基于晶体塑性有限元法的大锻件氢脆损伤机理研究

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大型锻件是国民经济建设、国防工业和现代科学事业发展所必需的各种大型关键设备和装置中的主要基础零部件。如果大锻件存在白点缺陷,将导致锻件淬火时易开裂,或使用中突然发生断裂,造成重大的事故和损失。因此,存在白点缺陷的大型锻件必须报废,白点是大型锻件的癌症。白点缺陷是一种常见的氢脆现象。随着大型锻件的冷却过程,氢在钢中溶解度逐渐降低。锻件心部的氢不能及时扩散出去,而在内部的缺陷处析出。析出的氢气对周围的金属产生压力,与内应力共同作用下,形成微裂纹扩展,即白点缺陷慢慢长大。近年来,随着科学技术的发展,晶体塑性有限元已成为材料学和塑性成形学领域研究多晶、位错、析出、晶粒、裂纹的十分活跃的理论方法。本文采用晶体塑性有限元法,通过考虑氢压力、显微孔隙、内应力、晶界等因素的影响,从细观角度进一步度揭示白点形成机理。首先,选定Cr5为试验材料,设定模拟参数。其次,建立白点核心区域细观模型,分别采用晶体塑性有限元和宏观有限元模拟得到不同氢压下白点核心处的氢应力场,通过模拟结果对比,发现显微孔隙尖端存在一个滑移位错集中区域,并运用断裂力学对裂纹的扩展进行预测。再次,大型锻件内未焊合的显微孔隙大小不一、形状各异,通过分析不同形状显微孔隙下的氢应力场,发现越扁的显微孔隙越有利于白点的形成。最后,通过ABAQUS脚本接口二次开发,建立了多晶体孔隙模型,模拟分析内应力分布情况,发现应力具有不均匀性,且极值多出现在晶界处。此外,还模拟分析了不同位置双显微孔隙氢应力场干涉,发现干涉现象有利于白点长大,但晶界对白点长大有不利作用。
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