大型自由锻件的rst效应

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1、大型自由锻件的RST效应摘要：大型自由锻件在生产过程中存在一种新的力学效应(RST效应)，它会导致产品内部出现夹层裂纹缺陷。经过观察和分析，提出了避免其危害的工艺准则。 长期以来，一些大型自由锻件的质量问题是在超声波探伤时，出现大面积密集型缺陷，严重时底波降低，甚至完全消失。 针对这种内部层状裂纹型缺陷，有人曾做过理论分析，提出了3种最有可能产生缺陷的理由：①未锻合的疏松；②夹杂性裂纹；③氢脆或白点。然后，根据显微观察来逐一辨别确认。但是，观察结果却排除了上述3种可能性。经过长期的观察和分析，推出了一个新的力学效应模型，即RST效应。 1　RST效应的定义和产生

2、条件 大型圆饼类和板类自由锻件，在锻造成形过程中，经受很大的变形量后产生的内部层状裂纹缺陷，是由一种特殊的力学效应引起的，定义为RST效应(RigidSlideTearingEffect，刚性滑动撕裂效应)。 图1表示了在锻造过程中产生RST效应的情况。其特点是：当锻造工具(砧子等)在与锻件相接触表面上两方向(如砧子的长度和宽度，镦粗为直径)的尺寸都大大超过坯料的高度时，致使坯料内上下两个刚性区相遇。随后，在压机力的继续作用下，产生刚性区内部的层状刚性滑动变形并导致撕裂。  (a)锻炼过程中上下两个刚性区“相遇” (b)锻炼内部的RST裂纹 图1　RST效应产生

3、条件示意 坯料内部的刚性区是由工具和坯料表面的摩擦引起的，也称“死区”或“摩擦锥”。实际上，刚性区内的金属一般情况下并不完全呈整体刚性状态，而是从表面对称中心开始，向坯料内部呈一定梯度的小应变速率分布。刚性区的边界也无严格的规定，技术人员常以应变速率<0.0015－1为判别其边界的条件。图2表示了在平板间镦粗、平砧拔长锻板和上平砧、下转台成形管板的3种情况下，坯料内部刚性体(三维视场)相遇的模型。前2种情况具有变形对称的特点，刚性体分别为对称的上下锥台或棱形锻台；第3种情况为上下不对称的变形，刚性体也应为上下对称的棱形锥台。 (a)平板间镦粗时内部刚性体相遇 (

4、b)平砧拔长时内部刚性体相遇 上平砧、下平台成形管板时内部刚性体相遇 图2　不同锻造方式下坯料内部的刚性体由此看来，导致RST效应的先决条件为： (1)特殊的边界条件和工具尺寸条件，如摩擦系数μ，砧子的长度L，进砧宽度W及坯料高度H。 (2)在上述变形条件下形成坯料内部的刚性体相遇后，继续施以一定的压下变形量。 (3)刚性体内部的金属完全失去弹性和塑性变形能力，在压力下继续强制性变形，被迫发生层状刚性滑动(或层状脆性滑动)，直至超过材料的剪应变强度而撕裂破坏。 2　RST效应的作用机制 RST效应并不是在瞬间突然作用的，其机制按力学特性分为3个发展阶段：①弹性压

5、缩变形，②刚性剪切变形，③刚性滑动撕裂。 弹性压缩变形阶段是指坯料内部上下两个刚性体发生了接触，并且在外力的作用下继续相向运动时，在刚性体内部产生弹性变形的过程。这一阶段一般比较短暂，在两刚性体接触宽度内的弹性潜能充分释放后，这部分材料就被“压实”了，如图3所示。  图3　RST效应作用第一阶段机制示意图 (a)“死区”未接触；(b)刚刚相遇，弹性压缩变形开始；c弹性压缩变形结束。刚性剪切变形阶段，是指在坯料内刚性体中的“压实区”已不具有弹性压缩能力的情况下，继续受力强制压缩，使其高度减小，迫使金属发生类似层状的横向运动，如图4所示。 图4　刚性剪切变形阶段特征

6、图4还给出了在受力中心线上横向运动速度的分布。由于坯料受表面摩擦的影响，与刚性体的形状有关，所以这种速度的分布从表面到中心呈一定的梯度。由于“压实区”内各金属层(刚性层)之间存在着横向移动速度的差别，便导致产生了相邻层间的剪切运动，所以称之为刚性变形阶段。 刚性滑动撕裂阶段是指在刚性层间的剪切变形量达到某一极限值(即此时的材料剪切强度)时开始的撕裂破坏过程。首先，在部分刚性层间产生裂纹，然后再继续滑动撕裂扩大，直至坯料外部的受力压下变形结束为止。在这个过程中，处于“压实区”内的金属已实际上具有如同岩石一般脆性材料的特性了。图5表示此阶段的坯料内部特征。  图5　

7、刚性滑动撕裂阶段特征事实上，在描述这一过程中“压实区”内金属的性质，无论用“刚性”或是“脆性”都不十分合适。这是因为刚性指不变形的意思，但是它又不象脆性材料那样，在压缩时呈近似45°角的破坏。 3　避免RST效应的工艺准则 根据RST效应的作用机制，只要合理控制锻造时的工艺参数，使坯料内部的刚性体不发生相遇，就可以完全避免由RST效应导致锻件内部产生“层状裂纹”的缺陷。图6表示了平砧锻造时，工艺参数(砧宽W0，坯料高度H)和刚性体尺寸参数(摩擦角α、β，刚性体高度h,l)之间的关系。  图6　工艺参数与刚性体尺寸之间的关系通常，成形管板和锻板时在砧子长度方向上与

8、坯料接触的尺寸总是远大于