針對這種內(nèi)部層狀裂紋型缺陷，有人曾做過理論分析，提出了3種最有可能產(chǎn)生缺陷的理由：①未鍛合的疏松；②夾雜性裂紋；③氫脆或白點。然后，根據(jù)顯微觀察來逐一辨別確認(rèn)。但是，觀察結(jié)果卻排除了上述3種可能性。經(jīng)過長期的觀察和分析，推出了一個新的力學(xué)效應(yīng)模型，即RST效應(yīng)。

　　一、RST效應(yīng)的定義和產(chǎn)生條件 

　　大型圓餅類和板類自由鍛件，在鍛造成形過程中，經(jīng)受很大的變形量后產(chǎn)生的內(nèi)部層狀裂紋缺陷，是由一種特殊的力學(xué)效應(yīng)引起的，定義為RST效應(yīng)(Rigid Slide Tearing Effect，剛性滑動撕裂效應(yīng))。

　　圖1表示了在鍛造過程中產(chǎn)生RST效應(yīng)的情況。其特點是：當(dāng)鍛造工具(砧子等)在與鍛件相接觸表面上兩方向(如砧子的長度和寬度，鐓粗為直徑)的尺寸都大大超過坯料的高度時，致使坯料內(nèi)上下兩個剛性區(qū)相遇。隨后，在壓機力的繼續(xù)作用下，產(chǎn)生剛性區(qū)內(nèi)部的層狀剛性滑動變形并導(dǎo)致撕裂。

(a) 鍛煉過程中上下兩個剛性區(qū)“相遇”

(b) 鍛煉內(nèi)部的RST裂紋

圖1　RST效應(yīng)產(chǎn)生條件示意

　　坯料內(nèi)部的剛性區(qū)是由工具和坯料表面的摩擦引起的，也稱“死區(qū)”或“摩擦錐”。實際上，剛性區(qū)內(nèi)的金屬一般情況下并不完全呈整體剛性狀態(tài)，而是從表面對稱中心開始，向坯料內(nèi)部呈一定梯度的小應(yīng)變速率分布。剛性區(qū)的邊界也無嚴(yán)格的規(guī)定，技術(shù)人員常以應(yīng)變速率<0.0015－1為判別其邊界的條件。圖2表示了在平板間鐓粗、平砧拔長鍛板和上平砧、下轉(zhuǎn)臺成形管板的3種情況下，坯料內(nèi)部剛性體(三維視場)相遇的模型。前2種情況具有變形對稱的特點，剛性體分別為對稱的上下錐臺或棱形鍛臺；第3種情況為上下不對稱的變形，剛性體也應(yīng)為上下對稱的棱形錐臺。

(a) 平板間鐓粗時內(nèi)部剛性體相遇

(b) 平砧拔長時內(nèi)部剛性體相遇

(c)上平砧、下平臺成形管板時內(nèi)部剛性體相遇

圖2　不同鍛造方式下坯料內(nèi)部的剛性體

　　由此看來，導(dǎo)致RST效應(yīng)的先決條件為：

　　(1) 特殊的邊界條件和工具尺寸條件，如摩擦系數(shù)μ，砧子的長度L，進(jìn)砧寬度W及坯料高度H。

　　(2) 在上述變形條件下形成坯料內(nèi)部的剛性體相遇后，繼續(xù)施以一定的壓下變形量。

　　(3) 剛性體內(nèi)部的金屬完全失去彈性和塑性變形能力，在壓力下繼續(xù)強制性變形，被迫發(fā)生層狀剛性滑動(或?qū)訝畲嘈曰瑒?，直至超過材料的剪應(yīng)變強度而撕裂破壞。

　　二、RST效應(yīng)的作用機制

　　RST效應(yīng)并不是在瞬間突然作用的，其機制按力學(xué)特性分為3個發(fā)展階段：①彈性壓縮變形，②剛性剪切變形，③剛性滑動撕裂。

　　彈性壓縮變形階段是指坯料內(nèi)部上下兩個剛性體發(fā)生了接觸，并且在外力的作用下繼續(xù)相向運動時，在剛性體內(nèi)部產(chǎn)生彈性變形的過程。這一階段一般比較短暫，在兩剛性體接觸寬度內(nèi)的彈性潛能充分釋放后，這部分材料就被“壓實”了，如圖3所示。

圖3　RST效應(yīng)作用第一階段機制示意圖

　　(a) “死區(qū)”未接觸；(b) 剛剛相遇，彈性壓縮變形開始；(c) 彈性壓縮變形結(jié)束。

　　剛性剪切變形階段，是指在坯料內(nèi)剛性體中的“壓實區(qū)”已不具有彈性壓縮能力的情況下，繼續(xù)受力強制壓縮，使其高度減小，迫使金屬發(fā)生類似層狀的橫向運動，如圖4所示。

圖4　剛性剪切變形階段特征

    圖4還給出了在受力中心線上橫向運動速度的分布。由于坯料受表面摩擦的影響，與剛性體的形狀有關(guān)，所以這種速度的分布從表面到中心呈一定的梯度。由于“壓實區(qū)”內(nèi)各金屬層(剛性層)之間存在著橫向移動速度的差別，便導(dǎo)致產(chǎn)生了相鄰層間的剪切運動，所以稱之為剛性變形階段。

　　剛性滑動撕裂階段是指在剛性層間的剪切變形量達(dá)到某一極限值(即此時的材料剪切強度)時開始的撕裂破壞過程。首先，在部分剛性層間產(chǎn)生裂紋，然后再繼續(xù)滑動撕裂擴大，直至坯料外部的受力壓下變形結(jié)束為止。在這個過程中，處于“壓實區(qū)”內(nèi)的金屬已實際上具有如同巖石一般脆性材料的特性了。圖5表示此階段的坯料內(nèi)部特征。

圖5　剛性滑動撕裂階段特征

    事實上，在描述這一過程中“壓實區(qū)”內(nèi)金屬的性質(zhì)，無論用“剛性”或是“脆性”都不十分合適。這是因為剛性指不變形的意思，但是它又不象脆性材料那樣，在壓縮時呈近似45°角的破壞。

　　三、避免RST效應(yīng)的工藝準(zhǔn)則

　　根據(jù)RST效應(yīng)的作用機制，只要合理控制鍛造時的工藝參數(shù)，使坯料內(nèi)部的剛性體不發(fā)生相遇，就可以完全避免由RST效應(yīng)導(dǎo)致鍛件內(nèi)部產(chǎn)生“層狀裂紋”的缺陷。圖6表示了平砧鍛造時，工藝參數(shù)(砧寬W₀，坯料高度H)和剛性體尺寸參數(shù)(摩擦角α、β，剛性體高度h,l)之間的關(guān)系。

圖6　工藝參數(shù)與剛性體尺寸之間的關(guān)系

　　通常，成形管板和鍛板時在砧子長度方向上與坯料接觸的尺寸總是遠(yuǎn)大于坯料高度H，但是只要合理控制進(jìn)砧寬度W，就可以避免剛性體相遇。考慮變形對稱的場合，幾何參數(shù)有如下關(guān)系：

　　α＝β，h＝l　　(1)

　　在一般的高溫(如T≥1 100 ℃)變形狀態(tài)下，摩擦系數(shù)μ大約在0.37～0.42之間。當(dāng)W/H＝1時，

　　α＝33．3 °～37.0 °　h＝l＝0．37～0．42 H。

　　實際成形管板和板坯時，在初始階段由于坯料的高度尺寸較大，W總是小于H，只是在成形后期才會出現(xiàn)W>H的情況。由于這時坯料表面溫度已經(jīng)降低(≤900 ℃)，所以將摩擦系數(shù)μ按0.37計算，在W/H＝1．35時，坯料內(nèi)部的上下兩個剛性體才會相遇。此外，考慮到在此時的溫度條件下，壓下變形量不宜太大(εh≤15%)，以及在壓下過程中，由于坯料的伸長和展寬，使W值發(fā)生增長(約10%)現(xiàn)象。另外，為了保證良好的內(nèi)部變形效果，使初始時的W/H≥0.5，所以規(guī)定了避免RST效應(yīng)的鍛造成形工藝準(zhǔn)則為：

　　0.5≤W/H≤1.0， εh≤15%　　(3)

　　在由鐓粗成形的場合，應(yīng)限制鍛件徑高比為：

　　D/H≤1.35或H/D≥0.74　　(4)

　　其中，式(3)對上下變形不對稱的場合也適用。

　　四、結(jié)論

　　RST效應(yīng)主要與在鍛造成形過程中，因表面摩擦影響產(chǎn)生的坯料內(nèi)部剛性體高度有關(guān)，其發(fā)展過程有彈性壓縮變形、剛性剪切變形和剛性滑動撕裂3個階段。合理控制鍛造成形過程中的砧寬比和壓下量兩個工藝參數(shù)，可以有效地避免RST效應(yīng)的危害作用。