1 前言
大型鑄鍛件是國(guó)家重大技術(shù)裝備和重大工程建 設(shè)所必需的重要基礎(chǔ)部件，比如電力、鋼鐵、石化、造 船、交通、軍工、重礦機(jī)械、航空航天工業(yè)設(shè)備的生產(chǎn) 都離不開它，其制造能力和水平直接決定著重大技 術(shù)裝備的制造能力和水平。因此，大型鑄鍛件產(chǎn)業(yè)的 發(fā)展是衡量一個(gè)國(guó)家工業(yè)水平和國(guó)防實(shí)力的標(biāo)志之 一。
我國(guó)十分重視大型鍛件制造業(yè)的發(fā)展，雖然 40 多年來(lái)投入了大量的資金和人力使得該產(chǎn)業(yè)由小到 大，從低到高發(fā)生了重要的變化，但是到目前為止， 國(guó)產(chǎn)大型鍛件的制造能力和技術(shù)水平與國(guó)外相比還 有較大差距。所以，開展大型鑄鍛件制造關(guān)鍵技術(shù)研 究，對(duì)于提高我國(guó)重大成套裝備的制造能力有著至關(guān)重要的意義。
2 我國(guó)及國(guó)外大型鍛件的發(fā)展歷程
2.1 國(guó)內(nèi)大型鍛件的發(fā)展
自1953 年修復(fù)沈陽(yáng)重機(jī)廠 20MN 鍛造水壓機(jī) 投產(chǎn)運(yùn)行起，我國(guó)大型鍛件行業(yè)經(jīng)歷了恢復(fù)、建設(shè)和 生產(chǎn)發(fā)展的過(guò)程。改革開放以來(lái)，我國(guó)步入了由計(jì)劃 經(jīng)濟(jì)向社會(huì)主義市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)的過(guò)渡時(shí)期，大型鍛件行 業(yè)又經(jīng)歷了深化體制改革、科技攻關(guān)、技術(shù)引進(jìn)及國(guó) 產(chǎn)化、提高質(zhì)量和經(jīng)濟(jì)效益等階段。生產(chǎn)大型鍛件，就必須擁有萬(wàn)噸級(jí)大型鍛壓機(jī)。
如，由中國(guó)一重自行設(shè)計(jì)制造、擁有完全自主知識(shí)產(chǎn) 權(quán)的 150000kN 重型自由鍛造水壓機(jī)于 2006 年 12 月 30 日試車成功，是我國(guó)自 1958 年研制成功萬(wàn)噸 水壓機(jī)之后又一重大裝備成果；而中信重工集團(tuán)制 造的世界上噸位最大 、 具 有 當(dāng) 代 控 制 技 術(shù) 的 185000kN 自由鍛造油壓機(jī)正在建設(shè)中，預(yù)計(jì)今年投 入使用，可提供最大單件重量達(dá)到 350t～400t 的自 由鍛件，最大直徑達(dá) 達(dá)5000mm。它們將為生產(chǎn)大型 鍛件提供重要的硬件條件。
目前，在火電方面，我國(guó)已能夠生產(chǎn) 300MW、 600MW、800MW 火電機(jī)組高、中、低壓汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子、 葉輪、葉片、發(fā)電機(jī)主軸、護(hù)環(huán)，火電大鍛件制造水平 的提升說(shuō)明我國(guó)大型鍛件的生產(chǎn)取得了標(biāo)志性的成 果。在水電方面，將由我國(guó)自己制造約有 30 臺(tái) 700MW 水力發(fā)電機(jī)組大鍛件，這說(shuō)明我國(guó)水電鍛件 的制造技術(shù)已接近世界先進(jìn)水平。而在核電方面， 去年年初，中國(guó)一重成功鍛造出世界首件第三代核 電關(guān)鍵部件——AP1000 蒸發(fā)器錐形筒體，標(biāo)志中國(guó) 在第三代核電產(chǎn)品制造領(lǐng)域已走在了世界前沿。
同時(shí)，我國(guó)已掌握了 Cr3、Cr4、Cr5 大型鍛造支 承輥、半鋼軋輥等系列的軋輥產(chǎn)品。已掌握近千種規(guī) 格的大型鑄鋼支承輥制造技術(shù)；還掌握了鍛焊結(jié)構(gòu) 熱壁加氫反應(yīng)器的制造技術(shù)，如中國(guó)一重制造的 2040t 煤制油加氫反應(yīng)器是現(xiàn)今世界上最大的加氫 反應(yīng)器。我國(guó)還能夠提供 7 萬(wàn)噸以下遠(yuǎn)洋巨輪的全 套大鍛件，造船年產(chǎn)量占世界總產(chǎn)量的 5%，居世界 第三。目前，我國(guó)市場(chǎng)大型鍛件的需求量巨大。
其中， 直徑2000mm～直徑2400mm 整鍛支承輥，高鉻鋼、半高速鋼 軋輥等國(guó)外大型鍛件的制造和發(fā)展仍不能滿足要 求。另外，如造船、石化、軍工、航空航天、礦山、鐵道 交通等高技術(shù)產(chǎn)品都需研究開發(fā)，因而大型鍛件生 產(chǎn)今后將進(jìn)入調(diào)整優(yōu)化為主的新發(fā)展階段。
2.2 國(guó)外大型鍛件的發(fā)展?fàn)顩r
20 世紀(jì)六七十年代，國(guó)外大型自由鍛件的生 產(chǎn)，通過(guò)采用新技術(shù)、新設(shè)備，進(jìn)行結(jié)構(gòu)調(diào)整，關(guān)閉和 新建一批液壓機(jī)，重新進(jìn)行分工，經(jīng)過(guò)努力，逐步走 向了合理。日本把大型鍛件稱為鍛鋼件，即用鋼錠生 產(chǎn)的大型鍛件，在 1974 年它就將 500t 鋼錠鍛成直 徑為1810mm 的整體轉(zhuǎn)子鍛件，日本川崎制鐵株式 會(huì)社制造了重量達(dá) 320t 的空心鋼錠，迄今為止，日 本在大型鍛件制造方面仍居世界領(lǐng)先地位。德國(guó)大 型鍛件生產(chǎn)水平在歐洲堪稱首位；美國(guó)在世界上也 有較高的水平；俄羅斯的水平接近日本；另外意大 利、英國(guó)、韓國(guó)等工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家在大型鍛件生產(chǎn)上都 有較高的技術(shù)水平，他們都有能力生產(chǎn)各類大型鑄 鍛件。
3 大型鍛件的鍛造工藝研究
為了完全消除鋼錠內(nèi)部缺陷、提高鍛件質(zhì)量，除 了應(yīng)配備足夠能力的鍛壓設(shè)備外，還需要選擇合適 的鍛造工藝。鐓粗、拔長(zhǎng)是大型鍛件鍛造中最重要的 兩個(gè)工步。
3.1 鐓粗
經(jīng)典的鐓粗工藝?yán)碚撜J(rèn)為：摩擦力為零的理想 情況下，鐓粗時(shí)的應(yīng)力為簡(jiǎn)單壓縮，而在有摩擦力存 在時(shí)，鐓粗體心部總是呈三向壓縮應(yīng)力狀態(tài)。但是大 型鍛件的生產(chǎn)實(shí)踐發(fā)現(xiàn)，如果鐓粗比不夠大的話，采 用鐓粗工藝有時(shí)會(huì)使鋼錠內(nèi)部的缺陷擴(kuò)大，這種現(xiàn) 象無(wú)法用經(jīng)典的三向壓應(yīng)力理論來(lái)解釋，說(shuō)明經(jīng)典 的鐓粗理論存在著某種程度的不完善性和認(rèn)識(shí)上的 誤區(qū)。1995 年，燕山大學(xué)劉助柏教授在其撰寫的專著 《塑性成形新技術(shù)及其力學(xué)原理》一書及發(fā)表的部分 文獻(xiàn)中，提出了關(guān)于圓柱體鐓粗的兩個(gè)新理論：高徑 比大于 1 的剛塑性力學(xué)模型的拉應(yīng)力理論 （如圖 1a、b） 和高徑比小于 1 的靜水應(yīng)力力學(xué)模型的剪應(yīng) 力理論（如圖 1c）。根據(jù)圓柱體鐓粗新理論，若接觸端面存在著較 大的摩擦力，鍛件心部存在著雙向拉伸應(yīng)力，或者出 現(xiàn)較大的附加徑向拉伸應(yīng)力，這樣的應(yīng)力狀態(tài)對(duì)缺 陷的鍛合是不利的。基于平板間圓柱體鐓粗新理論 的力學(xué)分析方法，劉助柏教授通過(guò)改變鐓粗時(shí)的邊 界條件，創(chuàng)造性地提出了一種錐形板鐓粗的新工藝。其實(shí)質(zhì)是：利用錐形板的幾何特征，將平板鐓粗時(shí)的 圓錐形剛性區(qū)，變?yōu)閮蓚€(gè)尺寸較小的剛性區(qū)，錐形板 的錐角使得這兩個(gè)剛性區(qū)正好能在鍛件心部產(chǎn)生三 向壓縮應(yīng)力，可對(duì)相應(yīng)部位上缺陷的鍛合起到良好的作用。
3.2 拔長(zhǎng)
拔長(zhǎng)是決定大型鍛件質(zhì)量的主要鍛造工藝。因 此，我國(guó)和世界上一些國(guó)家對(duì)型砧拔長(zhǎng)進(jìn)行了大量 的實(shí)驗(yàn)和生產(chǎn)研究，認(rèn)為該法能使鋼錠心部獲得較 大的靜水壓和變形量，有利于消除中心區(qū)的空洞，增 強(qiáng)心部塑性和鍛造性[5]。因此，鍛壓工作者通過(guò)改變 邊界條件來(lái)改變應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)以獲得最佳的缺陷鍛 合條件，從上下平砧拔長(zhǎng)發(fā)展為上平砧、下 V 型砧 拔長(zhǎng)，后來(lái)通過(guò)改變拔長(zhǎng)砧形和工藝條件，又發(fā)展了 FM 鍛造法、WHF 鍛造法、KD 鍛造法、SUF 鍛造法、 TER 鍛造法、JTS 鍛造法、FML 鍛造法和 AVD 鍛造 法，這些方法都己成功應(yīng)用于大型鍛件生產(chǎn)[7]。
進(jìn)入 20 世紀(jì) 90 年代，在前人對(duì)拔長(zhǎng)工藝研究 的基礎(chǔ)上，以系統(tǒng)觀點(diǎn)提出了拔長(zhǎng)新理論。該新理論 論證了要補(bǔ)充一個(gè)新的工藝參數(shù)——料寬比，這樣 才能正確描述拔長(zhǎng)毛坯變形中心區(qū)域的應(yīng)力狀態(tài)。同時(shí)提出了要控制料寬比及砧寬比的 LZ 鍛造法， 認(rèn)為 w/h=0.8~0.9，b/h=0.85~1.18，變形體內(nèi)不會(huì)出 現(xiàn)軸向和橫向拉應(yīng)力。在 FM 法基礎(chǔ)上提出了增加 料寬比的新 FM 法（圖 2），認(rèn)為 w/h≥0.4，b/h=0.83~ 1.2，變形體內(nèi)不會(huì)出現(xiàn)雙向拉應(yīng)力。
2007 年，我國(guó)科技人員在分析現(xiàn)有鐓粗、拔長(zhǎng) 變形工序中難變形區(qū)對(duì)大型鍛件鍛造過(guò)程變形分布 和應(yīng)力狀態(tài)影響的基礎(chǔ)上，提出一種新的拔長(zhǎng)工 藝——凹面砧拔長(zhǎng)。研究結(jié)果表明，對(duì)應(yīng)力狀態(tài)而 言，在變形量相同情況下，對(duì) 于凹面平砧鍛造 （CFAF）工 藝，靜水應(yīng)力提高近 30%；對(duì) 于凹面 V 砧鍛造（CVAF）工 藝，靜水應(yīng)力提高近 50%。對(duì) 變形而言，靜水應(yīng)力相同情 況下，CFAF 工藝減少 壓 下 量 33.5%；CVAF 減少壓下量 26.5%。與其他特殊拔長(zhǎng)方法 比較，凹面砧拔長(zhǎng)有操作方 便、適用范圍廣的優(yōu)點(diǎn)。鍛造工作者經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期的探索研究，取得了顯著 的成就，為提高大型鍛件質(zhì)量做出了很大貢獻(xiàn)。隨著 大型鍛件尺寸的增大，對(duì)鍛件質(zhì)量的要求更高。
因 此，必須對(duì)鍛比重新認(rèn)識(shí)，對(duì)鍛造方法與技術(shù)及微觀 組織模擬與控制鍛造等問(wèn)題開展研究；建立系統(tǒng)的 仿真系統(tǒng)，改善鍛造工藝，依據(jù)現(xiàn)有鍛造方法的優(yōu)缺 點(diǎn)的對(duì)比，提出合理有效的鍛造方法，來(lái)提高生產(chǎn)效 率和大型鍛件質(zhì)量。
4 大型鍛件的缺陷產(chǎn)生和控制方法
由于大型鍛件制造技術(shù)的特殊性和復(fù)雜性，在 鍛造過(guò)程中容易形成一些不同于中小型鍛件的各種 各樣的缺陷。所以，研究如何使大型鍛件中的缺陷壓 實(shí)鍛合，順利通過(guò)超聲波探傷，對(duì)提高大型鍛件的制 造水平和企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益具有重要意義[9][10]。大型鍛件中的缺陷主要來(lái)自兩個(gè)方面：①冶金 缺陷：例如非金屬夾雜物、殘余縮孔、疏松、空洞等， 這些缺陷在冶煉過(guò)程或澆鑄過(guò)程中形成；②處理缺 陷：例如裂紋、白點(diǎn)（圖 3）、粗晶等，這些缺陷在鍛造 和熱處理過(guò)程中形成。
4.1 非金屬夾雜物
非金屬夾雜物主要是指原材料帶來(lái)的硫化物、 氧化物和硅酸鹽等，這些非金屬夾雜物的含量、分布 （圖 4）與冶煉鋼錠有關(guān)，鍛造只能使其分散，而不能 減少。
減少夾雜物的根本途徑是在冶煉澆注過(guò)程中盡 量減少夾雜物的來(lái)源，對(duì)鋼錠中己經(jīng)形成的夾雜物應(yīng)盡量使其上浮至冒口區(qū)。變形過(guò)程中，采用滿砧送 料，大壓下量鍛造，有利于鋼錠中心夾雜物產(chǎn)生變形 而后孔隙焊合。若可能采用寬砧鍛造，形成有利于鍛 合缺陷的壓應(yīng)力狀態(tài)。選擇適當(dāng)?shù)腻懺毂?，利用合?的鍛造工藝使粗大的夾雜物減少，密集的夾雜物分 散，以減少其危害。
4.2 殘余縮孔和疏松
該類孔隙性缺陷，破壞金屬連續(xù)性，形成應(yīng)力集 中與裂紋源，屬于不允許的缺陷。防止該類缺陷的 對(duì)策有：嚴(yán)格控制澆注溫度和速度，防止低溫慢速注 錠；采用發(fā)熱冒口或絕熱冒口，改善補(bǔ)縮條件使縮孔 上移至冒口區(qū)，防止縮孔深人到錠身處；控制鍛造時(shí) 鋼錠冒口切頭率，充分切凈縮松缺陷；合理的鍛壓變 形，壓實(shí)疏松缺陷。
4.3 空洞
空洞是大型鋼錠的主要冶金缺陷之一。鍛造過(guò) 程中空洞的尺寸形狀和體積變化與控制的研究難度 在于：①大型鍛件內(nèi)部空洞的尺寸與其本身的尺寸相 差極為懸殊，難于采用數(shù)值計(jì)算方法和已有的塑性 力學(xué)分析方法。②大型鍛件的尺寸形狀各異，難以得到對(duì)生產(chǎn) 具有廣泛指導(dǎo)意義的結(jié)果。文獻(xiàn)針對(duì)鋼錠內(nèi)部空洞缺陷的尺寸遠(yuǎn)遠(yuǎn)小 于本身尺寸的特點(diǎn)，依據(jù)圣維南原理，將各種空洞缺 陷的形狀假設(shè)為數(shù)學(xué)上可處理的橢球形。由于大型 鍛件的鍛造是在高溫下進(jìn)行的，材料具有粘性流動(dòng) 的特征，再利用損傷力學(xué)中的遠(yuǎn)場(chǎng)應(yīng)力與物體內(nèi)部 微觀損傷的力學(xué)關(guān)系，得到了鍛造過(guò)程中外載荷與 內(nèi)部空洞體積變化的解析式，進(jìn)而得到了空洞缺陷 閉合的條件。此條件表明了應(yīng)力狀態(tài)影響空洞的閉 合方式，三向壓應(yīng)力是空洞閉合的最佳應(yīng)力狀態(tài)。該 條件可直接根據(jù)鍛造水壓機(jī)的在線載荷與壓下量計(jì) 算鍛件內(nèi)部空洞缺陷的閉合情況。
4.4 裂紋
在大型鍛造中，易產(chǎn)生裂紋。如鋼錠缺陷引起的 鍛造裂紋、鋼中有害雜質(zhì)沿晶界析出引起的裂紋、第 二相析出引起的裂紋。還有就是溫度、變形程度、變 形速度、冷卻速度、應(yīng)力狀態(tài)等熱力因素的合理選 擇。反之，可能形成各種鍛造缺陷和裂紋?，F(xiàn)有的控制方法有：①提高冶煉鋼水純凈度；②鑄錠緩慢冷卻，減少熱應(yīng)力；③采用良好的發(fā)熱劑與保溫帽，增大補(bǔ)縮能力；④限制鋼中加鋁量，去除鋼中氮?dú)饣蛴眉逾伔?抑制 AlN 析出量；⑤采用熱送鋼錠，過(guò)冷相變處理工藝；⑥提高熱送溫度（>900℃）直接加熱鍛造；⑦鍛前進(jìn)行充分的均勻化退火，使晶界析出相 擴(kuò)散；⑧采用中心壓實(shí)鍛造工藝。綜上可知，材料特性、缺陷性質(zhì)、變形量、溫度、 時(shí)間、壓力等許多因素共同影響著缺陷修復(fù)。而修復(fù) 的最重要因素有：內(nèi)部缺陷性質(zhì)、理想的高溫條件、 合理的應(yīng)力狀態(tài)和一定的變形量。即要有足夠大的 變形程度或局部鍛比；缺陷周圍為負(fù)的靜水壓力狀 態(tài)；高的鍛造溫度和一定的保壓時(shí)間；孔隙表面未被 氧化，不存在非金屬夾雜物。其中要想實(shí)現(xiàn)大的變形 使缺陷處于合理的應(yīng)力狀態(tài)，就必須選擇合理有效 的鍛造方法。
因此，采用何種工藝去鍛合內(nèi)部這些缺 陷，如何創(chuàng)造有利的力學(xué)條件，使之在鍛造過(guò)程中不 出現(xiàn)新裂紋或夾雜性裂紋，是我們要研究的問(wèn)題。然而，目前的鍛造方法雖然可以打碎碳化物、鍛 合疏松和空洞等冶金缺陷，不萌生新的裂紋源，并獲 得組織均勻致密的鍛件，但是它們也存在著自身的 缺點(diǎn)。
如 WHF 鍛造法是在高溫下對(duì)鍛件進(jìn)行大壓 下量鍛造，具有較好的空洞鍛合效果且操作簡(jiǎn)便，但 整個(gè)截面的應(yīng)變分布很不均勻，造成鍛件性能的各 向異性；JTS 法使鍛坯中心部位符合高溫、大變形 量、三向壓應(yīng)力狀態(tài)的孔隙焊合條件且表現(xiàn)出較強(qiáng) 的鍛透能力，但在整個(gè)截面上存在較大的變形梯度， 同時(shí)需要壓力機(jī)負(fù)荷較高，鋼錠表面易產(chǎn)生裂紋；FM 法的鍛造方法使鍛件心部變形量增大，產(chǎn)生三 向壓應(yīng)力，但在接近下砧的部分會(huì)出現(xiàn)軸向拉應(yīng)力。這些型砧的主變形方向都始終沿拔長(zhǎng)方向，結(jié)果將 形成軸向纖維組織，而且整個(gè)橫截面變形分布不夠 均勻。
因此，為了有效控制大型鍛件的裂紋，可通過(guò)對(duì) 大型鍛件材料損傷力學(xué)和數(shù)值模擬技術(shù)的研究，建 立新的損傷模型，從而尋找到合理有效的鍛造工藝參數(shù)。
5 有限元數(shù)值模擬技術(shù)在大型鍛件鍛造過(guò)程中的應(yīng)用現(xiàn)狀
利用計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬的方法，獲得生產(chǎn)大型自 由鍛件鍛造成形過(guò)程中金屬宏觀力學(xué)性能和微觀組 織的變化規(guī)律，以此為基礎(chǔ)優(yōu)化工藝參數(shù)，從而實(shí)現(xiàn) 對(duì)鍛造生產(chǎn)過(guò)程的有效控制，為獲得優(yōu)質(zhì)鍛件提供 技術(shù)保證。
5.1 有限元數(shù)值模擬
目前，對(duì)大型鍛件的自由鍛研究主要集中在試 驗(yàn)研究或者物理模擬方面，比如主要研究砧寬比、料 寬比以及壓下量等對(duì)空洞閉合壓實(shí)的影響。對(duì)大型 鍛件自由鍛的形變機(jī)理、空洞的閉合與焊合機(jī)理、鍛 造過(guò)程形核再結(jié)晶及長(zhǎng)大機(jī)理，以及各種機(jī)理之間 的相互影響關(guān)系等方面的研究不多。主要研究的是平砧拔長(zhǎng)時(shí)砧寬比（AWR）和料 寬比（BWR）的合理范圍，得出砧寬比大于 0.8 時(shí)，鍛 件內(nèi)部不會(huì)出現(xiàn)軸向拉應(yīng)力；料寬比小于 0.85 的情 況下，鍛件內(nèi)部可能會(huì)出現(xiàn)橫向拉應(yīng)力。后來(lái)的研究 表明，砧寬比、料寬比和壓下量需要合理匹配才能有 效控制鍛件的內(nèi)部應(yīng)力狀態(tài)。但到底如何合理匹配， 不同的鍛件、不同的鍛造方法也是不同的，必須進(jìn)一 步有針對(duì)性的研究，以便能夠得到系統(tǒng)的、應(yīng)用范圍 廣的三者匹配參數(shù)。
5.2 微觀組織模擬
有限元數(shù)值模擬為制定材料成形工藝提供了重 要參考數(shù)據(jù)，但要改善產(chǎn)品的性能，則必須考慮材料 顯微組織的大小、分布狀態(tài)與缺陷等，因此，數(shù)值模 擬的研究熱點(diǎn)已經(jīng)從基于塑性力學(xué)的有限元模擬發(fā) 展到基于組織演變的微觀組織模擬。北京機(jī)電研究所曾志明先生對(duì)有限元軟件 DEFORM 進(jìn)行了二次開發(fā)，通過(guò)模擬預(yù)測(cè)了大型鍛 件鍛造過(guò)程的微觀組織演變。Jong Taek Yeom 運(yùn)用 DEFORM-3D 預(yù)測(cè)了 718 合金在拔長(zhǎng)過(guò)程中的再結(jié) 晶和晶粒長(zhǎng)大過(guò)程，并驗(yàn)證了結(jié)果。F.S.Duam 利用 有限元模擬的方法研究了不同鍛造參數(shù)對(duì)大型鍛件 鍛造后晶粒大小及微觀組織均勻性的影響。
從國(guó)內(nèi)外的研究結(jié)果表明，大型鍛件微觀組織 模擬的研究主要集中在熱成形工藝的軟化機(jī)理和軟 化過(guò)程的數(shù)值模擬，包括動(dòng)態(tài)再結(jié)晶、動(dòng)靜態(tài)再結(jié) 晶、晶粒長(zhǎng)大等的模擬。更多的是大型鍛件成形過(guò)程 中再結(jié)晶分?jǐn)?shù)和平均晶粒度的有限元模擬，分析結(jié) 果只對(duì)工藝參數(shù)的確定有一定的指導(dǎo)意義。微觀組 織模擬的要求主要是從微觀機(jī)理上來(lái)模擬分析鍛造 過(guò)程材料微觀組織的演化，及其對(duì)宏觀性能的影響。研究多種物理場(chǎng)耦合下的鍛造過(guò)程混晶產(chǎn)生與消除 機(jī)理、空洞閉合及焊合機(jī)理、再結(jié)晶及原子擴(kuò)散對(duì)空 洞與微裂紋焊合的影響機(jī)制，結(jié)合數(shù)值模擬得出對(duì) 鍛件宏觀強(qiáng)度、塑性、韌性等的影響，以提高大型自 由鍛的鍛件質(zhì)量。但是，目前的仿真模型多為經(jīng)驗(yàn)?zāi)?型，應(yīng)用范圍受到一定限制。
總之，我們迫切需要建立以求解鍛造成形過(guò)程 中鍛件內(nèi)部等效應(yīng)力、等效應(yīng)變、溫度梯度等物理量 場(chǎng)的基于宏觀塑性力學(xué)的模擬；以及以鍛件內(nèi)部鑄 造組織細(xì)化及縮孔和疏松的鍛合為特征的微觀組織 演變過(guò)程相結(jié)合的大型鍛件自由鍛成形工藝的數(shù)值 模擬的原型系統(tǒng)。
6 材料損傷技術(shù)研究
早在 1958 年 Kachanov 研究蠕變現(xiàn)象時(shí)引用了 損傷變量，提出了連續(xù)性因子與有效應(yīng)力的概念，并 寫出了它演化的本構(gòu)方程，從此開創(chuàng)了損傷力學(xué)發(fā) 展的歷史。經(jīng)過(guò)幾十年大量開創(chuàng)性的研究工作，擴(kuò)大 了損傷力學(xué)的應(yīng)用范圍?，F(xiàn)在，損傷力學(xué)已進(jìn)入工程 應(yīng)用的發(fā)展階段[17]。引起材料強(qiáng)度劣化的微結(jié)構(gòu)變化通常稱為損 傷。微缺陷（微裂紋和微孔洞）的成核、發(fā)展及合并造 成的損傷，逐步在材料中形成宏觀裂紋，使材料結(jié)構(gòu) 承載面積縮小，直至斷裂失效。從理論研究結(jié)果看，損傷力學(xué)是一門較系統(tǒng)地 研究微缺陷以及這些缺陷的發(fā)展對(duì)應(yīng)力和應(yīng)變狀態(tài) 影響的科學(xué)。其核心內(nèi)容有：要根據(jù)所研究問(wèn)題的特 點(diǎn)，引入恰當(dāng)?shù)臉?biāo)量或張量型的損傷內(nèi)變量，以反映 局部缺陷對(duì)材料物理性能的影響；建立損傷材料的 本構(gòu)關(guān)系，即建立損傷演化規(guī)律在內(nèi)的對(duì)各狀態(tài)變 量之間關(guān)系的模型；最后就是損傷力學(xué)計(jì)算方法的 實(shí)現(xiàn)。
目前，有關(guān)損傷力學(xué)理論、實(shí)驗(yàn)和應(yīng)用的研究相 當(dāng)廣泛，但已有的進(jìn)展還很不完善。因此，需要在前 人對(duì)損傷力學(xué)相應(yīng)的有限元算法的基礎(chǔ)上進(jìn)一步研 究，建立適用范圍廣、操作性可行并與實(shí)驗(yàn)相吻合的 損傷本構(gòu)模型。把其運(yùn)用到大型鑄鍛件的自由鍛中， 結(jié)合計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬改善自由鍛工藝方法，預(yù)防或 修復(fù)大型鍛件中的內(nèi)部缺陷，從而提高生產(chǎn)效率和 鍛件質(zhì)量。甚至把該模型運(yùn)用到計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬系 統(tǒng)中，改善現(xiàn)有數(shù)值模擬系統(tǒng)，能夠真正達(dá)到內(nèi)部組 織的模擬及缺陷預(yù)測(cè)的模擬。
7 結(jié)論與展望
大型鍛件鍛造工藝的開發(fā)與設(shè)計(jì)是關(guān)系到大型 鍛件生產(chǎn)是否成功的關(guān)鍵因素，同時(shí)也是制約我國(guó)裝備制造業(yè)、核電工業(yè)的瓶頸之一。近幾十年來(lái)，關(guān) 于如何控制大型鍛件內(nèi)部裂紋、損傷，提高鍛造質(zhì)量 方面的研究已經(jīng)取得了許多成果，但仍然存在著一 些尚未解決的問(wèn)題。
（1）大型鍛件鍛造裂紋判定準(zhǔn)則的缺乏。大型鍛 件中最難解決的缺陷就是鍛造裂紋。為了準(zhǔn)確判斷 大鍛件鍛造過(guò)程中可能出現(xiàn)的裂紋以及研究控制裂 紋的方法，必須建立相應(yīng)材料的裂紋判定準(zhǔn)則，該準(zhǔn) 則是一個(gè)門檻值，如果超出該值，即認(rèn)為鍛件內(nèi)將產(chǎn) 生裂紋，否則，不會(huì)產(chǎn)生裂紋。迄今為止這方面的研 究仍未有十分滿意的結(jié)果。
（2）我國(guó)現(xiàn)有的大鍛件鍛造工藝規(guī)程的制定依 然是根據(jù)設(shè)計(jì)者的經(jīng)驗(yàn)，反復(fù)試驗(yàn)的方法，缺乏從系 統(tǒng)上把握大鍛件鍛造規(guī)律以及科學(xué)制定鍛造工藝規(guī) 程的方法。因此，有必要根據(jù)大型鍛件鍛造的特點(diǎn)， 引入先進(jìn)的設(shè)計(jì)理念和方法，如計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)技 術(shù)、物理模擬技術(shù)、數(shù)值模擬技術(shù)、穩(wěn)健優(yōu)化技術(shù)，研 究科學(xué)制定鍛造工藝規(guī)程的方法，為控制大鍛件內(nèi) 部裂紋奠定基礎(chǔ)。
