模擬技術是研究大型鍛件控制鍛造理論的有效方法，在縮短試驗周期等方面具有無可比擬的優越性，為此研制了以高溫云紋法為代表的物理和數值模擬技術。針對大型鍛件中存在的質量問題，研究了內部缺陷的形成過程及影響因素，發現了變形體中存在剪切帶、夾雜性裂紋聚合、損傷與修復等新現象，并對其規律進行了深入研究。制定了大型鍛件鍛造工藝規范，對提高產品質量起到了重要的作用。
大型鍛件出廠前，不僅要求做機械性能和晶粒度檢驗，而且要求做超聲波探傷檢查，特別是核電鍛件還需作TNDT（無延性轉變溫度）分析。雖然鋼鐵冶煉技術發展迅速，但是其冶煉和凝固特性決定了鋼錠中不可避免地存在夾雜物和大小、位向不同的晶粒，而且隨著鋼錠增大，夾雜物和粗大晶粒將更為明顯。因此，夾雜物和晶界的變化仍然是引起大型鍛件報廢的重要原因，深入研究其變化和影響規律，對于提高產品質量起著舉足輕重的作用。
為此，探索了以云紋法為代表的高溫、三維、動態模擬技術，并用此研究了大型鍛件的變形規律、內部缺陷的損傷和修復機制、晶粒組織控制過程，提出了控制鍛造理論的雛形。依此解決了許多生產難題，特別是制造出了具有國際先進水平的核電大型鍛件。
1 模擬技術及分析測試方法
大型鍛件多為單件生產，生產過程復雜、周期長、成本高故不適合于用實物進行研究以獲取質量控制理論、基本規律等。采用模擬技術研究大型鍛件的質量控制規律是目前公認的有效的方法之一。
高溫云紋法可以用于模擬研究大型鍛件的生產過程。使用離子轟擊法直接在鋼試件表面上制造云紋柵版，分辨率可達0.05 mm、耐高溫可達1250℃。在熱模擬爐中試件根據需要發生變形, 圖像分析系統進行現場數據動態采集，解決了高溫、微觀分析變形的技術難題。在塑性變形過程中, 探討了使用聲顯微鏡無損檢測材料內部缺陷的變化過程，取得了滿意的效果。通過計算機數值分析技術將缺陷的變化過程參數加以模擬，能夠獲得材料內部缺陷的三維動態變化規律。
目前，已掌握了高溫云紋法模擬技術，用聲顯微鏡檢測和計算機層析技術（CT技術）無損檢測和分析材料內部缺陷的發展、變化過程，以及鋼錠凝固、鍛造和熱處理的數值模擬研究方法。將上述研究方法集成，便可以用于研究高溫、三維、動態變形條件下材料內部缺陷的發展和變化過程，獲得質量控制鍛造規律。
2 鍛件變形分布規律
采用物理模擬方法系統地研究了餅塊類、桶體類、軸類鍛件內部的變形分布規律［2］。實驗發現，在變形過程中，由于邊界摩擦的作用，大變形區與剛性區之間無明顯的過渡區，在2區之間形成了劇烈的剪切變形帶；隨著變形的增大，變形區經較大變形后，材料內部的受力情況將發生變化。變形繼續增大時，則表現為剪切帶開始移動并引起剛性區逐層進入塑性狀態。在上述條件下，加之夾雜物和粗大晶界的存在，裂紋非常容易在夾雜物和晶界處產生。如鐓粗過程中，在與砧面接觸的剛性區和中間部分的大變形區之間的剪切帶中變形非常劇烈，當變形達到某一特定值時，原剛性區開始發生變形致使載荷急劇增大，此時經常引起缺陷擴展。在模塊、桶體、軸類鍛件變形過程中也存在類似現象。
采用云紋法研究了夾雜、空洞等缺陷處的微觀變形分布情況，證明了缺陷的形貌直接影響著應力集中程度，剪切變形和缺陷局部應力的綜合作用致使缺陷之間金屬基體斷裂，微小夾雜通過裂紋相連，然后夾雜擠入裂紋，直至形成更大的夾雜性裂紋是引起探傷超標的重要原因之一。用此可以圓滿地解釋餅塊類鍛件中心夾陷層缺陷形成的原因，并為消除此類缺陷奠定了理論基礎。
夾雜物形貌和晶界狀況直接影響著大型鍛件的使用性能，不合理的缺陷分布極有可能成為使用過程中大型鍛件突然失效的重大隱患。雖然目前檢驗標準還無法對其進行科學評判，但在鍛造過程中應充分利用變形特性保證缺陷的合理分布。研究變形分布規律可以有效地解決空洞壓實問題，為變形控制晶粒度乃至生產復合性能鍛件提供工藝參數。
3 材料內部缺陷損傷與修復規律
在鍛造過程中，大型鍛件內部存在的夾雜物和粗大的晶界是引起材料損傷的原因。研究夾雜物的變形行為及其對金屬基體變形的影響表明，在800℃～1200℃溫度范圍內，隨著溫度的升高，裂紋產生存在著3種形式：①夾雜處基體形成空洞，空洞長大直至匯合；②夾雜與基體脫開形成空洞，然后沿界面擴展到基體直至斷裂；③裂紋萌生于晶界，沿晶界擴展至斷裂。據此提出了夾雜性裂紋聚合的物理模型，結合變形規律提出了細觀損傷力學模型及判據。粗大的晶界在變形過程中非常容易引起裂紋產生，致使損傷出現，其規律和機理有待深入研究。
高溫修復是在生產實踐中發現的新現象，在機理尚未清楚的情況下，修復了已探傷證明報廢的大型管板、模塊、轉子等鍛件，取得了顯著的經濟效益。
在再結晶溫度以上，修復過程主要由裂紋界面基體金屬中的原子向裂紋空洞擴散遷移和晶粒長大2個階段完成。當裂紋較小時，由于溫度升高體積膨脹或相變體積增大，致使裂紋表面接觸，依靠熱力條件即可實現缺陷修復。缺陷較大時，則需通過塑性變形使裂紋表面充分接觸，然后才能出現原子遷移和晶粒長大直至裂紋修復。裂紋修復后，各項性能均可恢復到初始狀態。損傷與修復是同一缺陷變化過程的2個方面，存在于整個塑性變形過程，二者的影響因素各不相同。充分利用其影響因素的差別，可以有效地控制缺陷損傷與修復的變化過程［3］。
利用損傷與修復規律，在鍛造生產中大限度地控制缺陷產生，修復已產生的缺陷或已報廢的大型鍛件，將產生巨大的經濟效益和社會效益。
4 變形與晶粒組織的關系
采用普通方法煉鋼、注錠，大變形時內部夾雜物易發生聚合致使缺陷超標。而超純凈煉鋼技術使得鋼水質量大為提高，但是注錠時由于缺少結晶核導致晶粒過分粗大，給后續鍛造控制晶粒帶來困難。電渣重熔或定向凝固制錠工藝使得晶粒呈方向性生長并且尺寸較大，致使晶粒與晶界之間性能差別較大。由于顯微純凈度降低，易引起缺陷損傷發生，致使缺陷超標。采用上述何種方法生產大型鍛件綜合效果較好，目前尚無定論。
高溫變形過程中，材料既要經歷熱力變化，又要經歷金相組織變化，一定的熱力參數決定了金屬的組織，而組織的變化反過來又影響金屬的變形規律，并決定著鍛件的性能。熱加工中組織變化為動態、靜態、亞動態再結晶多機制軟化過程。對于變形量小（達不到動態再結晶臨界應變）的鍛造工藝，鍛件的晶粒細化需要通過鍛后高溫保溫階段的靜態再結晶來實現。將材料靜態再結晶模型與具體的鍛造工藝相結合，用于預測核電大型鍛件鍛后晶粒尺寸的變化，就可確定獲得均勻細小晶粒的鍛造工藝參數。
再結晶后的細小晶粒不穩定，在高溫停留時會快速長大。實驗研究表明，當晶粒長大到一定程度時，其長大趨勢便不明顯。一定的溫度存在特定的穩定晶粒尺寸，同時存在著晶粒粗化溫度，即超過此溫度，穩定晶粒尺寸急劇增大。
實驗得到ASME 508cl.3 鋼的穩定晶粒尺寸和晶粒粗化溫度，參考此晶粒粗化溫度和穩定晶粒尺寸來制定鍛造工藝溫度規范，可以控制鍛件毛坯的初始晶粒度和鍛件晶粒尺寸。綜合考慮動態、靜態、亞動態再結晶對晶粒細化的作用，給出了熱變形后高溫停頓5 min～10 min晶粒細化的黑箱模型，實現了多工序熱鍛的晶粒度預測和控制［4，5］。
將材料動態再結晶模型與三維剛粘塑性模型有限元耦合，已用于預測核電大型鍛件鍛造過程中細觀組織變化，由此制定的核電鍛件鍛造工藝方案，可直接用于生產。
5 大型鍛件鍛造工藝的突破
傳統的鍛造工藝僅考慮打碎鑄態組織、消除空洞性缺陷，而沒有考慮夾雜物和晶粒、晶界的影響，致使大型鍛件廢品率較高。新工藝不僅從控制夾雜性裂紋不萌生和控制晶粒尺寸的角度出發，采用合理的工藝參數避免了夾雜性裂紋的形成，打碎了鑄態組織，消除了空洞性缺陷，而且將損傷與高溫修復規律用于生產實踐，通過高溫和塑性變形修復大型鍛件中已存在的缺陷，通過變形量和溫度控制晶粒組織，減少粗晶晶界損傷發生，保證了產品質量，大大提高了產品合格率。
根據上述控制鍛造思想，結合餅類、塊類、桶類、軸類大型鍛件變形的特點，分別制定了控制鍛造工藝應遵循的工藝規范，使重型機械廠管板生產合格率穩定在97％以上，修復了重型鑄鍛廠已報廢的管板，改善了陜西重型機器廠餅塊類鍛件的質量，并通過經驗交流帶動了大型鍛件行業生產水平的提高。特別值得一提的是，中國出口巴基斯坦的2塊核電特大型管板，在俄羅斯制造質量不合格交貨無望的情況下，才無奈轉向國內重型機械廠訂貨，該廠應用本研究成果一次投產成功，制造出了核電特大型管板，填補了國內空白。
6 成果應用展望
高溫、三維、動態云紋法等關鍵模擬技術的突破，改變了長期以來使用的傳統測試方法。通過測量分析細觀、微觀及動態缺陷變化，不僅推動了大型鍛件行業的發展，而且可直接用于航空航天等高技術領域。如用于航空航天科技的新材料在高溫下的蠕變、斷裂力學行為對材料發展和工程應用至關重要。通過使用高溫、三維、動態云紋法，其測試難題可迎刃而解。
損傷為材料科學和力學交叉的邊緣學科，目前僅從現象上對其有認識，其內在本質和規律正在探索。高溫缺陷的修復是從生產實踐中發現的新現象，這一現象的發現為大型鍛件質量控制的研究開辟了一個新方向。充分利用上述規律，不僅可以減少大型鍛件中的缺陷使其達到質量要求，而且可以將使用報廢鍛件中的缺陷修復，使其重新發揮作用，并且這些成果可拓展至其它材料加工領域，具有廣闊的應用前景。
實現大型鍛件控制鍛造這一目標，對促進基礎工業乃至整個國民經濟的發展具有深遠的意義。但還需對塑性加工中損傷與修復規律，鍛造裂紋形成機理及判據，相變動力學、晶粒度預測，多工序、多軟化機制，非穩態變形等特性進行深入研究，并通過計算機數值模擬技術優化其工藝過程。http://www.carirc.cn
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