开裂作为金属塑性成形过程中变形材料的破坏现象是金属塑性成形工艺过程分析和优化中重点要解决的问题,也是制约产品质量的关键因素。揭示材料在成形过程中裂纹形成的原因及其发展变化过程,并寻找避免其产生的方法,进而指导成形工艺设计和优化是学术界长期以来重要的研究课题。随着我国经济的发展,能源需求越来越大,然而300MW以上大型发电机护环我国尚不能稳定生产。Mn18Cr18N钢是300MW以上护环生产中的主要用钢,该钢在成形中易开裂成为制约大型发电机护环生产的关键问题。本文以Mn18Cr18N钢300MW护环成形为基础,从影响成形中裂纹形成和扩展的主要因素出发,利用拉伸试验、定量金相测试和数值模拟方法分析了变形温度、应力状态、应变率、组织结构对高温塑性、裂纹形成和裂纹扩展的作用规律。在800～1200℃温度范围内,Mn18Cr18N高氮奥氏体不锈钢的塑性随温度升高而升高,1200℃时达到最好,然后开始下降;应变率通过再结晶的作用而影响开裂趋势;当温度低于1100℃时,细晶粒尺寸材料的塑性优于粗晶粒尺寸,而温度高于1100℃时中等晶粒尺寸材料塑性最好。进而给出了护环锻造中各变量的控制要求。全面综述了当前工程中常用的各种韧性断裂准则及其对裂纹起裂和扩展过程的观点,并针对Mn18Cr18N钢进行了材料韧性断裂试验和数值模拟计算:选取以拉伸颈缩时的应变作为空洞形核应变、断裂应变作为空洞开始聚合时的应变;给出了对应各韧性断裂准则的损伤因子阈值及其随温度变化规律,并对各韧性断裂准则的适用性和精度进行了试验验证;发现C+L准则能够较准确的预报热锻中损伤的发生。利用找到的韧性断裂准则结合Deform有限元数值模拟技术对护环成形中关键工序冲孔和芯棒拔长工艺进行预测和评价,结果显示,预测结果与生产实际具有较高一致性。并对包套冲挤工艺进行优化,给出了工艺参数控制的优化数值和正确的成形方案。