疏松结构学术资讯 - 科技工作者之家

疏松结构是指具有多孔蓬松结构的物料，相对密度较低。例如在制品成型时，形成致密区的同时，内部物料温度仍较高，还处于粘流态，而当内部物料冷却时，由于结晶收缩，不但内部得不到物料补充，而且还产生收缩力，这种内应力对于内部是收缩力，而对于外部则为拉应力；当内部物料冷却到一定程度时，所产生的内应力不能使坚硬的外层变形，而只能使叶片中间未冷却部分拉开形成白化疏松的较软的组织，甚至产生明显的小裂纹，这种较软的白化疏松结构在桨叶中便形成了白化疏松区。

概念物料中存在的疏松结构被四周致密结构部分所包围封闭，这样致密结构形成了“薄壁型”空心截面。由应力分析可知，致密结构承受压力较大，而疏松结构承压较小，因此物料整体容易受力断裂。

疏松结构材料的辐射冲量耦合特性研究当强脉冲X光、电子束或者激光等高能流密度粒子束辐射材料时，由于瞬时的大量能量沉积而在材料表面形成高温高压。如果粒子束的辐照能强度足够高，可使靶材受照部分表层产生溶化甚至汽化，出现物质喷射现象，同时给靶结构施加一反冲的喷射冲量。该冲量的产生会在靶材内部形成一热激波并向里传播，在内自由面反射时可使靶层裂。倘若喷射冲量足够大，还会引起结构的动屈曲，导致结构的失效和破坏。因此，研究脉冲辐射下材料的喷射冲量的耦合特性是抗辐射冲击中的关键问题之一。研究正是试图对一种多孔疏松结构材料的电子束辐射冲量耦合特性进行实验研究，以便为其今后的应用打下基础。

测量原理采用微型红外通光式传感器和直接测量特定时间间隔的探头原理来测量电子束喷射冲量。探头原理如图1所示。在平板靶的中心安装一传信杆，在传信杆的另一端加工有6个等间距的圆环。在传信杆的2侧安装有两套微型红外发光二极管和光电三极管，发光管和光电管在各加有一定的偏置电压时便分别发射红外光和将接收的红外光转换为电信号。当靶-传信杆组件向后运动时，传信杆上的圆环依次通过光束区，而形成一系列与圆环相对应的通光-断光交替出现的现象，从而使光电管输出一系列的电脉冲信号。圆环的间距为L，则由脉冲系列可判读出特定的时间间隔Δti，从而求得喷射冲量I。如果靶面受辐射的电子束能注量F已知，则靶材的电子束喷射冲量耦合系数β=I/F，β表征单位能通量产生喷射冲量的大小，β越小，表明材料的抗辐射冲击性能越好。

研究结果综合实验结果，在实验能注量范围内对多孔疏松结构材料的实测值进行统计处理，得出如下结论：当电子束的平均能量为0.551MeV，能注量为257±34J/cm2时，多孔疏松结构材料的冲量耦合系数为1.73±0.26Pa·s/(J·cm2)。1

FM法压实疏松结构FEM模拟优化随着电力装备装机容量的大型化，其大锻件所用钢锭也越来越大，当前我国百万KW级核电大锻件最大钢锭已达到600吨级。钢锭在冶金和铸锭过程中不可避免地存在疏松、空洞等冶金缺陷。随着钢锭尺寸增大，冶金缺陷产生的可能性也越大。因此，锻造过程中压实疏松等内部缺陷是生产优质大锻件的关键之一。

20世纪70年代以来，国内外学者就钢锭心部缺陷压实做了大量研究，并提出了JTS、WHF、FM等拔长工艺。早期应用有限元研究了上下平砧锻造过程中孔洞的闭合；通过有限元分析WHF法及FM法对压实心部孔隙的效果；对大钢锭内部空洞锻合过程进行模拟和试验研究。研究锻造条件对毛坯内部孔洞闭合的影响；对镦粗过程中锻件内孔洞缺陷进行光塑性模拟和数值模拟；利用有限元法研究大锻件内部空洞闭合条件；通过建立与实际缺陷外形相同的有限元模型来模拟孔洞变化规律。限于当时研究条件，绝大多数都是以人工模拟孔洞缺陷作为工艺优化判据，显然这种方法对孔洞等缺陷是较为适宜的，但对于疏松这种孔隙型缺陷则相差较大。为此研究件FM法拔长方坯的主变形阶段，设计了四因素三水平的正交表，以密度作为疏松压实评价指标，考察温度、压下率、砧宽比、摩擦因子四个参数对疏松材料致密化过程影响的主次顺序，从而为后期的以压实疏松为目标的大型锻件锻造工艺的优化奠定基础。

疏松材料模型疏松材料致密化过程以DEFORM-3D软件中多孔材料模型进行数值模拟，多孔材料数学模型如下：

AJ'2+BJ21=Y2R=Y20

其中A=2+R2、B=1-A/3、δ=2R2-1，R为相对密度，J'2为应力偏张量第二不变量，J1为应力第一不变量，YR为多孔材料屈服应力，Y0为实体材料屈服应力。疏松材料数值模拟有限元模型如图2所示，横截面尺寸200mm×200mm，长度300mm，中心直径150mm范围作为疏松部分赋予初始相对密度0.8，外层密度为1。