大型零件热态成形过程氢脆损伤机理及预控

结题报告

项目介绍

AI项目解读

基本信息

批准号：
51075352
项目类别：
面上项目
资助金额：
38.0万
负责人：
杜凤山
依托单位：
燕山大学
学科分类：
E0508.成形制造
结题年份：
2013
批准年份：
2010
项目状态：
已结题
起止时间：
2011-01-01 至2013-12-31

项目参与者：
许志强；于辉；于玉真；丁华；陈飞；李杰；马冰；李源；张国良；
关键词：
晶体塑性理论白点锻合大型零件氢脆锻造

项目摘要

重大装备大型零件（如发电机转子、锻钢支承辊等），重达几十吨到数百吨，材料利用率不足55％，属于国家未来科技发展的前沿技术。大锻件高温成形及其温降过程因氢析出，并偏聚于心部位错区、偏析区或中部未锻实的疏松区，所产生内高压和微细裂纹极易导致零件突然断裂，称之为氢脆（又称白点），被认为是大锻件的"癌症"。为研究氢脆诱发断裂破坏机理，将大锻件分为宏微观变形区和细观变形氢脆区，采用宏微观数值分析方法与晶体塑性理论结合，研究氢含量及其析出对白点区内应力的作用，分析氢扩散与氢偏聚对锻造缺陷及微裂纹扩展规律的影响。研究白点区细观晶体塑性理论与其外部宏微观变形的耦联关系。研究大锻件在氢压作用下的并行算法，优化锻造成形工艺和消除白点的热成形条件，建立氢脆预测和防控理论体系模型，形成大型零件氢脆预测和防控最佳工艺系统。本项研究对指导大型零件成形制造和提高其使用寿命具有重要作用，研究成果处于国际领先地位。

结项摘要

大型或特大型零件的成形制造是重大装备研制的关键技术，其制造质量直接影响到重大装备的整体寿命和运行的可靠性。它关系着国家电力、船舶、冶金、石化、国防工业的的发展，属于国家重工业领域的基础科学问题。在大型零件热态成形过程中，氢害的作用备受工业企业和专家们的关注。液态金属溶解了大量的氢，随着材料温度的降低氢扩散能力不断下降，并向金属内部空隙处偏聚形成高压内应力，引起金属材料塑性下降，诱发脆性断裂。. 本课题以大锻件的氢害缺陷——白点为研究对象，针对液态金属的氢含量建立了氢溶解度模型和氢扩散模型，建立了非理想气体状态方程，研究了大锻件成形过程氢扩散浓度场和高压内应力场的形成过程，给出了不同孔隙相对位置及体积对内应力场分布的影响；研究大锻件锻后热处理过程的氢扩散问题，提取热处理后的残余应力场，考虑大锻件成形过程孔隙率的变化对氢压强度的影响，研究了大锻件高温成形不同工艺参数对心部压实、孔隙性缺陷锻合程度的影响，以及残余应力下微孔隙周围的氢聚集情况与微孔隙内部的应力状态；考虑材料的晶体方位以及位错滑移特征对晶体材料的塑性流动的作用，采用晶体塑性理论，将材料的微结构特性引入到大锻件宏观变形的本构模型中。通过有限元软件Abaqus中的材料子模块UMAT，将晶体塑性理论与有限元仿真相结合。通过voronoi微结构细观建模，建立了大锻件的宏-细观跨尺度模型，进一步研究了氢脆区晶粒的宏细观变形行为；在氢致脆化理论的基础上，研究氢对金属塑性及力学性能的影响。使氢向金属试件中扩散，获得了不同电流及时间条件下的氢扩散试件。实验研究表明Cr含量对钢的敏感性的影响极大。金属Cr的周围易形成孔隙产生氢偏聚，充氢后试件的抗拉强度和延伸率等力学性能指标均小于未充氢试件的力学性能指标，且充氢时间越长、电流越大试件越易断产生脆性断裂，但材料屈服强度变化较小；基于原子键合力理论建立了内聚力模型，综合考虑氢压强度、残余应力场等多种影响因素，优化大锻件锻造工艺，给出了一种能够快速预报锻件内部白点萌生的方法。提出了热处理排氢控制氢浓度、提高锻件孔隙压实均匀性和降低热处理残余应力改善锻件白点敏感性等措施来预防和控制氢脆的萌生。. 本项目的研究成果，不仅能够从机械科学领域揭示氢害的形成机理，还提出了控制氢害的成形工艺，对于指导大型零件工业生产具有实际意义。