疏松結(jié)構(gòu)概念

物料中存在的疏松結(jié)構(gòu)被四周致密結(jié)構(gòu)部分所包圍封閉，這樣致密結(jié)構(gòu)形成了“薄壁型”空心截面。由應(yīng)力分析可知，致密結(jié)構(gòu)承受壓力較大，而疏松結(jié)構(gòu)承壓較小，因此物料整體容易受力斷裂。

當(dāng)強脈沖X光、電子束或者激光等高能流密度粒子束輻射材料時，由于瞬時的大量能量沉積而在材料表面形成高溫高壓。如果粒子束的輻照能強度足夠高，可使靶材受照部分表層產(chǎn)生溶化甚至汽化，出現(xiàn)物質(zhì)噴射現(xiàn)象，同時給靶結(jié)構(gòu)施加一反沖的噴射沖量。該沖量的產(chǎn)生會在靶材內(nèi)部形成一熱激波并向里傳播，在內(nèi)自由面反射時可使靶層裂。倘若噴射沖量足夠大，還會引起結(jié)構(gòu)的動屈曲，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的失效和破壞。因此，研究脈沖輻射下材料的噴射沖量的耦合特性是抗輻射沖擊中的關(guān)鍵問題之一。研究正是試圖對一種多孔疏松結(jié)構(gòu)材料的電子束輻射沖量耦合特性進行實驗研究，以便為其今后的應(yīng)用打下基礎(chǔ)。

疏松結(jié)構(gòu)測量原理

采用微型紅外通光式傳感器和直接測量特定時間間隔的探頭原理來測量電子束噴射沖量。探頭原理如圖1所示。在平板靶的中心安裝一傳信桿，在傳信桿的另一端加工有6個等間距的圓環(huán)。在傳信桿的2側(cè)安裝有兩套微型紅外發(fā)光二極管和光電三極管，發(fā)光管和光電管在各加有一定的偏置電壓時便分別發(fā)射紅外光和將接收的紅外光轉(zhuǎn)換為電信號。當(dāng)靶-傳信桿組件向后運動時，傳信桿上的圓環(huán)依次通過光束區(qū)，而形成一系列與圓環(huán)相對應(yīng)的通光-斷光交替出現(xiàn)的現(xiàn)象，從而使光電管輸出一系列的電脈沖信號。圓環(huán)的間距為L，則由脈沖系列可判讀出特定的時間間隔Δt_i，從而求得噴射沖量I。如果靶面受輻射的電子束能注量F已知，則靶材的電子束噴射沖量耦合系數(shù)β=I/F，β表征單位能通量產(chǎn)生噴射沖量的大小，β越小，表明材料的抗輻射沖擊性能越好。

疏松結(jié)構(gòu)研究結(jié)果

綜合實驗結(jié)果，在實驗?zāi)茏⒘糠秶鷥?nèi)對多孔疏松結(jié)構(gòu)材料的實測值進行統(tǒng)計處理，得出如下結(jié)論：當(dāng)電子束的平均能量為0.551MeV，能注量為257±34J/cm²時，多孔疏松結(jié)構(gòu)材料的沖量耦合系數(shù)為1.73±0.26Pa·s/(J·cm²)。

隨著電力裝備裝機容量的大型化，其大鍛件所用鋼錠也越來越大，當(dāng)前我國百萬KW級核電大鍛件最大鋼錠已達(dá)到600噸級。鋼錠在冶金和鑄錠過程中不可避免地存在疏松、空洞等冶金缺陷。隨著鋼錠尺寸增大，冶金缺陷產(chǎn)生的可能性也越大。因此，鍛造過程中壓實疏松等內(nèi)部缺陷是生產(chǎn)優(yōu)質(zhì)大鍛件的關(guān)鍵之一。

20世紀(jì)70年代以來，國內(nèi)外學(xué)者就鋼錠心部缺陷壓實做了大量研究，并提出了JTS、WHF、FM等拔長工藝。早期應(yīng)用有限元研究了上下平砧鍛造過程中孔洞的閉合；通過有限元分析WHF法及FM法對壓實心部孔隙的效果；對大鋼錠內(nèi)部空洞鍛合過程進行模擬和試驗研究。研究鍛造條件對毛坯內(nèi)部孔洞閉合的影響；對鐓粗過程中鍛件內(nèi)孔洞缺陷進行光塑性模擬和數(shù)值模擬；利用有限元法研究大鍛件內(nèi)部空洞閉合條件；通過建立與實際缺陷外形相同的有限元模型來模擬孔洞變化規(guī)律。限于當(dāng)時研究條件，絕大多數(shù)都是以人工模擬孔洞缺陷作為工藝優(yōu)化判據(jù)，顯然這種方法對孔洞等缺陷是較為適宜的，但對于疏松這種孔隙型缺陷則相差較大。為此研究件FM法拔長方坯的主變形階段，設(shè)計了四因素三水平的正交表，以密度作為疏松壓實評價指標(biāo)，考察溫度、壓下率、砧寬比、摩擦因子四個參數(shù)對疏松材料致密化過程影響的主次順序，從而為后期的以壓實疏松為目標(biāo)的大型鍛件鍛造工藝的優(yōu)化奠定基礎(chǔ)。

疏松結(jié)構(gòu)疏松材料模型

疏松材料致密化過程以DEFORM-3D軟件中多孔材料模型進行數(shù)值模擬，多孔材料數(shù)學(xué)模型如下：

AJ'₂ BJ²₁=Y²_R=Y²₀

其中A=2 R²、B=1-A/3、δ=2R²-1，R為相對密度，J'₂為應(yīng)力偏張量第二不變量，J₁為應(yīng)力第一不變量，Y_R為多孔材料屈服應(yīng)力，Y₀為實體材料屈服應(yīng)力。疏松材料數(shù)值模擬有限元模型如圖2所示，橫截面尺寸200mm×200mm，長度300mm，中心直徑150mm范圍作為疏松部分賦予初始相對密度0.8，外層密度為1。

疏松結(jié)構(gòu)研究結(jié)論

（1）采用多孔材料模型，以相對密度作為致密化的評價指標(biāo)研究鍛造過程中疏松致密化具有可行性；

（2）在所研究參數(shù)范圍內(nèi)，對致密化的影響因素主次順序為:壓下率、溫度、摩擦因子、砧寬比；

（3）壓下率對致密化的影響最為顯著，隨著壓下率的增大，密度明顯增大。 2100433B

1、在設(shè)計上，采用液壓驅(qū)動與電氣控制相結(jié)合的整體全封閉結(jié)構(gòu)。

2、疏松器采用低合金高強度鋼與耐腐蝕的不銹鋼材料，保證結(jié)構(gòu)強度，確保使用壽命。

3、在設(shè)計上，根據(jù)不同煤倉結(jié)構(gòu)形式、煤質(zhì)、水分、顆粒度以及運行方式,設(shè)計出合理的方案。

4、疏松機采用液壓傳動，運行平穩(wěn)，維護方便。2100433B

1、在設(shè)計上，采用液壓驅(qū)動與電氣控制相結(jié)合的整體全封閉結(jié)構(gòu)。

2、疏松器采用低合金高強度鋼與耐腐蝕的不銹鋼材料，保證結(jié)構(gòu)強度，確保使用壽命。

3、在設(shè)計上，根據(jù)不同煤倉結(jié)構(gòu)形式、煤質(zhì)、水分、顆粒度以及運行方式,設(shè)計出合理的方案。

4、疏松機采用液壓傳動，運行平穩(wěn)，維護方便。

中心疏松的特征是在橫向試片上相當(dāng)于鋼錠的軸心部位，呈現(xiàn)由集中的空隙和小黑點組成的不致密組織，并以空隙為主。由于它出現(xiàn)在鋼材上相當(dāng)于鋼錠的軸心部位，不是整個截面上，而不同于一般疏松。另外，中心疏松只表現(xiàn)為不致密的組織，并未形成不連續(xù)的孔洞而明顯區(qū)別于縮孔殘余。

中心疏松也叫收縮疏松，它通常出現(xiàn)在縮孔下面、鋼錠的頭部和中部，是鋼錠錠芯最后凝固部分的粗大等軸晶晶軸間沒有鋼液補充而形成的收縮孔隙，同時由于最后凝固部分富有雜質(zhì)，酸蝕時易腐蝕形成海綿狀小黑點。

冶煉時減少氣體、夾雜以及使鋼錠有良好的補縮對防止中心疏松有一定的效果。要指出的是，鋼種和錠型對中心疏松有明顯影響，含碳較高的鋼種會影響鋼的導(dǎo)熱性、流動性。合金元素多的鋼種都比較容易’出現(xiàn)中心疏松。因此，澆注這些鋼種的錠模錐度可適當(dāng)加大。此外，采用小錠比采用大錠時中心疏松程度要輕得多。