CN102654439B - 一种锻件内部孔洞型缺陷焊合程度的评价方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于材料热加工物理模拟技术领域，具体是一种用于锻件内部孔洞型缺陷焊合程度的评价方法。(1)将实验材料加工成柱状，试样的端面粗糙度为Ra6.3-Ra0.4；用丙酮清理干净加工后的试样表面，根据预设变形温度、保温时间和应变在热力模拟试验机上进行试样对接实验；试样对接实验时，将两个试样端面对接，以对接端面模拟锻件中已经闭合裂纹的两个表面；(2)将实验后的对接试样切割成弯曲试样，以弯曲试样的弯曲强度与完好试样的弯曲强度的比值来表征锻件内部孔洞型缺陷的焊合程度。本发明方法不受试样界面状态、观测设备精度、选取位置等影响，利用三点弯曲试验进行对接试样焊合效果评价，试样尺寸要求宽松，取样方便且操作简单。
Description
技术领域：
本发明属于材料热加工物理模拟技术领域，具体是一种用于锻件内部孔洞型缺陷焊合程度的评价方法。
背景技术：
部分锻件特别是大型锻件是由钢锭或钢坯直接锻造成形的。由于大型钢锭或钢坯尺寸大，质量难于控制，其内部存在多种缺陷，如偏析、夹杂、缩孔、疏松等。疏松等孔洞型缺陷的存在严重影响锻件的性能，锻后存在孔洞型缺陷的锻件甚至会直接报废，造成重大的经济损失。通过锻造过程，可以改善甚至消除钢锭或钢坯内部的缺陷。因此通过大的塑性变形，消除疏松等孔洞型缺陷是锻造的重要目的之一。由于目前缺乏有效的理论根据，且经济上也难以承受采用真实的锻件进行研究摸索，对于孔洞型缺陷的锻合条件的研究尚处于摸索的阶段。物理模拟方法作为一种有效手段，在锻件内部孔洞型缺陷焊合过程的研究中具有重要作用，利用两试样对接法可模拟某一特定宽度的裂纹在一定温度和压力下的焊合条件。
袁朝龙等根据大型锻件的生产特点，以两试样对接法来模拟一类裂纹形式，并系统研究了温度、加热时间、温度变化率、加压等热力参数对修复过程中裂纹尺寸、材料的显微组织、晶粒、成分、显微硬度、强度等变化的作用。高艳涛等通过两试样对接法来模拟闭合孔洞的焊合过程，得出了孔洞焊合与压力、温度和保温时间的关系。杜凤山等应用两试样对接法研究了大型锻件内部孔隙性缺陷的扩散焊合物理过程及其焊合机理，建立了孔隙性缺陷扩散焊合的物理模拟模型。在分析焊合界面剪应力对孔隙性缺陷修复过程的作用机理时，建立了考虑剪应力作用的物理模型。崔振山等采用两试样对接法对30CrNi4MoV低压转子钢内部裂隙型缺陷进行高温塑性变形焊合实验。结果表明，温度、时间和变形量对裂隙焊合都有影响，温度是影响裂隙焊合的主导因素，当温度、保温时间和变形量三者满足一定的组合时，裂隙型缺陷可以通过扩散和再结晶等机制实现焊合。
以上研究多是采用静态拉伸试验法或焊合界面微观形貌观察法来对焊合效果进行评价。以裂纹孔隙尺寸修复率等焊合界面微观形貌观察结果来定量评价焊合效果具有较强的主观性，容易受到试样界面状态、观测设备精度、选取位置等的严重影响；而以拉伸试验法进行焊合效果评价受物理模拟设备的限制，要获得符合标准的拉伸试验样品需要较大尺寸的对接试样参与试验。
发明内容：
针对目前两试样对接法模拟锻件内部孔洞型缺陷焊合程度过程中存在的以上问题，本发明的目的在于提供一种锻件内部孔洞型缺陷焊合程度的评价方法。
本发明的技术方案是：
一种锻件内部孔洞型缺陷焊合程度的评价方法，包括如下步骤：
(1)将实验材料加工成柱状，试样的端面粗糙度为Ra6.3-Ra0.4；用丙酮清理干净加工后的试样表面，根据预设变形温度、保温时间和应变在热力模拟试验机上进行试样对接实验；试样对接实验时，将两个试样端面对接，以对接端面模拟锻件中已经闭合裂纹的两个表面；
(2)将实验后的对接试样切割成弯曲试样，以弯曲试样的弯曲强度与完好试样的弯曲强度的比值η(0＜η≤1)来表征锻件内部孔洞型缺陷的焊合程度。
所述步骤(1)中，试样对接实验中，以1-10℃/s的加热速度升温至材料的锻造温度，均温时间5-30s后以0.001-1s-1应变速率进行压缩对接，应变在0.01-0.3；然后进入保温阶段，保温时间1-30min，在保温阶段试样两端的压力为1-15MPa，保温结束后空冷。
所述步骤(2)中，取弯曲试样进行三点弯曲试验。
本发明中，实验材料加工成Φ4-15×6-20mm的柱状。
本发明中，评价方法适用于纯金属或合金的锻件内部孔洞型缺陷的焊合程度评价。
本发明中，实验材料为黑色金属、有色金属或金属基复合材料。
本发明的有益效果是：
1、本发明方法不受试样界面状态、观测设备精度、选取位置等影响，评价焊合效果较为客观。
2、本发明利用三点弯曲试验进行对接试样焊合效果评价，不需要较大尺寸的对接试样参与试验，试样尺寸要求宽松，取样方便且操作简单。
3、本发明方法适用于一般纯金属及合金，包括黑色金属和有色金属以及金属基复合材料的锻件内部孔洞型缺陷的焊合程度评价，特别是规格为5吨以上的大型自由锻件和10吨以上的大型模锻件。
附图说明：
图1是实施本发明方法的两试样对接实验示意图；
图2是实施本发明方法的热模拟对接工艺过程示意图；
图3(a)-(b)是实施本发明方法的弯曲试样尺寸及切割位置示意图；其中，图3(a)为主视图；图3(b)为俯视图。
图4是实施本发明方法的三点弯曲实验示意图。
图中，1对接试样Ⅰ；2对接试样Ⅱ；3对接实验后试样；4弯曲试样Ⅰ；5弯曲试样Ⅱ；6弯曲试样。
具体实施方式：
下面结合附图和实施例对本发明进行详细说明。
将实验材料加工成Φ8×12mm的小圆柱，试样的端面粗糙度为Ra0.8。用丙酮清理干净加工后的试样表面，根据预设变形温度、保温时间和应变在热力模拟试验机上进行试样对接实验。实验时，将两个试样：对接试样Ⅰ1和对接试样Ⅱ2端面对接，以对接端面模拟锻件中已经闭合裂纹的两个表面，如原理图1所示。
如图2所示，整个工艺过程包括：升温→均温→压缩→保温→冷却。其中，以1-10℃/s的加热速度升温至材料的锻造温度，均温时间5-30s后以0.001-1s-1应变速率进行压缩对接，应变在0.01-0.3；然后进入保温阶段，保温时间1-30min，在保温阶段试样两端的压力为1-15MPa，保温结束后空冷。
将对接实验后试样3切割成两个方形弯曲试样：弯曲试样I 4和弯曲试样Ⅱ5，切割的尺寸和位置如图3所示。取弯曲试样6进行三点弯曲试验，如图4所示。以弯曲试样的弯曲强度与完好试样的弯曲强度的比值η(0＜η≤1)来表征锻件内部孔洞型缺陷的焊合程度。
实施例1：
将实验材料34MnV钢加工成Φ8×12mm的小圆柱，试样的端面粗糙度为Ra0.8。用丙酮清理干净加工后的试样表面，根据预设变形温度1200℃、保温时间28分钟和应变0.24在热力模拟试验机上进行试样对接实验。实验中的加热速度5℃/s，均温时间5s，应变速率0.01s-1，应变0.24，保温阶段试样两端的压力5MPa，保温结束后空冷。
将实验后的对接试样按照图3所示切割成弯曲试样，进行三点弯曲试验(图4)。获得弯曲试样的弯曲强度为2170MPa，而完好试样的弯曲强度为2600MPa，则锻件内部孔洞型缺陷的焊合程度η可表示为2170/2600×100％＝83.5％。
实施例2：
将实验材料34MnV钢加工成Φ8×12mm的小圆柱，试样的端面粗糙度为Ra0.8。用丙酮清理干净加工后的试样表面，根据预设变形温度1100℃、保温时间14分钟和应变0.06在热力模拟试验机上进行试样对接实验。实验中的加热速度5℃/s，均温时间5s，应变速率0.01s-1，应变0.06，保温阶段试样两端的压力5MPa，保温结束后空冷。
将实验后的对接试样按照图3所示切割成弯曲试样，进行三点弯曲试验(图4)。获得弯曲试样的弯曲强度为1950MPa，而完好试样的弯曲强度为2600MPa，则锻件内部孔洞型缺陷的焊合程度η可表示为1950/2600×100％＝75％。
另外，实验结果表明，本发明方法适用于一般纯金属及合金，包括黑色金属和有色金属以及金属基复合材料的锻件内部孔洞型缺陷的焊合程度评价。
Claims (4)
1.一种锻件内部孔洞型缺陷焊合程度的评价方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)将实验材料加工成柱状，试样的端面粗糙度为Ra6.3-Ra0.4；用丙酮清理干净加工后的试样表面，根据预设变形温度、保温时间和应变在热力模拟试验机上进行试样对接实验；试样对接实验时，将两个试样端面对接，以对接端面模拟锻件中已经闭合裂纹的两个表面；
(2)将实验后的对接试样切割成弯曲试样，以弯曲试样的弯曲强度与完好试样的弯曲强度的比值来表征锻件内部孔洞型缺陷的焊合程度；
所述步骤(1)中，试样对接实验中，以1-10℃/s的加热速度升温至材料的锻造温度，均温时间5-30s后以0.001-1s-1应变速率进行压缩对接，应变在0.01-0.3；然后进入保温阶段，保温时间1-30min，在保温阶段试样两端的压力为1-15MPa，保温结束后空冷；
所述步骤(2)中，通过对弯曲试样进行三点弯曲试验获取弯曲试样的弯曲强度。
2.按照权利要求1所述的锻件内部孔洞型缺陷焊合程度的评价方法，其特征在于，实验材料加工成Φ(4-15)mm×(6-20)mm的柱状。
3.按照权利要求1所述的锻件内部孔洞型缺陷焊合程度的评价方法，其特征在于，该评价方法适用于纯金属或合金的锻件内部孔洞型缺陷的焊合程度评价。
4.按照权利要求1所述的锻件内部孔洞型缺陷焊合程度的评价方法，其特征在于，实验材料为黑色金属、有色金属或金属基复合材料。
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