大型锻件内裂纹愈合的理论和实验研究

论文摘要

大型锻件作为大型成套设备的核心零件,对国民经济建设、国防装备发展和现代尖端科学技术重大装置的发展影响很大。其生产能力、产品级别与性能质量水平是一个国家工业水平的标志之一。在大型锻件生产中,锻件内裂纹缺陷是直接影响大型锻件质量的共性技术难题。论文针对大型锻件内裂纹缺陷愈合的现象,对其内裂纹愈合的行为特性以及愈合原理进行了深入的实验和理论研究。内裂纹愈合实验中发现,内裂纹愈合在细观上表现为内裂纹表面愈合结晶或内裂纹表面附近的基体晶粒长大。内裂纹表面愈合结晶与内裂纹表面附近的基体晶粒长大都是内裂纹表面迁移的方式,二者的物质来源是基体中的原子扩散。内裂纹愈合过程发生必然存在其热力学驱动力,对含不同形态内裂纹的试样进行了加热保温实验、热塑性变形实验以及热塑性变形后加热保温实验。实验发现,内裂纹存在愈合现象,其愈合行为与加热温度、保温时间等外部因素有关,但受裂纹自身条件控制。根据实验结果提出内裂纹表面附近的畸变能是内裂纹愈合的驱动力。内裂纹愈合的宏观过程即是内裂纹表面向裂纹中心方向迁移的过程,根据界面迁移理论及表面TLK模型,提出内裂纹表面迁移的物理模型。根据热力学原理,得到扁平币形内裂纹表面迁移行为启动的判据,提出孔隙型缺陷表面迁移行为启动临界半径的概念。内裂纹愈合的微观过程是基体中原子向裂纹表面扩散迁移的过程,根据热力学定律,得到内裂纹愈合的热力学模型,可以用来估算内裂纹的最终愈合程度,该模型的计算结果符合内裂纹愈合实验得到的内裂纹愈合规律。根据原子扩散理论,得到以内裂纹表面附近畸变能为驱动力的内裂纹原子扩散愈合模型,该模型的计算结果与实验结果接近。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 大型锻件的内裂纹及其成因
• 1.3 关于大型锻件制造过程中内部孔隙型缺陷行为的研究概述
• 1.3.1 大型锻件锻造过程中孔隙型缺陷行为的研究
• 1.3.2 加热保温过程中大型锻件内裂纹愈合的研究
• 1.4 材料裂纹缺陷愈合机理的研究概述
• 1.4.1 非金属材料裂纹愈合的研究
• 1.4.2 金属材料内裂纹愈合机理的研究
• 1.5 内裂纹愈合研究存在的主要问题
• 1.6 本文研究内容
• 第2章 大型锻件内裂纹愈合的实验研究
• 2.1 试样制备
• 2.1.1 试样材料
• 2.1.2 内裂纹模型
• 2.2 实验方案
• 2.2.1 加热温度与加热方式
• 2.2.2 保温时间
• 2.3 实验过程与实验结果
• 2.3.1 高温愈合
• 2.3.2 变形愈合
• 2.4 内裂纹愈合实验结果的分析
• 2.4.1 温度对内裂纹愈合的影响
• 2.4.2 保温时间对内裂纹愈合的影响
• 2.4.3 变形量对内裂纹愈合的影响
• 2.4.4 原子扩散对内裂纹愈合的影响
• 2.4.5 表面愈合结晶对内裂纹愈合的影响
• 2.4.6 裂纹形貌对内裂纹愈合的影响
• 2.4.7 表面能量状态对内裂纹愈合的影响
• 2.5 内裂纹愈合的物理模型
• 2.6 本章小结
• 第3章 内裂纹愈合过程中的表面迁移研究
• 3.1 金属材料中的交界面
• 3.2 金属表面
• 3.2.1 表面特性
• 3.2.2 表面模型
• 3.3 金属中的界面
• 3.3.1 界面特性
• 3.3.2 金属中的界面迁移
• 3.4 内裂纹表面
• 3.4.1 内裂纹表面的特点
• 3.4.2 内裂纹表面迁移现象
• 3.4.3 内裂纹表面迁移
• 3.4.4 内裂纹表面迁移的机制与模型
• 3.4.5 内裂纹表面迁移的热力学模型
• 3.5 本章小结
• 第4章 内裂纹愈合过程中的原子扩散研究
• 4.1 扩散的概念
• 4.2 扩散的种类
• 4.3 原子扩散的基础理论
• 4.3.1 扩散的微观机制与扩散系数
• 4.3.2 扩散系数的影响因素
• 4.3.3 扩散的唯象理论
• 4.3.4 扩散的热力学定律
• 4.4 45 钢内裂纹热愈合过程中的原子扩散
• 4.4.1 45 钢内裂纹愈合过程中原子扩散的特性
• 4.4.2 内裂纹愈合过程中原子扩散的热力学机理
• 4.4.3 基于原子扩散的内裂纹愈合数学模型
• 4.4.4 内裂纹愈合数学模型的求解
• 4.5 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读博士学位期间承担的科研任务与主要成果
• 致谢
• 作者简介