大截面模具钢锻件内部空洞缺陷的闭合研究

论文摘要

大型锻件作为大型成套设备的核心零件，在国民经济建设、国防装备发展和现代尖端科学技术重大装置的建设中，起着非常重要的作用。其生产能力、产品级别与性能质量水平己成为一个国家工业水平的标志。然而，钢铁冶金过程决定了大型钢锭内部不可避免地会存在空洞型缺陷,内部空洞的存在破坏了金属的连续性，容易形成应力集中与裂纹损伤，导致锻件寿命缩短甚至报废，因此对消除锻件内部空洞型缺陷的研究显得尤为重要。由于大锻件体积大、重量高、价格昂贵，直接用大锻件进行试验受到诸多限制，本文采用数值模拟与物理模拟相结合的方法，研究了锻件内部空洞闭合的规律及影响因素，并且将研究的结果运用到实际生产的工艺改进中。先对718钢圆柱体小试件（其纵轴线和横轴线上有人工加工的φ2mm的通孔）进行热压镦粗实验，中心纵孔试件其两端的孔洞直径稍有减小，中间部分孔径扩张趋势很大，而横孔试件均已闭合。通过实验得出718钢应力、应变曲线，导入到有限元模拟软件DEFORM材料库中，然后通过有限元模拟软件DEFORM对小试件镦粗过程进行数值模拟，给出了锻件内部应力、应变分布情况，对中心横孔的闭合过程为圆孔→椭圆孔→缝隙→闭合，并对纵、横孔孔洞尺寸进行测量，与实验结果对比，其最大误差不超过10%。对于大锻件内部空洞的影响因素的研究，分别从空洞位置、形状、锻件的高径比、压下率、砧宽比这几方面进行了模拟研究，得出了它们对大锻件内部空洞闭合的影响规律。对某工厂45吨718钢锻件的锻造工艺进行三维数值模拟，得出大锻件内部空洞的演化趋势，然后运用前面的模拟结论，调整锻造工艺参数再进行数值模拟，使其内部空洞闭合。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 国内外关于空洞闭合的研究现状
• 1.3 本文研究的主要内容
• 第二章 有限元法的基本理论
• 2.1 有限元法的概念
• 2.2 塑性成形中的有限元技术
• 2.2.1 塑性有限元的发展
• 2.2.2 刚塑性有限元基本方程
• 2.2.3 刚塑性有限元虚功原理
• 2.2.4 刚塑性有限元变分原理
• 2.2.5 刚塑性有限元求解过程
• 2.3 有限元模拟系统分析
• 2.3.1 有限元模拟系统的组成
• 2.3.2 有限元模拟系统的发展过程
• 2.3.3 常用有限元软件简介
• 2.4 本章小结
• 第三章 带有通孔的圆柱体小试样的镦粗数值模拟
• 3.1 DEFORMTM软件介绍
• 3.2 建立模型
• 3.3 数值分析过程设置
• 3.3.1 材料导入
• 3.3.2 网格划分
• 3.3.3 基本步距的确定
• 3.3.4 初始条件的设置
• 3.4 数值模拟后处理
• 3.4.1 应力分析
• 3.4.2 等效应变分析
• 3.4.3 中心横孔闭合效果
• 3.4.4 金属流动分析
• 3.4.5 载荷分析
• 3.5 本章小结
• 第四章 718 钢小试样镦粗物理实验
• 4.1 概述
• 4.2 镦粗材料
• 4.3 镦粗设备
• 4.4 镦粗实验方案
• 4.5 718 钢应力与应变曲线
• 4.6 718 钢小试样微观组织金相分析
• 4.6.1 纵孔金相组织分析
• 4.6.2 横孔金相组织分析
• 4.7 物理实验与模拟分析的结果对比
• 4.8 本章小结
• 第五章 大锻件内部空洞闭合的数值模拟
• 5.1 概述
• 5.2 大型锻件内部空洞模型及其演化
• 5.2.1 大型锻件的空洞模型
• 5.2.2 大型锻件内部空洞演化的一般模型
• 5.3 不同位置的空洞对空洞闭合的影响
• 5.3.1 模拟参数的设置
• 5.3.2 不同空洞位置的空洞闭合情况对比分析
• 5.4 不同形状的空洞对空洞闭合的影响
• 5.5 锻件高径比对孔洞闭合的影响
• 5.5.1 不同高径比的孔洞的闭合情况
• 5.5.2 等效应变分析
• 5.6 不同压下率对空洞闭合的影响
• 5.7 不同砧宽比对孔洞闭合的影响
• 5.7.1 不同砧宽比对空洞闭合尺寸的影响
• 5.7.2 不同砧宽比载荷对比
• 5.8 本章小结
• 第六章 45 吨 718 钢钢锭内部空洞的闭合工艺改进
• 6.1 45 吨大截面模具钢的现有锻造工艺
• 6.2 成材件内部质量分析
• 6.3 钢锭铸造时疏松和缩孔分布情况模拟
• 6.4 DEFORM 模拟钢锭锻造情况
• 6.4.1 钢锭建模
• 6.4.2 模拟参数设置
• 6.4.3 实际工艺过程模拟
• 6.4.4 对实际工艺的改进
• 6.5 本章小结
• 第七章 总结与展望
• 7.1 总结
• 7.1.1 小试样空洞闭合实验与模拟总结
• 7.1.2 大锻件空洞闭合规律模拟总结
• 7.2 展望
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表的学术论文及取得的相关科研成果
• 致谢