大型锻件的模拟技术及内部质量控制研究(下)
4变形与晶粒组织的关系采用普通方法炼钢、注锭，大变形时内部夹杂物易发生聚合致使缺陷超标。而超纯净炼钢技术使得钢水质量大为提高，但是注锭时由于缺少结晶核导致晶粒过分粗大，给后续锻造控制晶粒带来困难。电渣重熔或定向凝固制锭工艺使得晶粒呈方向性生长并且尺寸较大，致使晶粒与晶界之间性能差别较大。由于显微纯净度降低，易引起缺陷损伤发生，致使缺陷超标。采用上述何种方法生产大型锻件综合效果较好，目前尚无定论。
高温变形过程中，材料既要经历热力变化，又要经历金相组织变化，一定的热力参数决定了金属的组织，而组织的变化反过来又影响金属的变形规律，并决定着锻件的性能。热加工中组织变化为动态、静态、亚动态再结晶多机制软化过程。对于变形量小(达不到动态再结晶临界应变)的锻造工艺，锻件的晶粒细化需要通过锻后高温保温阶段的静态再结晶来实现。将材料静态再结晶模型与具体的锻造工艺相结合，用于预测核电大型锻件锻后晶粒尺寸的变化，就可确定获得均匀细小晶粒的锻造工艺参数。
再结晶后的细小晶粒不稳定，在高温停留时会快速长大。实验研究表明，当晶粒长大到一定程度时，其长大趋势便不明显。一定的温度存在特定的稳定晶粒尺寸，同时存在着晶粒粗化温度，即超过此温度，稳定晶粒尺寸急剧增大。
实验得到ASME 508cl.3钢的稳定晶粒尺寸和晶粒粗化温度，参考此晶粒粗化温度和稳定晶粒尺寸来制定锻造工艺温度规范，可以控制锻件毛坯的初始晶粒度和锻件晶粒尺寸。综合考虑动态、静态、亚动态再结晶对晶粒细化的作用，给出了热变形后高温停顿5 min～10 min晶粒细化的黑箱模型，实现了多工序热锻的晶粒度预测和控制。
将材料动态再结晶模型与三维刚粘塑性模型有限元耦合，已用于预测核电大型锻件锻造过程中细观组织变化，由此制定的核电锻件锻造工艺方案，可直接用于生产。
5大型锻件锻造工艺的突破
传统的锻造工艺仅考虑打碎铸态组织、消除空洞性缺陷，而没有考虑夹杂物和晶粒、晶界的影响，致使大型锻件废品率较高。新工艺不仅从控制夹杂性裂纹不萌生和控制晶粒尺寸的角度出发，采用合理的工艺参数避免了夹杂性裂纹的形成，打碎了铸态组织，消除了空洞性缺陷，而且将损伤与高温修复规律用于生产实践，通过高温和塑性变形修复大型锻件中已存在的缺陷，通过变形量和温度控制晶粒组织，减少粗晶晶界损伤发生，保证了产品质量，大大提高了产品合格率。
根据上述控制锻造思想，结合饼类、块类、桶类、轴类大型锻件变形的特点，分别制定了控制锻造工艺应遵循的工艺规范，使第一重型机械厂管板生产合格率稳定在97%以上，修复了中信重型机械公司洛阳重型铸锻厂已报废的管板，改善了陕西重型机器厂饼块类锻件的质量，并通过经验交流带动了大型锻件行业生产水平的提高。特别值得一提的是，中国出口巴基斯坦的2块核电特大型管板，在俄罗斯制造质量不合格交货无望的情况下，才无奈转向国内第一重型机械厂订货，该厂应用本研究成果一次投产成功，制造出了核电特大型管板，填补了国内空白。
6成果应用展望
高温、三维、动态云纹法等关键模拟技术的突破，改变了长期以来使用的传统测试方法。通过测量分析细观、微观及动态缺陷变化，不仅推动了大型锻件行业的发展，而且可直接用于航空航天等高技术领域。如用于航空航天科技的新材料在高温下的蠕变、断裂力学行为对材料发展和工程应用至关重要。通过使用高温、三维、动态云纹法，其测试难题可迎刃而解。
损伤为材料科学和力学交叉的边缘学科，目前仅从现象上对其有认识，其内在本质和规律正在探索。高温缺陷的修复是从生产实践中发现的新现象，这一现象的发现为大型锻件质量控制的研究开辟了一个新方向。充分利用上述规律，不仅可以减少大型锻件中的缺陷使其达到质量要求，而且可以将使用报废锻件中的缺陷修复，使其重新发挥作用，并且这些成果可拓展至其它材料加工领域，具有广阔的应用前景。
实现大型锻件控制锻造这一目标，对促进基础工业乃至整个国民经济的发展具有深远的意义。但还需对塑性加工中损伤与修复规律，锻造裂纹形成机理及判据，相变动力学、晶粒度预测，多工序、多软化机制，非稳态变形等特性进行深入研究，并通过计算机数值模拟技术优化其工艺过程。
文章关键词： 锻件
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