疏鬆結構

物料中存在的疏鬆結構被四周緻密結構部分所包圍封閉，這樣緻密結構形成了“薄壁型”空心截面。由應力分析可知，緻密結構承受壓力較大，而疏鬆結構承壓較小，因此物料整體容易受力斷裂。

當強脈衝X光、電子束或者激光等高能流密度粒子束輻射材料時，由於瞬時的大量能量沉積而在材料表面形成高温高壓。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生溶化甚至汽化，出現物質噴射現象，同時給靶結構施加一反衝的噴射衝量。該衝量的產生會在靶材內部形成一熱激波並向裏傳播，在內自由面反射時可使靶層裂。倘若噴射衝量足夠大，還會引起結構的動屈曲，導致結構的失效和破壞。因此，研究脈衝輻射下材料的噴射衝量的耦合特性是抗輻射衝擊中的關鍵問題之一。研究正是試圖對一種多孔疏鬆結構材料的電子束輻射衝量耦合特性進行實驗研究，以便為其今後的應用打下基礎。

採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衝量。探頭原理如圖1所示。在平板靶的中心安裝一傳信杆，在傳信杆的另一端加工有6個等間距的圓環。在傳信杆的2側安裝有兩套微型紅外發光二極管和光電三極管，發光管和光電管在各加有一定的偏置電壓時便分別發射紅外光和將接收的紅外光轉換為電信號。當靶-傳信杆組件向後運動時，傳信杆上的圓環依次通過光束區，而形成一系列與圓環相對應的通光-斷光交替出現的現象，從而使光電管輸出一系列的電脈衝信號。圓環的間距為L，則由脈衝系列可判讀出特定的時間間隔Δt_i，從而求得噴射衝量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衝量耦合係數β=I/F，β表徵單位能通量產生噴射衝量的大小，β越小，表明材料的抗輻射衝擊性能越好。

綜合實驗結果，在實驗能注量範圍內對多孔疏鬆結構材料的實測值進行統計處理，得出如下結論：當電子束的平均能量為0.551MeV，能注量為257±34J/cm²時，多孔疏鬆結構材料的衝量耦合係數為1.73±0.26Pa·s/(J·cm²)。 ^[1] 

隨着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，當前我國百萬KW級核電大鍛件最大鋼錠已達到600噸級。鋼錠在冶金和鑄錠過程中不可避免地存在疏鬆、空洞等冶金缺陷。隨着鋼錠尺寸增大，冶金缺陷產生的可能性也越大。因此，鍛造過程中壓實疏鬆等內部缺陷是生產優質大鍛件的關鍵之一。

20世紀70年代以來，國內外學者就鋼錠心部缺陷壓實做了大量研究，並提出了JTS、WHF、FM等拔長工藝。早期應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部孔洞閉合的影響；對鐓粗過程中鍛件內孔洞缺陷進行光塑性模擬和數值模擬；利用有限元法研究大鍛件內部空洞閉合條件；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律。限於當時研究條件，絕大多數都是以人工模擬孔洞缺陷作為工藝優化判據，顯然這種方法對孔洞等缺陷是較為適宜的，但對於疏鬆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，設計了四因素三水平的正交表，以密度作為疏鬆壓實評價指標，考察温度、壓下率、砧寬比、摩擦因子四個參數對疏鬆材料緻密化過程影響的主次順序，從而為後期的以壓實疏鬆為目標的大型鍛件鍛造工藝的優化奠定基礎。

疏鬆材料緻密化過程以DEFORM-3D軟件中多孔材料模型進行數值模擬，多孔材料數學模型如下：

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為應力偏張量第二不變量，J₁為應力第一不變量，Y_R為多孔材料屈服應力，Y₀為實體材料屈服應力。疏鬆材料數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範圍作為疏鬆部分賦予初始相對密度0.8，外層密度為1。

（1）採用多孔材料模型，以相對密度作為緻密化的評價指標研究鍛造過程中疏鬆緻密化具有可行性；

（2）在所研究參數範圍內，對緻密化的影響因素主次順序為:壓下率、温度、摩擦因子、砧寬比；

（3）壓下率對緻密化的影響最為顯著，隨着壓下率的增大，密度明顯增大。 ^[2]