CN107677786A - 铸造钢缩松缺陷评级方法 - Google Patents

Abstract

本公开是关于一种铸造钢缩松缺陷评级方法，包括：为缩松配置多个表征量并计算所述缩松的当量初始缺陷尺寸；对所述当量初始缺陷尺寸进行裂纹扩展速率试验以得到与所述当量初始缺陷尺寸相应的疲劳寿命；根据所述各所述表征量以及所述疲劳寿命得到缩松评估值并根据所述缩松评估值对所述缩松进行评级。该方法通过对缩松进行评级，可以对缩松的可靠性寿命进行预测，可以对包括该缩松的铸件本身结构的使用和维护提供指导性意见。

Description

铸造钢缩松缺陷评级方法

技术领域

本公开涉及缩松缺陷评估技术领域，具体而言，涉及一种铸造钢缩松 缺陷评级方法。

背景技术

舰用中高速柴油发动机(发动机型号例如可以包括：PA6、MTU956、 MTU396以及PC2-6等等)是海军舰艇的主力动力装置。但是，由于柴油 发动机体积较大，难以一次性同步同时凝固成型；因此，在孕育以及浇筑 的过程中经常会引入缩孔缩松缺陷。

缩孔缩松等铸造缺陷对柴油发动机的使用寿命的影响是至关重要的。 由于缩孔缩松的存在，使得零件的品质大大降低；且大型铸件内部的缩孔 缩松缺陷均是粗加工之后才发现，此时毛坯铸件已经在大型精密机床上经 历了钻、磨、镗等加工以及大量冷热成型工艺，在产品中附加的劳动成本 非常高。并且，有些区域的缩孔缩松缺陷以现有条件无法修复，发现缺陷 后如果直接报废机身产品，将造成巨大的浪费，企业无法承受。并且由于成品的制造周期很长，轻易报废将大大延迟军品交付节点。

目前国内外在预防和减铸件中的缩孔缩松缺陷的工艺方面开展了较 多的研究，但由于大型复杂铸件本身的一些凝固要求和限制，虽然在工艺 流程方面做了很多的改进，仍然没有达到较理想的效果。目前，德国进口 机身铸件寿命可以达到24000小时以上，而国产最好的机身寿命还达不到 12000小时，有的甚至在出厂前的试车试验中发生故障。

鉴于此，需要提供一种新的铸造钢缩松缺陷评级方法。

需要说明的是，在上述背景技术部分公开的信息仅用于加强对本公开 的背景的理解，因此可以包括不构成对本领域普通技术人员已知的现有技 术的信息。

发明内容

本公开的目的在于提供一种铸造钢缩松缺陷评级方法，进而至少在一 定程度上克服由于相关技术的限制和缺陷而导致的一个或者多个问题。

根据本公开的一个方面，提供一种铸造钢缩松缺陷评级方法，包括：

为缩松配置多个表征量并计算所述缩松的当量初始缺陷尺寸；

对所述当量初始缺陷尺寸进行裂纹扩展速率试验以得到与所述当量 初始缺陷尺寸相应的疲劳寿命；

根据所述各所述表征量以及所述疲劳寿命得到缩松评估值并根据所 述缩松评估值对所述缩松进行评级。

在本公开的一种示例性实施例中，所述表征量包括直径、晶粒度、致 密度以及极限拉伸强度中的多种。

在本公开的一种示例性实施例中计算所述缩松的当量初始缺陷尺寸 包括：

按照如下公式计算所述缩松的当量初始缺陷尺寸：

F_a(0)＝a_rexp(-QT)；

其中，a_r为缩松出现的裂纹的尺寸；T为出现尺寸为a_r的裂纹的时间； Q为裂纹扩展参数；F_a(0)为当量初始缺陷尺寸。

在本公开的一种示例性实施例中，对所述当量初始缺陷尺寸进行裂纹 扩展速率试验以得到与所述当量初始缺陷尺寸相应的疲劳寿命包括：

分别在不同应力水平下对各所述缩松的所述当量初始缺陷尺寸进行 裂纹扩展速率试验；

根据实验结果得到与各所述当量初始缺陷尺寸相应的疲劳寿命。

在本公开的一种示例性实施例中，所述应力水平包括0.9、1.0以及1.1。

在本公开的一种示例性实施例中，根据所述各所述表征量以及所述疲 劳寿命得到缩松评估值包括：

利用一模糊算法对各所述表征量以及各所述疲劳寿命进行等级划分 以得到所述缩松评估值。

在本公开的一种示例性实施例中，所述等级划分的单位为2mm缩松。

在本公开的一种示例性实施例中，根据所述缩松评估值对所述缩松进 行评级包括：

判断所述缩松疲劳寿命评估值是否大于第一预设值，

在判断所述缩松疲劳寿命评估值大于所述第一预设值时，所述缩松评 估值对应的缩松缺陷为可容缺陷，不需要修复。

在本公开的一种示例性实施例中，所述铸造钢缩松缺陷评级方法还包 括：

在判断所述缩松疲劳寿命评估值小于所述第一预设值时，对所述缩松 评估值对应的缩松进行修复并判断修复后的缩松评估值是否大于第二预 设值；

在判断修复后的缩松疲劳寿命评估值大于所述第二预设值时，修复后 的缩松评估值对应的缩松缺陷为可修复缺陷。

在本公开的一种示例性实施例中，所述第一预设值为10⁷；所述第二 预设值为10⁶。

本公开一种铸造钢缩松缺陷评级方法，通过计算当量初始缺陷尺寸并 对当量初始缺陷尺寸进行裂纹扩展速率试验以得到相应的疲劳寿命；然后 根据各表征量以及各疲劳寿命得到缩松评估值并根据缩松评估值对缩松 进行评级；一方面，通过对缩松进行评级，可以对缩松的可靠性寿命进行 预测，可以对包括该缩松的铸件本身结构的使用和维护提供指导性意见； 另一方面，可以根据缩松的评级结果排除掉一部分不合格产品，可以避免 包括该缩松的铸件在使用过程中由于缩松的问题引起的进一步经济损失。

应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性和解释 性的，并不能限制本公开。

附图说明

此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本 公开的实施例，并与说明书一起用于解释本公开的原理。显而易见地，下 面描述中的附图仅仅是本公开的一些实施例，对于本领域普通技术人员来 讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1示意性示出一种铸造钢缩松缺陷评级方法的流程图。

图2示意性示出一种由TTCI数据确定EIFS分布的原理示例图。

图3示意性示出一种裂纹控制曲线示例图。

图4示意性示出一种缩松评级方法的流程图。

具体实施方式

现在将参考附图更全面地描述示例实施方式。然而，示例实施方式能 够以多种形式实施，且不应被理解为限于在此阐述的范例；相反，提供这 些实施方式使得本公开将更加全面和完整，并将示例实施方式的构思全面 地传达给本领域的技术人员。所描述的特征、结构或特性可以以任何合适 的方式结合在一个或更多实施方式中。在下面的描述中，提供许多具体细 节从而给出对本公开的实施方式的充分理解。然而，本领域技术人员将意识到，可以实践本公开的技术方案而省略所述特定细节中的一个或更多， 或者可以采用其它的方法、组元、装置、步骤等。在其它情况下，不详细 示出或描述公知技术方案以避免喧宾夺主而使得本公开的各方面变得模 糊。

此外，附图仅为本公开的示意性图解，并非一定是按比例绘制。图中 相同的附图标记表示相同或类似的部分，因而将省略对它们的重复描述。 附图中所示的一些方框图是功能实体，不一定必须与物理或逻辑上独立的 实体相对应。

目前，国内外在预防铸件中的缩孔缩松缺陷的工艺方面开展了较多的 研究；例如从凝固特点、凝固过程、生产工艺等方面做了大量的理论研究 和数值仿真模拟；进一步的提出了浇铸过程中需要注意的问题和改进工 艺。但是，由于球墨铸铁凝固和收缩特性非常复杂，影响因素繁多，因此 球墨铸铁的缩松形成机理一直没有形成统一而全面的认识；虽然现在很多 学者提出了球墨铸铁熔液凝固过程中存在着运动，并且说明了液体金属异 地抽吸是产生缩松的主要原因，但是目前还没有对这种运动的实质和理论 给出解释。对球墨铸铁缩松产生的种种因素，不同环境下，影响程度和表 现也会发生改变。

而且，这些工艺仅适用于小型铸件的质量改善，而由于大型复杂铸件 本身的一些凝固要求和限制，虽然在工艺流程方面做了很多的改进，仍然 没有达到较理想的效果。缩松的引入还是难以避免的存在。

有的企业全部从国外进口机身毛坯铸件，每件费用高达500万元，巨 额费用很多企业难以承担，并且进口件的缺陷同样存在。目前，我国在舰 用中高速柴油机重要零部件的缺陷评估研究基本上没有开展，使得军品验 收、使用和维护均缺乏规范和依据。且机身局部修复后的剩余强度、断裂 韧性、疲劳性能和材料综合性能的匹配问题研究均处于空白，缺乏相关的 评估依据。

本示例实施方式中首先提供了一种铸造钢缩松缺陷评级方法。参考图 1所示，该铸造钢缩松缺陷评级方法可以包括以下步骤：

步骤S110.为缩松配置多个表征量并计算各所述表征量的当量初始 缺陷尺寸。

步骤S120.对所述当量初始缺陷尺寸进行裂纹扩展速率试验以得到 与所述当量初始缺陷尺寸相应的疲劳寿命。

步骤S130.根据所述各所述表征量以及所述疲劳寿命得到缩松评估 值并根据所述缩松评估值对所述缩松进行评级。

上述铸造钢缩松缺陷评级方法中，一方面，通过对缩松进行评级，可 以对缩松的可靠性寿命进行预测，可以对包括该缩松的铸件本身结构的使 用和维护提供指导性意见；另一方面，可以根据缩松的评级结果排除掉一 部分不合格产品，可以避免包括该缩松的铸件在使用过程中由于缩松的问 题引起的进一步经济损失。

下面，将对本示例实施方式中上述铸造钢缩松缺陷评级方法中的各步 骤进行详细的解释以及说明。

在步骤S110中，为缩松配置多个表征量并计算所述缩松的当量初始 缺陷尺寸。

在本示例实施方式中，上述表征量例如可以包括尺寸、晶粒度、致密 度以及极限拉伸强度等等，也可以包括缩松的结构形貌等等，本示例实施 方式对此不做特殊限制。其中需要进一步解释说明的是，尺寸(可以记为 s)、晶粒度(可以记为g)、致密度(可以记为d)以及极限拉伸强度(可 以记为σ_b)可以通过测量得到；上述当量初始缺陷尺寸(EIFS，Equivalent Initial Flaw Size)可以和裂纹生成时间(TTCI，Time to CrackInitiation) 一起作为结构细节群的原始疲劳质量(IFQ，Initial Fatigue Quality)的评价标准；其中，TTCI是在给定应力水平下达到指定参考裂纹尺寸所经历 的时间(寿命)，由于IFQ不同会对应不同的TTCI，所以TTCI可以表示 出IFQ的优劣，是IFQ的一种表示形式。另外，可以将细节原始制造状态 当量认为是由于存在不同大小的初始缺陷，因此可以用当量初始缺陷尺寸 (EIFS)作为细节IFQ的定量描述；进一步的，描述结构细节群IFQ的 EIFS也可以是一个随机变量，可以称为EIFS分布。因此EIFS分布可由 TTCI分布推出，其原理可以参考图2所示。

进一步的，计算缩松的当量初始缺陷尺寸(EIFS)可以包括：按照如 下公式计算所述缩松的当量初始缺陷尺寸(EIFS)：

EIFS＝F_a(0)＝a_rexp(-QT)；

其中，a_r为缩松出现的裂纹的尺寸；T为出现尺寸为a_r的裂纹的时间； Q为裂纹扩展参数。详细而言：

参考图2所示，首先，对缩松周围出现的裂纹进行分析，可以得到裂 纹出现的尺寸(a)以及出现该尺寸的时间(t)；然后，根据尺寸(a)以 及时间(t)得到a-t数据集；进一步的，根据a-t数据集得到出现尺寸为a_r的裂纹的时间T，并根据a-t数据集以及尺寸为a_r的裂纹的时间T建立a-t 关系得到参考图2所示的曲线；最后，根据a_r以及T得到缩松的当量初始缺陷尺寸(EIFS)。进一步需要解释说明的是，原始疲劳质量(IFQ)可以 取决于材料和制造质量。

在步骤S120中，对所述当量初始缺陷尺寸进行裂纹扩展速率试验以 得到与所述当量初始缺陷尺寸相应的疲劳质量。其中，得到原始疲劳质量 可以包括步骤S1202以及步骤S1204。其中：

在步骤S1202中，分别在不同应力水平下形成多个缩松并对各所述缩 松的所述当量初始缺陷尺寸进行裂纹扩展速率试验。

在步骤S1204中，根据实验结果得到与各所述当量初始缺陷尺寸相应 的疲劳寿命。

下面，首先对原始疲劳质量的评估原理进行简单的解释以及说明。

首先，用X表示EIFS的随机变量，用x表示EIFS的取值，则EIFS 分布的概率密度f_x(x)和EIFS的累积分布F_x(x)可以包括：

且0＜x＜x_u；

且0＜x＜x_u；

其中，x为随机变量；x_u表示当量初始裂纹尺寸的上界；α为形状参 数；β为比例参数；Q为裂纹扩展参数。

其次，参考图3所示，各应力水平下的裂纹超越数概率p(i,t)可以为：

最后，各应力水平下的原始疲劳质量(IFQ)可以为：

紧接着，对上述步骤S1202以及步骤S1204进行进一步的解释以及说 明。

首先，分别在不同应力水平下(例如可以包括0.9、1.0以及1.1，也 可以包括其他应力水平，例如可以是1.2或者1.5等等，本示例对此不做 特殊限制)形成多个缩松，并计算各缩松的当量初始缺陷尺寸。

紧接着，对各缩松进行裂纹扩展速率试验以得到各应力水平下的裂纹 超越数概率p(i,t)。

最后，根据裂纹超越数概率p(i,t)计算各应力水平下的原始疲劳质量 (IFQ)可以为：得到疲劳寿命N_i。

在步骤S130中，根据所述各所述表征量以及所述疲劳寿命得到缩松 评估值并根据所述缩松评估值对所述缩松进行评级。

首先，根据所述各所述表征量以及所述疲劳寿命得到缩松评估值可以 包括：利用一模糊算法对各所述表征量以及各所述疲劳寿命进行等级划分 以得到所述缩松评估值。详细而言：

利用模糊算法对尺寸(可以记为s)、晶粒度(可以记为g)、致密度 (可以记为d)以及极限拉伸强度(可以记为σ_b)以及疲劳寿命N_i进行等 级划分，然后得到缩松评估值(可以记为B*)，缩松评估值例如可以是3*10⁷，也可以是2*10⁵等等，本示例对此不做特殊限制。此处需要补充说 明的是，等级划分的单位可以包括2mm缩松，也可以是1.5mm缩松或者 2.5mm等等，本示例对此不做特殊限制。

其次，参考图4所示，根据所述缩松评估值对所述缩松进行评级可以 包括步骤S410-步骤S440。其中：

在步骤S410中，判断所述缩松疲劳寿命评估值是否大于第一预设值。

在本示例实施方式中，第一预设值可以是10⁷，也可以是其他值，例 如也可以是10⁸，本示例对此不做特殊限制。其中，该第一预设值的单位 可以是Circles(循环次数)。举例而言：

可以根据上述缩松评估值(例如可以包括3*10⁷或者2*10⁵)的大小来 判断该缩松评估值是否大于该第一预设值。

在步骤S420中，在判断所述缩松疲劳寿命评估值大于所述第一预设 值时，所述缩松评估值对应的缩松缺陷为可容缺陷，不需要修复。举例而 言：

当上述缩松评估值为3*10⁷时，则可以认为该缩松评估值大于该第一 预设值，因此可以认为该缩松评估值对应的缩松为可容缺陷，不需要进行 进一步的修复，该构件可以正常的投入使用。

在步骤S430中，在判断所述缩松疲劳寿命评估值小于所述第一预设 值时，对所述缩松评估值对应的缩松进行修复并判断修复后的缩松评估值 是否大于第二预设值。举例而言：

当上述缩松评估值为2*10⁵时，则可以认为该缩松评估值小于该第一 预设值，因此需要对该缩松进行补充焊接；然后将补充焊接以后的缩松再 一次进行疲劳试验并得到新的缩松评估值(例如可以包括3*10⁶或者是 3*10⁵等等，本示例对此不做特殊限制)；最后再判断新的缩松评估值是否 大于第二预设值(第二预设值可以是10⁶，也可以是其他值，例如可以是 2*10⁶等等，本示例对此不做特殊限制；另外，第二预设值的单位可以是 Circles(循环次数))。

在步骤S440中，在判断修复后的缩松疲劳寿命评估值大于所述第二 预设值时，修复后的缩松评估值对应的缩松缺陷为可修复缺陷。举例而言：

当新的缩松评估值是3*10⁶时，则可以认为该新的缩松评估值大于该 第二预设值，因此可以认为该新的缩松评估值对应的缩松为可修复缺陷， 可以在进一步修复以后，将该构件投入使用。

进一步的，当新的缩松评估值是3*10⁵时，则可以认为该新的缩松评 估值小于该第二预设值，因此可以认为该新的缩松评估值对应的缩松为不 可修复缺陷，需要将该构件报废。

通过上述方法，可以为解决分析缩孔缩松在结构不同部位及各种载荷 环境工况下的失效模式，损伤容限，威胁度评价，可靠性寿命预测，检查 周期提示，维修补缩或加固方案以及维修后的剩余可靠性评定等一系列问 题。建立具有科学理论依据的综合评价流程和规范，对柴油机机身结构的 使用和维护提供指导性意见。

并且，应用杉树方法还可以对机身铸造缺陷进行评估，对毛坯件进行 评估。经过对含有缩孔缩松缺陷的机身结构件进行评估后装备到海军舰船 的大型柴油机上，可满足发动机的额定功率能够达到8000-9000kW，突发 的机动战斗中处于超负荷运转状态的状况。保证含缺陷的机身结构能承受 各种恶劣的工况载荷、可靠地完成护航和战斗任务。

更进一步的，本公开提供的方法可以基于理论和试验相结合，可操作 性强，为研究舰用中高速柴油机机身的可靠性分析提供重要的参考评估方 法，不仅能够解决目前大型重要结构铸件的评估无依无靠的尴尬局面，而 且对我国大型柴油机的生产、交付、使用和评估等环节提供有力支持，同 时对企业缩短产品的制造周期、节约企业成本、保障军品使用的可靠性均 具有重要的意义。

此外，尽管在附图中以特定顺序描述了本公开中方法的各个步骤，但 是，这并非要求或者暗示必须按照该特定顺序来执行这些步骤，或是必须 执行全部所示的步骤才能实现期望的结果。附加的或备选的，可以省略某 些步骤，将多个步骤合并为一个步骤执行，以及/或者将一个步骤分解为多 个步骤执行等。

本领域技术人员在考虑说明书及实践这里公开的发明后，将容易想到 本公开的其它实施方案。本申请旨在涵盖本公开的任何变型、用途或者适 应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本公开的一般性原理并包 括本公开未公开的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。说明书和实 施例仅被视为示例性的，本公开的真正范围和精神由所附的权利要求指 出。

Claims (10)

1.一种铸造钢缩松缺陷评级方法，其特征在于，包括：

为缩松配置多个表征量并计算所述缩松的当量初始缺陷尺寸；

对所述当量初始缺陷尺寸进行裂纹扩展速率试验以得到与所述当量初始缺陷尺寸相应的疲劳寿命；

根据所述各所述表征量以及所述疲劳寿命得到缩松评估值并根据所述缩松评估值对所述缩松进行评级。

2.根据权利要求1所述的铸造钢缩松缺陷评级方法，其特征在于，所述表征量包括缩松直径、晶粒度、致密度以及极限拉伸强度中的多种。

3.根据权利要求2所述的铸造钢缩松缺陷评级方法，其特征在于计算所述缩松的当量初始缺陷尺寸包括：

按照如下公式计算所述缩松的当量初始缺陷尺寸：

F_a(0)＝a_rexp(-QT)；

其中，a_r为缩松出现的裂纹的尺寸；T为出现尺寸为a_r的裂纹的时间；Q为裂纹扩展参数；F_a(0)为当量初始缺陷尺寸。

4.根据权利要求3所述的铸造钢缩松缺陷评级方法，其特征在于，对所述当量初始缺陷尺寸进行裂纹扩展速率试验以得到与所述当量初始缺陷尺寸相应的疲劳寿命包括：

分别在不同应力水平下对各所述缩松的所述当量初始缺陷尺寸进行裂纹扩展速率试验；

根据实验结果得到与各所述当量初始缺陷尺寸相应的疲劳寿命。

5.根据权利要求4所述的铸造钢缩松缺陷评级方法，其特征在于，所述应力水平包括0.9、1.0以及1.1。

6.根据权利要求4所述的铸造钢缩松缺陷评级方法，其特征在于，根据所述各所述表征量以及所述疲劳寿命得到缩松评估值包括：

利用一模糊算法对各所述表征量以及各所述疲劳寿命进行等级划分以得到所述缩松评估值。

7.根据权利要求6所述的铸造钢缩松缺陷评级方法，其特征在于，所述等级划分的单位为2mm缩松。

8.根据权利要求6所述的铸造钢缩松缺陷评级方法，其特征在于，根据所述缩松评估值对所述缩松进行评级包括：

判断所述缩松疲劳寿命评估值是否大于第一预设值，

在判断所述缩松疲劳寿命评估值大于所述第一预设值时，所述缩松评估值对应的缩松缺陷为可容缺陷，不需要修复。

9.根据权利要求8所述的铸造钢缩松缺陷评级方法，其特征在于，所述铸造钢缩松缺陷评级方法还包括：

在判断所述缩松疲劳寿命评估值小于所述第一预设值时，对所述缩松评估值对应的缩松进行修复并判断修复后的缩松评估值是否大于第二预设值；

在判断修复后的缩松疲劳寿命评估值大于所述第二预设值时，修复后的缩松评估值对应的缩松缺陷为可修复缺陷。

10.根据根据权利要求9所述的铸造钢缩松缺陷评级方法，其特征在于，所述第一预设值为10⁷；所述第二预设值为10⁶。