疏松結(jié)構(gòu)疏松結(jié)構(gòu)材料的輻射沖量耦合特性研究

當(dāng)強(qiáng)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(shí)，由于瞬時(shí)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(qiáng)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(shí)給靶結(jié)構(gòu)施加一反沖的噴射沖量。該沖量的產(chǎn)生會(huì)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(shí)可使靶層裂。倘若噴射沖量足夠大，還會(huì)引起結(jié)構(gòu)的動(dòng)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(duì)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(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，以便為其今后的應(yīng)用打下基礎(chǔ)。

疏松結(jié)構(gòu)測(cè)量原理

采用微型紅外通光式傳感器和直接測(cè)量特定時(shí)間間隔的探頭原理來測(cè)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(gè)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(shí)便分別發(fā)射紅外光和將接收的紅外光轉(zhuǎn)換為電信號(hào)。當(dāng)靶-傳信桿組件向后運(yùn)動(dòng)時(shí)，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(duì)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(hào)。圓環(huán)的間距為L(zhǎng)，則由脈沖系列可判讀出特定的時(shí)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(shí)驗(yàn)結(jié)果，在實(shí)驗(yàn)?zāi)茏⒘糠秶鷥?nèi)對(duì)多孔疏松結(jié)構(gòu)材料的實(shí)測(cè)值進(jìn)行統(tǒng)計(jì)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(shí)，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)。

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。

隨著電力裝備裝機(jī)容量的大型化，其大鍛件所用鋼錠也越來越大，當(dāng)前我國(guó)百萬KW級(jí)核電大鍛件最大鋼錠已達(dá)到600噸級(jí)。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(shí)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(guó)內(nèi)外學(xué)者就鋼錠心部缺陷壓實(shí)做了大量研究，并提出了JTS、WHF、FM等拔長(zhǎng)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(duì)壓實(shí)心部孔隙的效果；對(duì)大鋼錠內(nèi)部空洞鍛合過程進(jìn)行模擬和試驗(yàn)研究。研究鍛造條件對(duì)毛坯內(nèi)部孔洞閉合的影響；對(duì)鐓粗過程中鍛件內(nèi)孔洞缺陷進(jìn)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(shí)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(shí)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(duì)孔洞等缺陷是較為適宜的，但對(duì)于疏松這種孔隙型缺陷則相差較大。為此研究件FM法拔長(zhǎng)方坯的主變形階段，設(shè)計(jì)了四因素三水平的正交表，以密度作為疏松壓實(shí)評(píng)價(jià)指標(biāo)，考察溫度、壓下率、砧寬比、摩擦因子四個(gè)參數(shù)對(duì)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(shí)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(jìn)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(duì)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(shí)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(zhǎng)度300mm，中心直徑150mm范圍作為疏松部分賦予初始相對(duì)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(duì)密度作為致密化的評(píng)價(jià)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(duì)致密化的影響因素主次順序?yàn)?壓下率、溫度、摩擦因子、砧寬比；

（3）壓下率對(duì)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(jì)上，采用液壓驅(qū)動(dòng)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(qiáng)度鋼與耐腐蝕的不銹鋼材料，保證結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，確保使用壽命。

3、在設(shè)計(jì)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(yùn)行方式,設(shè)計(jì)出合理的方案。

4、疏松機(jī)采用液壓傳動(dòng)，運(yùn)行平穩(wěn)，維護(hù)方便。2100433B

1、在設(shè)計(jì)上，采用液壓驅(qū)動(dòng)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(qiáng)度鋼與耐腐蝕的不銹鋼材料，保證結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，確保使用壽命。

3、在設(shè)計(jì)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(yùn)行方式,設(shè)計(jì)出合理的方案。

4、疏松機(jī)采用液壓傳動(dòng)，運(yùn)行平穩(wěn)，維護(hù)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(diǎn)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(gè)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(bǔ)充而形成的收縮孔隙，同時(shí)由于最后凝固部分富有雜質(zhì)，酸蝕時(shí)易腐蝕形成海綿狀小黑點(diǎn)。

冶煉時(shí)減少氣體、夾雜以及使鋼錠有良好的補(bǔ)縮對(duì)防止中心疏松有一定的效果。要指出的是，鋼種和錠型對(duì)中心疏松有明顯影響，含碳較高的鋼種會(huì)影響鋼的導(dǎo)熱性、流動(dòng)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(shí)中心疏松程度要輕得多。