大型自由锻件的RST效应

长期以来，一些大型自由锻件的质量问题是超声检测时出现大面积密集缺陷，严重时底波减小甚至完全消失。针对这种内部层状裂纹缺陷，有人做过理论分析，提出了最容易产生缺陷的三个原因：非遗忘疏松；夹杂物裂纹；氢脆或白斑。然后根据显微镜观察，逐一鉴别。但观察结果已经排除了上述三种可能。经过长期的观察和分析，提出了一种新的力学效应模型——RST效应。一、rst效应的定义和条件。在锻造过程中，大圆饼和板状自由锻件的内部层状裂纹缺陷是由一种特殊的力学效应引起的，这种效应被定义为RST效应(RigidSlideTearingEffect)。图1显示了锻造过程中的RST效应。其特征在于，当锻造工具(砧等)的尺寸。)在两个方向(如砧座的长度和宽度，镦粗至直径)上与锻件接触的表面大大超过毛坯的高度，毛坯中的上下刚性区域相遇。然后，在压力的持续作用下，刚性区内部发生层流刚性滑动变形，导致撕裂。(a)上下刚性区在锻炼过程中“相遇”;(二)RST裂纹内侧练习图1 RST效应的条件表明，毛坯内侧的刚性区是由工具与毛坯表面的摩擦引起的，也称为“死区”或“摩擦锥”。实际上，一般来说，刚性区的金属并不是完全刚性的，而是从表面对称中心向坯料内部呈一定梯度的小应变率分布。刚性区的边界没有严格的规定，技术人员往往以0.0015-1的应变率作为判断其边界的条件。图2示出了在三种条件下在坯料中相遇的刚体模型(三维视野):平板间镦粗、用平砧拉拔锻造板以及用上平砧和下转盘形成管板。前两种情况的特点是对称变形，刚体是对称的上下截头体或棱形锻台。第三种情况，变形是上下不对称的，刚体也应该是上下对称的棱形平截头体。(a)内部刚体在平板之间的镦粗过程中相遇；( b)当平砧延伸时内部刚体相遇；( c)当上平砧和下平台形成管板时内部刚体相遇。图2不同锻造方式下坯料内部的刚体。从这个角度来看，RST效应产生的前提条件是：(1)特殊的边界条件和刀具尺寸条件，如摩擦系数、砧座长度L、砧座宽度W和坯料高度H。(2)在上述变形条件下形成的坯料内部的刚体满足后，继续施加一定量的压下变形。(3)刚体内部的金属完全失去弹性和塑性变形能力，在压力下继续强制变形，使其被迫发生层流刚性滑动(或层流脆性滑动)，直至超过材料的剪切应变强度而撕裂破坏。第二，RST效应的机理。RST效应不是瞬间突然作用的，其机理按力学特性可分为三个阶段：弹性压缩变形，刚性剪切变形，刚性滑动撕裂。弹性变形阶段是指坯料中的上下刚体在外力作用下接触并继续相向运动时，刚体中发生弹性变形的过程。这个阶段一般比较短。两个刚体接触宽度内的弹性势能充分释放后，这部分材料被“压实”，如图3所示。图first效应第一阶段机理示意图(a)“死区”不接触；(b)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当坯料中刚体内的“压实区”没有弹性压缩能力时，会继续被强制压缩，使其高度降低，迫使金属像层一样横向移动，如图4所示。刚性剪切变形阶段的特征。图4还显示了dist

由于“压实带”中金属层(刚性层)之间横向运动速度的差异，相邻层之间发生剪切运动，故称为刚性变形阶段。刚性滑动撕裂阶段是指刚性层间剪切变形达到一定极限值(即此时材料的剪切强度)时开始的撕裂破坏过程。首先在一些刚性层之间产生裂纹，然后继续滑动和撕裂扩大，直到坯料外部变形完毕。在这个过程中，“压实带”中的金属实际上具有类似岩石的脆性材料的特征。图5示出了该阶段坯料的内部特征。图5刚性滑动撕裂阶段的特征事实上，在描述这一过程中金属在“压实区”的性质时，无论使用“刚性”。

　　三、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坯料接触的尺寸总是远大于坯料高度H，但是只要合理控制进砧宽度W，就可以避免刚性体相遇。考虑变形对称的场合，几何参数有如下关系：

　　α＝β，h＝l　　(1)

　　在一般的高温(如T≥1 100 ℃)变形状态下，摩擦系数μ大约在0.37～0.42之间。当W/H＝1时，

　　α＝33．3 °～37.0 °　h＝l＝0．37～0．42 H。

　　实际成形管板和板坯时，在初始阶段由于坯料的高度尺寸较大，W总是小于H，只是在成形后期才会出现W>H的情况。由于这时坯料表面温度已经降低(≤900 ℃)，所以将摩擦系数μ按0.37计算，在W/H＝1．35时，坯料内部的上下两个刚性体才会相遇。此外，考虑到在此时的温度条件下，压下变形量不宜太大(εh≤15%)，以及在压下过程中，由于坯料的伸长和展宽，使W值发生增长(约10%)现象。另外，为了保证良好的内部变形效果，使初始时的W/H≥0.5，所以规定了避免RST效应的锻造成形工艺准则为：

　　0.5≤W/H≤1.0， εh≤15%　　(3)

　　在由镦粗成形的场合，应限制锻件径高比为：

　　D/H≤1.35或H/D≥0.74　　(4)

　　其中，式(3)对上下变形不对称的场合也适用。

　　四、结论

　　RST效应主要与在锻造成形过程中，因表面摩擦影响产生的坯料内部刚性体高度有关，其发展过程有弹性压缩变形、刚性剪切变形和刚性滑动撕裂3个阶段。合理控制锻造成形过程中的砧宽比和压下量两个工艺参数，可以有效地避免RST效应的危害作用。