鍛造從產生淬火裂紋危險性的角度來分析轉子的冷卻制度

文章來源：sjzwx 更新時間：2014-01-24 09:52:01

 在為關鍵用途的火型工件選擇急冷工藝而尋找理論根據時，對它們的應力狀態，越來越廣泛地引人去研究:但是，在這些研究中所用約數據，主要是為了對鋼產生破壞的危險性進行質量上的評價(按照應力分布的水平和特性)及對比不Pi的冷卻制度:當要獲得工件破壞危險性的定量評價f5.J，，對應力狀態進行分析的實際意義就更大了。當對產生淬火裂紋進行預測時，主要是在于評價工件中的內應力和工件中的原始缺陷，以及鋼的抗破壞能力。最期望的是確定淬火時現有應力與殘余應力的計算方法。而其先決條件的改變。我們將計算結果與已知的計算數據和試驗數據相對比，以及將計算結果與實心的和空心的圓柱形工件在油中和水中淬火時所測得的殘余應力數據相對比，驗證了確定應力的可靠性。例如在參考文獻〔3〕中有些數據。我們Li-算了26XIf3M2(D銅轉子中的應力。物理性能，機械性能，以及過冷奧氏體分解的熱動力學曲線與參考文獻〔3〕中所采用的是相同的。人們認為，在轉子的所有截面內，貝茵體轉變均發生在325`C---4000C的溫度區間內。在水巾和油中淬火時的放熱率數值是參考文獻C4〕所采用的。它是根據對大型工件熱量的測量參數，在對流熱交換的部份，作了一些必要的修正。現在我們分析一下轉子中淬火應力形成的主要特征。圖表示直徑為一米的在水中淬火的空心和實心轉子，沿其截面的軸向殘余應力與切向殘佘應力分布的仆算曲線。實心轉子沿半徑的淬火殘余應力分布的特征，基本上與溫度殘余應力的分布特征是一樣的，(這里沒有估計鋼的組織轉變殘余應力)。在工件心部形成了壓縮殘余應力，在表面附近形成了拉伸殘余應力。但是與溫度造成的殘余應力不同;在工件軸線區和工件表面，按照絕對值來說，最大的應力是切向應力，而不是轉向應力。殘余應力組份的這種比例是淬火轉子表面應力所測量的結果而證實的t’1。實心轉子軸線區現今的拉伸應力大約是在工件心部貝茵體轉變開始時達到的，這時，由于鋼組織中含有大量的奧氏體，所以鋼的抗脆性破壞能力很高，隨著奧氏體分解的完成，拉應力急劇下降，而在冷卻終了時又再次上升。有軸向中心孔的轉子中的殘余應力分布，與溫度所造成的殘余應力的分布，本質_I:是決不相同的。(參看圖-1)，在中心孔兩面激冷的情況下，形成了危險的拉{I'll切向殘余應力的“頂峰V。其特點是，如果在鋼中沒有組織變化，則無論是在表面區，還是在心中孔區，都會產生壓縮殘余應力。在冷卻終止前不久時，現在的切向應力達到最大值。現有的應力與殘余應力的最大值之回的差別不大。淬火應力的水平和特性，決定了在轉子中心孔內壁上產生縱向淬火裂紋的可能性。王”J關于實心轉子與空心轉子形成淬火應力的上述概念，可以使我們能夠在大多數情況按照殘余應力的水平，來估計產生裂紋的危險性。關于降低帶有軸向中心孔的轉子中的應力方法，可參看參考文獻C2,3,5',囚此，后來我們將主要注意力集中于實心轉子的應力狀態。圖2表示在水中和油中淬火的實心轉子的直徑位置，與最大切向拉伸殘于應力的關系。根據計算結果確定:大型轉子在水中淬火時，最大的現存應力與最大的殘余應力，實際上與直徑是無關的。當大型轉子在油中淬火時，工件直徑在本質上影響著最大應力。圖2所示的關系曲線計算數據所證實的是關于右函.件截面中保持組織轉變的特征情了況:下，當.B1>20時，工件尺寸和冷卻34度的增加卜對淬火應力的影響是較小的。(這里，B:二a/a..，其中a放熱率系數;幾—金屬的導熱系數，R工件的半徑)。已經確定:在油中淬火時，轉子直徑_火于2米即可達到B1>20，而在水淬時，轉子直徑大于0.4米，即可達到B,>20。眾所周知:a]，若采用“徑水到油”的冷卻，則在工件中得到油淬與水淬殘余應力之間的一種中間的殘余應力。調節轉內約應力，可有兩種補充的可能性，即進行“噴霧”或“水掣二暨問冷”，‘，;，。為了預測淬火裂紋，只計算轉子中產生的應力是不夠的，還要選擇一定的破壞標準。目前，正采用淬火時各種鋼的破壞標準(例如參考文獻(7---9)所述)。但是，最有發展前景的是斷裂力學的方法，按照這種方法，在Kr}Ic7c.(1)的條件下，由于拉力而產生破壞。式中1c,-拉應力的強度系數，其單位為泊·米1!-,;Krc-拉應力強度的臨界系數(斷裂韌性)，帕米’rz。Kr。是斷裂韌性，是材料的一種特性，而K，與拉應力水平，造成裂紋發展的缺陷的大小形狀和分布是有關的。根據蘇聯波爾宗諾夫中央鍋爐透平科學研究院的研究結果表明，由于“松弛”的影響，淬火鋼的斷裂韌性降低到門檻值Kirth，在淬火成馬氏體時，門檻值Kirth在其原始值的3a%以下〔.’。但是，在大件內部區域中，典型的1速冷卻淬火以后，鋼的斷裂韌性在將來幾乎是不改變的。因此，在評價轉子中形成淬火裂紋危險性時，可以利用公式((1)。按照線性的斷裂力學(即JTMP)〔LOI中的公式，可以確定拉應力強度系數。應當指出，當采用線性斷裂紋力學時，其根據是除了裂紋的起始兩端外，全部材料都是處于彈性的狀態中。看來，按照淬火接近結束時在金屬去載的彈性條件下，用起作用的殘余應力來評價破壞灼危險性，即采用線性斷裂力學的公式是正確的。淬火之前，轉子可能有各式各樣的原始缺陷:例如，表面裂紋，內部斷裂，白點，非金屬夾雜物等。在參考文獄CiO)中，給出了簡單形狀的缺陷Kf的方程式，以及根據確定復雜形伏的現實缺陷等效(當量)尺寸的準薦作祛。一種簡化作扶是按照兩種形式的缺陷(長的裂紋和呈圓盤形的缺陷)的觀測結果，來評價破斷的危險性。長裂紋缺陷是最危險的，而呈圓盤形缺陷在簡單形伏缺陷中的危害性最小。在有高的殘余拉應力作用的區域，即在實心轉子的中心區域和空心轉子中心孔的內表面的缺陷是十分值得注意的。當存在著長度大大超過寬度這樣的裂紋缺陷，并按照所作用的應力標準公式去察明，則可采用以下公式確定K;值。為了確定內部裂紋的寬度之時的K,可采月下述公式式中:a----應力·帕對于中心孔內不深裂紋直徑與本體尺寸相比，裂紋尺寸錢得很小，在進行雙軸拉仲時，凡-2.26c,./牙了(3)對于直徑為I的圓形內部缺陷，和半圓形表面缺陷來說，其Al值比按照公式(2)，公式(3)[10]所計算的K1值約大].,5倍。當a值一定時，允許的缺陷尺寸與凡藝成反比。因此，圓形缺陷所允許的直徑，比一長裂紋型映陷所允許的寬度_大2.4倍。為f利用這個不等式(1)，必須知道斷裂韌性凡c值。32XMIA和25XCI-I3M(DA鋼在淬火成貝茵體和高溫回火后，其Kr:值約為=2{:0兆帕·米’·“〔‘’。3CXH;MM2cbA,3SXHINI20A,34XH.MA等鋼種的K/c值都差不多。這在參考文獻:11)巾己列出。眾所周知，回火可使沐火鋼的斷奧韌性得到提高。波爾宗19-夫中央鍋護透平科學研究所的研究工作表明:淬火成貝茵體并未經過回火的轉子鋼的凡c-80兆帕·米1!2。圖3所示，是按照公式(2)和(3)計算出來的允許應力與呈長裂紋形的缺陷尺寸的關索(如Kfc=80兆怕·米1.12)。圓形缺陷的允許直.徑，比圖3A:所標明的數值要大2.4倍。按照轉子制造技術條件，工件內部區域的缺陷尺寸，可以達到8毫米。因此，由于轉子外表面上有壓縮殘余應力的作用，所以不應導致產生淬火裂紋。轉子中心孔內壁缺陷的尺寸，通常未經予先說明。但是。可以認為:由子鑊中心孔的結果，內部缺陷暴露到轉子中心孔的內壁上面。慧視人們按照圖3列舉的數據材料，來評價轉子淬火時產1f:裂紋的危險性。當缺陷尺寸為8毫米時，其內部區域的允許應力U允許為700兆帕。因此，不僅允許大型實心轉子在油中淬火，而且也允許大型實心轉子在水中淬火。(參看圖2。轉子順利地在水中淬火[-2,13]以及經水到油中的淬火，證實了這一結論。缺陷尺寸為8毫米時，轉子軸向中心孔附近的拉應力不得超過200兆帕(圖3的曲線2)。在急劇冷卻時，在軸向中心孔的表面上形成馬氏體，其斷裂韌性隨著時間的增延而降低1.:。因此，對于空心轉子來說.A好是采用能夠消除產生轉向中心孔表面上的拉伸殘余應力可能性，1f=能產生降低與從兩面激冷相比的在巾心孔附近的拉應力水平的冷卻方法。采用不Iii1的冷卻強度[2+i]和從轉子外表面和軸向中心孔同時開始冷卻r2」對于軸的淬火向中心孔的開始時刻的即可滿足這種要求。同時，最好是從外表面進行冷卻的遲延開始時刻淬火。按照物理性能一與機械性能來看，各種轉子鋼的區別是很小的。因此，所得出的結果不僅儀是適用于26XH3M2cA。但是當采用其它鋼種時，對估計轉子產生淬火裂紋危險性的評價應作一些修正。因為同時轉子截面的組織轉變特性發生變化，對悴火應力產生巨大的影響。上面所述的結果，在某種程度上是屬于理想的情況，也at是說，在固定的一段溫度區間內，鋼fT7'}7其全部i$面發生貝w體轉變。在一般情況下，在溫度的座標軸線上，貝茵休轉變的溫度區間的位置，是不固定的.它與鋼的化學成份及淬火時的冷卻速度是有關的。此外.在_仁件友面區，可能發，l三與馬氏體轉變，而在下作內部，則可能發生珠光體轉變。計算結果表l好;在貝茵體轉變的起始溫度下，工作心部的溫度為沁。一660℃之間時utimal(例如，少口,P%?kf鋼所利造的轉子夕，最大的拉伸殘余應力約為wio兆帕。在這種情況下，有缺陷s毫米或比8毫米小i'`J實心轉.子，最好不要水淬(請參著圖3)，這時，最好是將轉子進行油冷，或經水到油冷卻。于灰.轉子內'if區域的F""I始缺陷.是接近圓形的缺陷，而不是接近長條裂紋類M的缺陷。圓形缺陷所允許的應力，比圖3_上所允許的應力要高1"S倍;當缺陷直徑為3毫米時，0允許可大于ICO{?兆帕。因此.即使是在較高的溫度“『發生貝丙體轉變時，轉子一也可以進行水淬。在轉子中心部份鋼轉變成珠光體，就會提高產生淬火裂紋的危險性。當珠光體轉變區的直徑小J立。.魷轉子的直徑時，在轉子心鄰的拉伸殘余應力可達到15CU兆帕。在這種情況下，如果當地加快冷卻，(例如將油序改為水沐)就能防止珠光沐的產生。同1寸也可采川慢速冷卻.其目的是將珠光體區域直徑，增大到工件直徑的一半、如果這時工件約各項使用性能達到所要求的數馗l則采用慢冷是可以的。計算的數摒證實了下述結論:鋼中的馬氏體轉變只能嚴重地影響金屬表面層的壓應力水平，但實際_-對最大的拉應力并無影響。因此，所進行的研究毛作，是試圖了.氣價在各種不同的淬火方式下，在轉子內產生淬火裂紋的危險性。廣泛采用預測轉子和其它人-4T件在淬火時可以按照準各種鋼約斷裂韌性值這一方法的精確性和可能性，考慮各種鋼的組織伏態，提高尺寸測鼠的精確度，提高確定實際缺陷形狀的準確性，以及提高工件內部應力測定的4確度來使之得到顯著的改善。今后同樣應研究工件截而過渡處的應力。