周 鵬 信瑞山 邱 垚 馬慶賢

(1．清華大學(xué)機械工程系先進成形制造教育部重點試驗室，北京100084；2．中鎢高新材料股份有限公司，北京100010；3．鞍鋼集團北京研究院有限公司，北京102211)

大型鍛件作為關(guān)鍵承載結(jié)構(gòu)件廣泛用于軍工、交通、能源等領(lǐng)域，直接關(guān)系著整個設(shè)備能否安全可靠運行。因而其力學(xué)性能如沖擊等動載性能是評價鍛件質(zhì)量水平的重要標志之一。由于采用鋼錠直接鍛造，內(nèi)部孔隙性缺陷的鍛合效果直接影響著大型鍛件的質(zhì)量。

鍛件的力學(xué)性能取決于其化學(xué)成分和組織狀態(tài)，因而鍛造工藝中溫度和塑性變形量是兩個重要的影響因素。目前，國內(nèi)外對裂紋經(jīng)高溫修復(fù)處理后，材料的室溫靜載力學(xué)性能可完全恢復(fù)或達到使用要求已有較多的文獻報導(dǎo)。而材料在承受沖擊等動態(tài)載荷時，由于載荷持續(xù)時間短、變化幅度大，因而與靜載時破壞機制不同、影響因素差別較大，對材料中存在的孔隙性缺陷、組織不均勻等更為敏感，目前有關(guān)孔隙性缺陷鍛合效果對沖擊等動載性能影響的相關(guān)文獻報導(dǎo)較少[1-6]。質(zhì)量性能要求較高的大型鍛件，其技術(shù)標準中一般明確規(guī)定要求對靜載力學(xué)性能、沖擊吸收能量、延伸率等性能指標進行檢驗。

目前，對于內(nèi)部孔隙性缺陷鍛合后動載力學(xué)性能恢復(fù)程度的研究尚未形成共識。因此，針對鍛件中孔隙性缺陷的鍛合效果，研究沖擊等動載力學(xué)性能的變化特性，通過模擬研究孔隙性缺陷修復(fù)過程中組織變化對鍛件力學(xué)性能的影響效果，確定鍛造工藝中合理的塑性變形量，以期為大型鍛件鍛造工藝提供理論支撐，具有重要的使用價值。

1 試驗材料及方法

為掌握大型鍛件內(nèi)部孔隙性缺陷鍛造過程對沖擊等力學(xué)性能的影響規(guī)律，采用高溫斷面壓合方法模擬研究其結(jié)合面組織變化效果及對力學(xué)性能的影響，模擬試件尺寸和制作過程如圖1所示，將試件上下兩部分邊緣焊合，然后在900℃、1000℃、1100℃、1200℃等溫度條件下進行鐓粗變形，壓下率為20%。

圖1 試件尺寸和制作方法示意圖Figure 1 Specimen size and manufacturing method

試件變形完成后保溫、水冷到室溫，通過線切割沿著試樣軸向剖取沖擊試件材料。按照GB/T 229—2007《金屬材料 夏比擺錘沖擊試驗方法》中相關(guān)要求，沖擊試件尺寸為10 mm×10 mm×55 mm，試件長度中間制作U型缺口，并保證模擬裂紋修復(fù)面位于U型缺口的中間位置。在300 J擺錘沖擊試驗機上進行室溫試驗。

為研究裂紋等孔隙性缺陷鍛合過程中動載沖擊性能的恢復(fù)效果，設(shè)計了對比試驗用以比較結(jié)合面對沖擊性能的影響。兩種試樣尺寸相同，取自同種材料，采用相同的變形工藝條件和試驗方法。

2 孔隙性缺陷鍛合效果對沖擊性能的影響

2.1 溫度對斷面結(jié)合區(qū)沖擊性能的影響

試驗材料采用30Cr2Ni4MoV，不同溫度條件下保溫60 min水冷后，得到?jīng)_擊吸收能量檢測結(jié)果。采用含有斷面結(jié)合區(qū)試件和對比試件的沖擊吸收能量之比來定量評估孔隙性缺陷鍛合對沖擊性能的恢復(fù)效果，定義沖擊性能恢復(fù)率η：

(1)

η為沖擊吸收能量恢復(fù)率，KU為不同工藝參數(shù)處理后的模擬裂紋修復(fù)區(qū)所獲得的沖擊吸收能量，KU0為對比試驗的沖擊吸收能量。試驗得到，不同溫度保溫60 min水冷后模擬裂紋修復(fù)區(qū)的沖擊性能和恢復(fù)率如表1所示。

表1 不同溫度保溫60 min及水冷后的沖擊性能Table1 Impact properties after heat preservationat different temperatures for 60 min and water cooling

在超聲檢測完全合格的條件下，對比之前研究結(jié)果[1-4]可知，與之對應(yīng)的抗拉強度完全得到恢復(fù)。850℃以下，結(jié)合面沖擊吸收能量基本不能恢復(fù)。由表1可知，900℃時對比試件沖擊吸收能量最大，隨著溫度升高，材料沖擊吸收能量逐漸降低，呈現(xiàn)先升高后下降的趨勢。而900～1100℃溫度范圍，模擬裂紋修復(fù)區(qū)的沖擊吸收能量逐漸增大。溫度升高到1200℃時，斷面結(jié)合區(qū)的沖擊吸收能量出現(xiàn)降低現(xiàn)象。

2.2 斷面結(jié)合區(qū)組織變化分析

試驗得到不同溫度條件下，模擬裂紋修復(fù)的斷面結(jié)合區(qū)金屬組織變化情況如圖2所示。

由圖2可知，當(dāng)溫度達到再結(jié)晶溫度時，在鐓粗變形作用下，斷面結(jié)合區(qū)由于再結(jié)晶出現(xiàn)了晶粒，使得斷面結(jié)合區(qū)形成了完全的化學(xué)結(jié)合。因而超聲檢測方法已檢測證明斷面結(jié)合區(qū)沒有孔洞存在，與之對應(yīng)的拉伸等靜載力學(xué)性能得到恢復(fù)[1-4]。而溫度升高，基體晶粒變化明顯，當(dāng)溫度達到1200℃時基體晶粒尺寸長大，致使基體沖擊吸收能量明顯地出現(xiàn)降低。900℃時斷面結(jié)合區(qū)沖擊吸收能量最小，隨著溫度升高，斷面結(jié)合區(qū)沖擊吸收能量明顯升高，這是由于900～1100℃溫度范圍內(nèi)斷面結(jié)合區(qū)再結(jié)晶晶粒的形成、長大并修復(fù)了結(jié)合面上的微孔隙所致。隨著溫度進一步升高，1200℃時斷面結(jié)合區(qū)的沖擊吸收能量降低，這是由于斷面結(jié)合區(qū)基體晶粒快速粗化，與斷面結(jié)合區(qū)出現(xiàn)的再結(jié)晶晶粒尺寸差別增大所致。

(a)900℃ (b)1000℃ (c)1100℃ (d)1200℃圖2 不同溫度保溫60 min及水冷后斷面結(jié)合區(qū)組織形貌Figure 2 The microstructure of fraction junction areaafter heat preservation at different temperaturesfor 60 min and water cooling

該特征與靜載拉伸性能的恢復(fù)存在明顯的不同[1-4]，這一差異的產(chǎn)生主要是由于沖擊性能對組織不均勻更為敏感，晶粒粗大降低了材料的裂紋擴展阻力。

由圖2中晶粒組織變化所對應(yīng)的沖擊性能與溫度變化關(guān)系可知，高溫長時間保溫一方面可以加速結(jié)合面上晶粒長大有利于恢復(fù)材料的沖擊性能，然而另一方面卻又不可避免地導(dǎo)致基體材料晶粒長大、甚至粗化，加劇了基體與結(jié)合面晶粒組織的差異，引起沖擊性能降低。這是高溫修復(fù)孔隙性缺陷影響沖擊性能提高而相互矛盾的兩個方面。因此，較為理想的效果是斷面結(jié)合區(qū)的再結(jié)晶晶?？焖匍L大，而基體組織晶粒長大較慢，實現(xiàn)整體晶粒組織均勻一致。

2.3 鍛造工藝塑性變形量的要求

如圖2可知，與之對應(yīng)的斷面結(jié)合區(qū)沖擊性能均未獲得完全恢復(fù)。與900℃時相比，1000℃時的沖擊吸收能量恢復(fù)率明顯增高，主要原因是900℃時材料中缺陷修復(fù)以高溫擴散為主，1000℃以上時以斷面結(jié)合區(qū)中再結(jié)晶和晶粒填充間隙為主的兩種不同修復(fù)機制所致[1-4]。30Cr2Ni4MoV鋼在1050℃分別鐓粗變形至應(yīng)變值0.1、0.3、0.7后的顯微組織如圖3所示。在變形初始階段，原始晶界逐漸開始彎曲，部分三叉晶界處開始出現(xiàn)再結(jié)晶晶核，見圖3(a)；隨變形程度的增加，沿原始晶界出現(xiàn)了大量動態(tài)再結(jié)晶晶核并開始逐漸向晶內(nèi)延伸長大，見圖3(b)；當(dāng)應(yīng)變達到0.7后，原始組織完全被新生成的動態(tài)再結(jié)晶晶粒所代替，見圖3(c)。其微觀組織變化過程可以概括為三個階段[5]：(1)應(yīng)變量較小的變形初期，原始晶界開始彎曲，為動態(tài)再結(jié)晶形核創(chuàng)造了能量條件和結(jié)構(gòu)條件；(2)隨著應(yīng)變量的逐漸增加，在原始晶界附近形成了大量的亞晶粒，亞晶開始通過晶界凸出的方式形成動態(tài)再結(jié)晶晶核；(3)再結(jié)晶晶核在繼續(xù)變形的過程中，通過大角度晶界的遷移逐漸長大，進而代替了原始組織。

圖3 30Cr2Ni4MoV鋼1050℃變形時在不同應(yīng)變條件下的顯微組織Figure 3 Microstructure of 30Cr2Ni4MoV steel deformed at 1050℃ under different strain conditions

表2 不同變形方式下斷面結(jié)合區(qū)沖擊性能檢測結(jié)果Table 2 Test results of impact properties of fraction junction area under different deformation modes

由此可知，基體晶粒細化至與斷面結(jié)合區(qū)新生晶粒尺寸相近時，需要足夠的塑性變形量和完成時間。也就是說，在高溫條件下沖擊性能恢復(fù)需要足夠的塑性變形量和保溫時間才能完成組織均勻化。

2.4 不同變形方式對沖擊性能的影響

為掌握不同變形方式對沖擊性能恢復(fù)的影響，成比例增大了試件尺寸。采用SA 508-3鋼材料，加工成直徑120 mm，高為60 mm的圓柱體，組對焊合邊緣。加熱至950℃、1050℃和1150℃時鍛造變形，分別進行鐓粗、鐓粗→拔長→鐓粗、鐓粗→拔長→鐓粗→拔長。鐓粗壓下率為20%，拔長時壓下順序為0°→180°→90°→270°，壓下4次完成一個拔長工序，每次壓下率為20%，滿砧壓下。鍛造完成后，以變形溫度保溫10 h，然后空冷至室溫。沖擊試樣獲取方法和尺寸等要求與圖1中相同，檢測結(jié)果見表2。

當(dāng)變形方式相同時，對比試件的沖擊性能隨著變形溫度升高而降低。當(dāng)變形溫度相同時，兩鐓一拔變形后對比試件的沖擊吸收能量較一次鐓粗明顯提高，1150℃時模擬缺陷試件的沖擊吸收能量恢復(fù)到初始狀態(tài)。兩鐓兩拔變形后試件的沖擊吸收能量與對比試件的沖擊性能基本相同，表明缺陷的沖擊性能基本得到恢復(fù)，分析組織后發(fā)現(xiàn)其斷面結(jié)合區(qū)與對比試件的晶粒組織狀態(tài)基本相同。

對比以前研究成果[6]可知，變形方式對斷面結(jié)合區(qū)組織的影響主要是由于鐓粗變形形成的晶粒帶呈較為平整的“一”字形。變形方式為兩鐓一拔時，隨著溫度升高，斷面結(jié)合區(qū)的沖擊吸收能量及其恢復(fù)率均得到提高，此時晶粒具有取向性并與基體晶粒組織尺寸差別較大，即通俗說法為存在“混晶”。

由以上研究結(jié)果可知，溫度和塑性變形量是影響內(nèi)部孔隙性缺陷鍛合以提高沖擊性能的重要因素，其影響效果主要通過晶粒組織均勻程度體現(xiàn)，這也解釋了拉伸等靜載性能和沖擊等動載性能恢復(fù)機制不同，主要原因為晶粒組織均勻性和微孔洞等差異。顯然，依靠鍛合材料內(nèi)部孔隙性缺陷修復(fù)沖擊等動載力學(xué)性能的難度大于拉伸等靜載性能。

為實現(xiàn)鍛件內(nèi)部孔隙性缺陷鍛合以提高力學(xué)性能，鍛件內(nèi)部基體組織和斷面結(jié)合區(qū)所形成的再結(jié)晶組織應(yīng)均勻一致，顯然單次鐓粗變形時其內(nèi)部塑性變形量難以實現(xiàn)組織均勻。若使晶粒細化均勻，在不同方向上需要足夠的塑性變形量和完成時間，為保證大型鍛件綜合性能滿足要求，需要采用兩鐓+兩拔以上的鍛造工藝以實現(xiàn)內(nèi)部組織均勻。從保證靜動載力學(xué)方面分析可知，優(yōu)化縮短大型鍛件鍛造工藝流程存在很大的發(fā)展空間。

3 結(jié)論

(1)單次壓下變形，內(nèi)部孔隙性缺陷可以消除，拉伸等靜載性能能夠恢復(fù)到初始狀態(tài)性能，但是由于晶粒組織不均勻，沖擊吸收能量等動載性能不能得到完全恢復(fù)。

(2)經(jīng)過兩鐓兩拔的高溫塑性變形，斷面結(jié)合區(qū)域的沖擊性能可以恢復(fù)到初始狀態(tài)。在現(xiàn)有材料和冶煉、鑄造條件下，建議采用兩次鐓粗加兩次拔長變形以上的鍛造工藝。