e) 50% Fig． 9 Microstructure of the interface at a quarter cross-section of the Gleeble specimen under different reductions ( the original interface is vertical) : ( a) 10% ; ( b) 20% ; ( c) 30% ; ( d) 40% ; ( e) 50% 图 10 MC5 钢板叠放示意图． ( a) 工业级裂纹愈合实验件; ( b) 工业级裂纹愈合界面示踪实验件 Fig． 10 Stack of the MC5 steel plate: ( a) industrial-grade specimen for crack-healing experiment; ( b) interface tracer experiment speci￾men for industrial-grade crack-healing experiment 150 ℃·h － 1，为了防止加热过程中产生的热应力对试样 产生影响，在加热至 300、500 和 850 ℃ 时分别保温 1 h，加热至 1200 ℃ 后，保温 2 h，然后出炉开始锻造变 形． 考虑到实际的锻造过程坯料降温较快，为了使工 业级实验与 Gleebe 模拟实验尽量一致，在锻造过程 中，坯料与砧子之间放置了保温棉，以减少坯料温度 的散失． 实验使用 Masterscan--340 超声波无损探伤仪器按 照 GB / T6402—2008 标准对锻造后的 MC5 钢试样探 伤，探伤所使用的探伤探头是 B4S--N 单晶直探头，探 头 AVG 曲线调至直径 2 mm 平底孔当量，探伤方法是 采用接触法对锻件 6 个面 100% 扫查． · 0861 ·

米国发等：大型锻件坯料内裂纹愈合的物理模拟 1681 为了进一步分析锻造变形后内部界面的愈合情 界面位置，判定工业级裂纹愈合试样的界面位置，然后 况，本文根据示踪实验所显示的变形后的界面位置对 沿着垂直于界面中心的位置进行解剖.解剖后，对解 工业级试样进行解剖分析，首先用按照图11中界面示 剖面进行宏观和微观的组织表征，分析内部界面的愈 踪实验所呈现的界面位置对工业级裂纹愈合试样进行 合情况，以此反映锻造工艺对锻件内部裂纹愈合产生 解剖.试样锻造变形后，可以根据界面示踪实验件的 的作用 解剖面 示踪物 图11锻造变形后的试样.(a)工业级裂纹愈合实验件：(b)工业级裂纹愈合界面示踪实验件 Fig.11 Specimens after forging:(a)industrial-grade crack-healing experiment specimen:(b)interface tracer experiment specimen from industrial- grade crack-healing experiment 2.2裂纹愈合效果分析 2.2.1无损探伤结果分析 超声波无损探伤结果显示，锻造后的工业级裂纹 愈合试样中没有可检测到的缺陷，无损检测的检测质 量评定结果已经达到了GB/T6402一2008规定的最严 格验收等级的质量要求 Masterscan-340超声波无损探测仪器对锻后工业 级试样进行全面扫查过程中，探测仪器的荧光屏上只 b 显示探伤仪器所发出的始脉波和底脉波，始脉波和底 脉波之间没有缺陷脉波反射或紊乱现象，没有发现超 标不连续性显示，可以表明，工业级裂纹愈合试样经过 锻造变形后内部没有空洞或者夹杂缺陷存在.工业级 裂纹愈合试样的内部在锻造变形前，界面的各个部位 均存在不同大小的连续或不连续的缝隙或空洞，而锻 造之后试样的探伤结果显示试样内部没有空洞或者缝 图12解剖分析结果.(a)工业级裂纹愈合实验件宏观组织： 隙，界面之间存在的缝隙或空洞已消失，证明了合理的 ()工业级裂纹愈合界面示踪实验件解剖面 锻造工艺可以使锻件内部裂纹有效愈合. Fig.12 Results of anatomical ananlysis:(a)macrostructure of spec- 2.2.2宏观和微观组织分析 imen from the industrial-grade crack-ealing experiment:(b)ana- 锻造变形后工业级裂纹愈合试样的宏观组织形态 tomical plate of industrialgrade crack healing experiment's interface 如图12(a)所示，从图中可以看出，锻造变形后钢板界 tracer specimen 面的解剖面上没有出现界面特征及宏观裂纹缺陷，说 明MC5钢板界面已有效结合 取试样位置分别为解剖面的界面中心位置、界面四分 根据MC5钢板界面的宏观组织分析结果可知，锻 之一处和界面边缘位置（避开焊接区域），试样尺寸 造变形后钢板界面已完全消失，无法确定解剖面上的 10mm×l0mm×l0mm.试样抽取后进行了磨抛处理， 界面位置.因此，对示踪实验件也进行解剖分析，解剖 然后使用4%硝酸酒精溶液对金相试样进行了腐蚀， 位置与工业级裂纹愈合实验件的解剖位置相同，如图 腐蚀后在金相显微镜观察金相微观组织特征 12(b)所示.从图中可以发现，界面示踪物清晰可见， 工业级裂纹愈合实验件的界面微观组织形貌如图 并且与MC5钢板已经连为一体.因此，本实验根据界 13所示，从图中可以看出，界面中心、界面四分之一处 面示踪实验所呈现的界面位置，在工业级裂纹愈合实 以及界面边缘位置的金相组织没有明显差别，界面微 验件的解剖面上抽取金相试样进行微观组织分析，所 观组织形貌中均观察不到界面特征.从图中可以看

米国发等: 大型锻件坯料内裂纹愈合的物理模拟 为了进一步分析锻造变形后内部界面的愈合情 况，本文根据示踪实验所显示的变形后的界面位置对 工业级试样进行解剖分析，首先用按照图 11 中界面示 踪实验所呈现的界面位置对工业级裂纹愈合试样进行 解剖． 试样锻造变形后，可以根据界面示踪实验件的 界面位置，判定工业级裂纹愈合试样的界面位置，然后 沿着垂直于界面中心的位置进行解剖． 解剖后，对解 剖面进行宏观和微观的组织表征，分析内部界面的愈 合情况，以此反映锻造工艺对锻件内部裂纹愈合产生 的作用． 图 11 锻造变形后的试样． ( a) 工业级裂纹愈合实验件; ( b) 工业级裂纹愈合界面示踪实验件 Fig． 11 Specimens after forging: ( a) industrial-grade crack-healing experiment specimen; ( b) interface tracer experiment specimen from industrial￾grade crack-healing experiment 2. 2 裂纹愈合效果分析 2. 2. 1 无损探伤结果分析 超声波无损探伤结果显示，锻造后的工业级裂纹 愈合试样中没有可检测到的缺陷，无损检测的检测质 量评定结果已经达到了 GB / T6402—2008 规定的最严 格验收等级的质量要求． Masterscan--340 超声波无损探测仪器对锻后工业 级试样进行全面扫查过程中，探测仪器的荧光屏上只 显示探伤仪器所发出的始脉波和底脉波，始脉波和底 脉波之间没有缺陷脉波反射或紊乱现象，没有发现超 标不连续性显示，可以表明，工业级裂纹愈合试样经过 锻造变形后内部没有空洞或者夹杂缺陷存在． 工业级 裂纹愈合试样的内部在锻造变形前，界面的各个部位 均存在不同大小的连续或不连续的缝隙或空洞，而锻 造之后试样的探伤结果显示试样内部没有空洞或者缝 隙，界面之间存在的缝隙或空洞已消失，证明了合理的 锻造工艺可以使锻件内部裂纹有效愈合． 2. 2. 2 宏观和微观组织分析 锻造变形后工业级裂纹愈合试样的宏观组织形态 如图 12( a) 所示，从图中可以看出，锻造变形后钢板界 面的解剖面上没有出现界面特征及宏观裂纹缺陷，说 明 MC5 钢板界面已有效结合． 根据 MC5 钢板界面的宏观组织分析结果可知，锻 造变形后钢板界面已完全消失，无法确定解剖面上的 界面位置． 因此，对示踪实验件也进行解剖分析，解剖 位置与工业级裂纹愈合实验件的解剖位置相同，如图 12( b) 所示． 从图中可以发现，界面示踪物清晰可见， 并且与 MC5 钢板已经连为一体． 因此，本实验根据界 面示踪实验所呈现的界面位置，在工业级裂纹愈合实 验件的解剖面上抽取金相试样进行微观组织分析，所 图 12 解剖分析结果． ( a) 工业级裂纹愈合实验件宏观组织; ( b) 工业级裂纹愈合界面示踪实验件解剖面 Fig． 12 Ｒesults of anatomical ananlysis: ( a) macrostructure of spec￾imen from the industrial-grade crack-healing experiment; ( b) ana￾tomical plate of industrial-grade crack healing experiment`s interface tracer specimen 取试样位置分别为解剖面的界面中心位置、界面四分 之一处和界面边缘位置( 避开焊接区域) ，试样尺寸 10 mm × 10 mm × 10 mm． 试样抽取后进行了磨抛处理， 然后使用 4% 硝酸酒精溶液对金相试样进行了腐蚀， 腐蚀后在金相显微镜观察金相微观组织特征． 工业级裂纹愈合实验件的界面微观组织形貌如图 13 所示，从图中可以看出，界面中心、界面四分之一处 以及界面边缘位置的金相组织没有明显差别，界面微 观组织形貌中均观察不到界面特征． 从图中可以看 · 1861 ·

·1682 工程科学学报，第39卷，第11期 00 (cl 图13工业级裂纹愈合试样界面微观组织.(a)界面边缘：(b)界面四分之一处：(c)界面中心 Fig.13 Interface microstructure of the industrial-grade crack-healing experiment specimen:(a)interface margin:(b)interface quarter:(c)inter- face center 出，界面各个位置的金相组织类型相同，且组织分布均 体扩散作用下逐渐被消除 匀，晶粒的大小亦无明显差别.个别地方存在小晶粒， 可能只是某个大晶粒的一部分.从晶粒的外形轮廓也 3结论 可以判断小晶粒是哪种类型的晶粒。一般情况下，如 (I)通过在Gleeble热压缩实验的试样中预制裂 果是未被大晶粒完全吞并的小晶粒，则其晶界是向内 纹的方法，模拟了大型锻件内部的裂纹缺陷.变形温 弓的晶界，而如果看到的小晶粒是某个大晶粒的一部 度越高，压缩变形量越大越有利于内部裂纹的愈合，最 分，其晶界就是一个向外弓的饱满晶界.从图中可以 终确定为最佳变形温度1200℃，变形量40%的锻造工 看出，小晶粒的晶界均是饱满的，没有内弓晶界.可以 艺来消除锻件内部的裂纹缺陷. 说明，工业级裂纹愈合实验件的界面再结晶过程比较 (2)工业级裂纹愈合实验件的探伤结果显示，锻 充分，位于界面位置的小晶粒已被其相邻的大晶粒充 造变形后的试样内部没有裂纹缺陷，宏观和微观组织 分吞并.以上结果可以表明：钢板界面已经实现了良 表征结果中没有发现界面特征，说明预制在试样内部 好的冶金结合，锻造实验前预制在试样内部的裂纹缺 的裂纹已实现治金结合. 陷已被消除. 综合分析Gleeble实验和工业级裂纹愈合实验的 参考文献 结果可以发现，试样内部的预制裂纹缺陷的愈合过程 [1]Sun M Y,Lu S P,Li D Z,et al.Three-dimensional finite ele- 为：初始状态时金属界面机械接触，金属界面间是较大 ment method simulation and optimization of shrink fitting process 的凹凸不平的锯齿状孔洞或较大的缝隙.变形开始 for a large marine crankshaft.Mater Des,2010,31 (9):4155 后，界面孔洞开始随着塑性变形而变化，界面空隙也由 2] Erve M,Papouschek F,Fischer K,et al.State of the art in the 大变小，或者直接闭合，界面形成许多不连续的网孔 manufacture of heavy forgings for reactor components in the Federal Republic of Germany.Nucl Eng Des,1988,108(3):485 状：随着变形的继续，由于金属内部的原子扩散运动加 B]Kawaguchi S,Tsukada H,Suzuki K,et al.Application of 20 Mn- 剧，从而产生晶界迁移和晶界原子向孔洞扩散.随着 MoNi 5 5 steel with lowered Si content to heavy thick steam gener- 晶界的迁移，界面的不连续的孔洞开始收缩，孔洞形状 ator tube sheet forgings.Nucl Eng Des,1985,87:249 由多边形逐渐变为椭圆形、圆形.收缩的孔洞在原子 4]Maidorn C,Blind D.Solidification and segregation in heavy forg-

工程科学学报，第 39 卷，第 11 期 图 13 工业级裂纹愈合试样界面微观组织． ( a) 界面边缘; ( b) 界面四分之一处; ( c) 界面中心 Fig． 13 Interface microstructure of the industrial-grade crack-healing experiment specimen: ( a) interface margin; ( b) interface quarter; ( c) inter￾face center 出，界面各个位置的金相组织类型相同，且组织分布均 匀，晶粒的大小亦无明显差别． 个别地方存在小晶粒， 可能只是某个大晶粒的一部分． 从晶粒的外形轮廓也 可以判断小晶粒是哪种类型的晶粒． 一般情况下，如 果是未被大晶粒完全吞并的小晶粒，则其晶界是向内 弓的晶界，而如果看到的小晶粒是某个大晶粒的一部 分，其晶界就是一个向外弓的饱满晶界． 从图中可以 看出，小晶粒的晶界均是饱满的，没有内弓晶界． 可以 说明，工业级裂纹愈合实验件的界面再结晶过程比较 充分，位于界面位置的小晶粒已被其相邻的大晶粒充 分吞并． 以上结果可以表明: 钢板界面已经实现了良 好的冶金结合，锻造实验前预制在试样内部的裂纹缺 陷已被消除． 综合分析 Gleeble 实验和工业级裂纹愈合实验的 结果可以发现，试样内部的预制裂纹缺陷的愈合过程 为: 初始状态时金属界面机械接触，金属界面间是较大 的凹凸不平的锯齿状孔洞或较大的缝隙． 变形开始 后，界面孔洞开始随着塑性变形而变化，界面空隙也由 大变小，或者直接闭合，界面形成许多不连续的网孔 状; 随着变形的继续，由于金属内部的原子扩散运动加 剧，从而产生晶界迁移和晶界原子向孔洞扩散． 随着 晶界的迁移，界面的不连续的孔洞开始收缩，孔洞形状 由多边形逐渐变为椭圆形、圆形． 收缩的孔洞在原子 体扩散作用下逐渐被消除． 3 结论 ( 1) 通过在 Gleeble 热压缩实验的试样中预制裂 纹的方法，模拟了大型锻件内部的裂纹缺陷． 变形温 度越高，压缩变形量越大越有利于内部裂纹的愈合，最 终确定为最佳变形温度 1200 ℃，变形量 40% 的锻造工 艺来消除锻件内部的裂纹缺陷． ( 2) 工业级裂纹愈合实验件的探伤结果显示，锻 造变形后的试样内部没有裂纹缺陷，宏观和微观组织 表征结果中没有发现界面特征，说明预制在试样内部 的裂纹已实现冶金结合． 参 考 文 献 ［1］ Sun M Y，Lu S P，Li D Z，et al． Three-dimensional finite ele￾ment method simulation and optimization of shrink fitting process for a large marine crankshaft． Mater Des，2010，31( 9) : 4155 ［2］ Erve M，Papouschek F，Fischer K，et al． State of the art in the manufacture of heavy forgings for reactor components in the Federal Ｒepublic of Germany． Nucl Eng Des，1988，108( 3) : 485 ［3］ Kawaguchi S，Tsukada H，Suzuki K，et al． Application of 20 Mn￾MoNi 5 5 steel with lowered Si content to heavy thick steam gener￾ator tube sheet forgings． Nucl Eng Des，1985，87: 249 ［4］ Maidorn C，Blind D． Solidification and segregation in heavy forg- · 2861 ·

米国发等：大型锻件坯料内裂纹愈合的物理模拟 *1683· ing ingots.Nucl Eng Des,1985,84(2):285 [12]Wang M T,Li D Y,Wang F,et al.Analysis of laminated crack [5]Wang Z H,Sun S H,Wang B,et al.Importance and role of grain defect in the upsetting process of heavy disk-shaped forgings size in free surface cracking prediction of heavy forgings.Mater Sci Eng Failure Anal,2016,59:197 EngA,2015,625:321 [13]Park C Y,Yang D Y.A study of void crushing in large forgings: 6]Li S J,Sun M Y,Liu H W,et al.Study on void healing behavior II.Estimation of bonding efficiency by finite-element analysis.J during forging process for 25Cr2Ni4MoV steel.Acta Metall Sinica, Mater Process Technol,1997,72(1):32 2011,47(7):946 014]Guo H G.Core technology progress of large forgings manufactur- (李世键，孙明月，刘宏伟，等.25C2N4MoV钢锻造过程孔 ing.Metalcorking,2012(1)19 洞缺陷愈合规律研究.金属学报，2011,47(7)：946) (郭会光.大型锻件制造核心技术的进展.金属加工（热加 Xu B,Sun M Y,Li D Z.The void close behavior of large ingots 工)，2012(1)：19) during hot forging.Acta Metall Sinica,2012,48(10):1194 15] Cooper D R,Allwood J M.Influence of diffusion mechanisms in (徐斌，孙明月，李殿中.锻造过程中钢锭内部孔洞型缺陷闭 aluminium solid-state welding processes.Proced Eng,2014,81: 合规律研究.金属学报，2012,48(10)：1194) 2147 8]Feng C,Cui ZS,Liu M X,et al.Investigation on the void clo- [16]Cooper D R,Allwood J M.The influence of deformation condi- sure efficiency in cogging processes of the large ingot by using a3- tions in solid-state aluminium welding processes on the resulting D void evolution model.J Mater Process Technol,2016,237:371 weld strength.J Mater Process Technol,2014,214(11):2576 9]Harris N,Shahriari D,Jahazi M.Development of a fast conver- [17]Wang Z L.Study on Crack of Cylindrical Surface during the Up- ging material specific void closure model during ingot forging. setting of Heavy Forging [Dissertation].Qinhuangdao:YanShan Manuf Processes,2017,26:131 University,2007 10]Zhang XX.Research on Void Erolution in Large Ingot during Hot (王子亮.大型锻件辙粗侧表面开裂研究[学位论文].秦皇 Forging DDissertation].Shanghai:Shanghai Jiao Tong Universi- 岛：燕山大学，2007) y,2009 [18]He J L.Research on Ductile Fracture Criteria of Structural Steels (张效迅.大锻件锻造成形过程中内部空洞型缺陷演化规律 Used in Nuclear and Thermal Power during Hot Forming at High 的研究[学位论文]，上海：上海交通大学，2009) Temperature and in Their Applications [Dissertation].Shanghai: [11]Bitterlin M,Loucif A,Charbonnier N,et al.Cracking mecha- Shanghai Jiao Tong University,2014 nisms in large size ingots of high nickel content low alloyed steel. (何建丽.核、火电装备结构钢高温成形断裂判据及其应用 Eng Failure Anal,2016,68:122 研究[学位论文].上海：上海交通大学，2014)

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