對42CrMo鋼板首先鍛造后淬火,再分別進行常規(guī)熱處理、淺冷處理和深冷處理,之后進行中溫回火,然后測試試樣的硬度和沖擊韌性,并采用掃描電子顯鏡觀察沖擊試樣的斷口形貌和試樣的觀組織,探索淺冷處理和深冷處理對42CrMo硬度和沖擊韌性及觀組織的影響。結(jié)果表明,相比于常規(guī)熱處理,42CrMo經(jīng)淺冷處理和深冷處理后硬度略下降,沖擊韌性有所,并且試樣經(jīng)深冷處理后的沖擊韌性程度高于淺冷處理的沖擊韌性。沖擊試樣斷口呈準(zhǔn)解理斷裂,屬于脆性斷裂。觀組織分析表明,淺冷處理和深冷處理均能促進試樣組織中細小碳化物彌散分布析出。
利用光學(xué)顯鏡、掃描電鏡和電子探針對熱處理后開裂的42CrMo鋼板制大型風(fēng)電主軸進行觀組織形貌及區(qū)成分分析。結(jié)果表明,主軸裂紋附近存在大量的硫化物及氮化物夾雜,且夾雜物與基體存在明顯的間隙面,易以界面脫粘開裂機制產(chǎn)生裂紋,同時夾雜處的區(qū)成分偏析及裂紋附近的縮松缺陷共同作用終導(dǎo)致主軸開裂。
用光學(xué)顯鏡、42crmo鋼板掃描電鏡、透射電鏡和顯硬度研究了回火溫度和時間對42CrMo鋼顯組織和硬度的影響,并推導(dǎo)獲得了回火后屈服強度的計算模型。結(jié)果表明:隨著回火溫度的升高和時間的延長,馬氏體的板條界面逐漸模糊或消失,板條寬度增加,位錯密度顯著減少,析出相由針狀的過渡性碳化物逐漸向球形的穩(wěn)定滲碳體轉(zhuǎn)變,顯組織從回火馬氏體演變?yōu)樘蓟飶浬⒎植嫉幕鼗鹎象w（400℃）和索氏體（600℃）,同時硬度不斷降低,且在前2 h回火內(nèi)降低顯著,而后趨于穩(wěn)定。由于擴散控制的回火組織演變類同于單一相變過程,基于JMAK方程建立的強度計算模型,可以較好地預(yù)測42CrMo鋼在200～600℃回火時的屈服強度變化。
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42CrMo鋼板含有Cr、Mo等多種合金化元素,具有優(yōu)良的綜合力學(xué)性能,既具有較高的強度,又具有較好的塑性,在鍛件,特別是大型鍛件領(lǐng)域,有廣泛的應(yīng)用。本文采用計算機模擬與實驗相結(jié)合的方法,構(gòu)建了 42CrMo鋼較準(zhǔn)確的本構(gòu)模型和材料性能數(shù)據(jù)庫,并開展了材料變形和熱處理淬火過程的計算機模擬和實驗,模擬結(jié)果與實驗結(jié)果吻合較好。
通過熱壓縮實驗,測定了 42CrMo鋼板在不同溫度和應(yīng)變速率下的應(yīng)力-應(yīng)變數(shù)據(jù),構(gòu)建了改進的Johnson-Cook本構(gòu)模型和應(yīng)變補償?shù)腁rrhenius本構(gòu)模型,得到了較大應(yīng)變范圍內(nèi)較準(zhǔn)確的42CrMo鋼的本構(gòu)方程。擬合了手冊中標(biāo)準(zhǔn)的42CrMo鋼的TTT曲線,獲得了較準(zhǔn)確的TTT曲線數(shù)據(jù)。此外還構(gòu)建了包含熱導(dǎo)率、比熱容、楊氏模量、泊松比、相變潛熱、膨脹系數(shù)等較完善、準(zhǔn)確的42CrMo鋼數(shù)據(jù)庫。以構(gòu)建的數(shù)據(jù)庫為基礎(chǔ),通過DEFORM軟件模擬了 42CrMo鋼在變形溫度為1123 K、應(yīng)變速率為0.01 s-1條件下的熱壓縮過程,將模擬結(jié)果中壓縮后試樣的尺寸數(shù)據(jù)、Top Die載荷-行程曲線以及計算得出的應(yīng)力-應(yīng)變曲線分別與相同實驗條件下實測結(jié)果進行對比。結(jié)果顯示,載荷-行程曲線和應(yīng)力-應(yīng)變曲線在數(shù)值大小和變化趨勢上與實驗結(jié)果吻合較好,表明選用的應(yīng)變補償?shù)腁rrhenius本構(gòu)模型能夠比較準(zhǔn)確地描述42crmo鋼板的變形行為。
通過DEFORM軟件模擬了 42CrMo鋼板在1123 K時的末端淬火過程,結(jié)果顯示試樣末端與水的換熱程度劇烈,溫度迅速下降,形成大量馬氏體組織,隨著遠離淬火末端,馬氏體含量逐漸降低,硬度也隨之降低。同時進行了同條件的末端淬火實驗,對淬火后試樣的軸向硬度分布進行了測量,并觀察不同位置組織組成,實驗結(jié)果與模擬結(jié)果基本一致,這表明文中構(gòu)建的42CrMo鋼數(shù)值模擬數(shù)據(jù)庫較為準(zhǔn)確?？梢栽诖嘶A(chǔ)上進行不同幾何形狀、不同變形條件、不同熱處理過程的數(shù)值模擬,為實際生產(chǎn)過程的模擬與優(yōu)化打下了良好的基礎(chǔ)。
基于深冷處理提供的溫度場和永磁體提供的勻強磁場,對42CrMo鋼板合金鋼進行磁場深冷處理,并與常規(guī)工藝和深冷處理工藝進行了對比分析。結(jié)果表明:磁冷工藝在深冷處理工藝的基礎(chǔ)上進一步提高了42CrMo鋼的耐磨性,磁冷工藝處理材料的耐磨性較常規(guī)工藝和深冷工藝分別提高約26. 7%和22. 2%。
這是由于深冷處理使得殘留奧氏體進一步轉(zhuǎn)化為馬氏體;深冷處理也使得過飽和馬氏體析出大量碳生成碳化物;深冷處理中磁場的存在對α-Fe晶格的作用使過飽和馬氏體析出碳的方向得到優(yōu)化,回火屈氏體在磁場方向致密聚集,耐磨性提高。 基于有限元計算分析了直徑為Φ40 mm的42CrMo鋼圓棒試樣分別使用淬火油和PAG水基液淬火后試樣不同位置的組織、硬度以及淬火過程中的溫度變化,采用硬度檢測和顯組織分析對模擬結(jié)果進行了驗證。42crmo鋼板結(jié)果表明,當(dāng)使用淬火油淬火時,試樣表面由奧氏體向馬氏體和貝氏體轉(zhuǎn)變,心部由奧氏體向貝氏體轉(zhuǎn)變;當(dāng)使用PAG水基液淬火時,試樣表層幾乎轉(zhuǎn)變成馬氏體,心部轉(zhuǎn)變成馬氏體和貝氏體;試樣經(jīng)淬火油和PAG水基液淬火后,表面硬度分別為58和55 HRC,均由表面至心部硬度逐漸降低,但使用PAG水基液淬火后試樣的心部硬度比用淬火油的高5 HRC,約為50 HRC。
目的提高42CrMo鋼板激光淬火后硬化層的深度和分布均勻性。方法利用COMSOL Multiphysics軟件對42CrMo鋼激光淬火過程中溫度場的演變進行分析,且考慮材料的熱物性參數(shù)隨溫度變化。通過設(shè)定激光工藝參數(shù)模擬試樣的溫度場分布,利用馬氏體轉(zhuǎn)變條件得到硬化層形貌尺寸。參照模擬結(jié)果,利用連續(xù)輸出的光纖耦合半導(dǎo)體激光器對42CrMo鋼進行激光淬火實驗,用熱電偶測溫儀對試樣測溫并與模擬的溫度歷史曲線進行對比,用光學(xué)顯鏡對試樣橫截面處硬化層形貌進行分析,將實驗所得硬化層形貌與模擬結(jié)果進行比較。并在相同的功率密度下,改變光斑的幾何尺寸進行模擬,分析并比較硬化層的幾何特征。結(jié)果實驗所測某點的溫度歷史曲線與模擬結(jié)果一致性較高,硬化層實際形貌與模擬結(jié)果基本吻合。
為了查找某42CrMo鋼板制螺栓斷裂失效的原因,采用光學(xué)顯鏡、掃描電鏡、電感耦合等離子體光譜儀、碳硫分析儀、硬度計等對斷裂件的宏觀斷口形貌、顯組織、硬度和化學(xué)成分等進行觀察和檢測分析。結(jié)果表明:螺栓光桿和法蘭盤轉(zhuǎn)接圓角處局部過燒和脫碳是引起螺栓斷裂的主要原因,使用過程中螺栓光桿和法蘭盤轉(zhuǎn)接圓角處的應(yīng)力集中是導(dǎo)致螺栓斷裂的誘發(fā)因素。通過嚴格控制熱鐓溫度,退火氣氛,增加毛坯的切削余量,可有效防止過燒及脫碳層在成品零件上出現(xiàn),避免類似事件的發(fā)生。
利用ABAQUS有限元分析軟件及二次開發(fā)對42CrMo鋼板船用曲拐加熱和淬火過程進行數(shù)值模擬。結(jié)果表明:工件分段加熱過程中,表面與心部的 溫差出現(xiàn)在第二個保溫階段,達到88.6℃;第二階段保溫結(jié)束時,工件內(nèi)外基本無溫差,珠光體完全轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體。在淬火過程中,曲拐表層形成了一定厚度的馬氏體組織,至半馬氏體處厚度約為70 mm,其表面馬氏體含量的體積分數(shù)約為96%;貝氏體主要集中在曲拐的次表層,且其 含量約為56%;曲拐的心部為完全的珠光體組織;殘留奧氏體主要集中在曲拐的表層,且其大含量約為4%。
通過使用光纖激光器,激光熔覆鎳基復(fù)合合金粉末在42CrMo鋼表面獲得了成形良好的激光熔覆層。采用掃描電子顯鏡（SEM）、能譜儀（EDS）、X射線衍射（XRD）、顯硬度計和磨損試驗機研究了熔覆層組織形態(tài)、物相、化學(xué)成分和顯硬度,并對其磨損性能進行了分析。結(jié)果表明,激光鎳基復(fù)合熔覆層的物相主要有γ-Ni、M7C3、M23C6、CrB、Fe6W6C、Mo2FeB2和WC。熔覆層組織主要以胞狀晶和胞狀樹枝晶為主,并有大量的共晶組織。42crmo鋼板激光熔覆層的顯硬度分布比較均勻,相對基體硬度提高了1.42倍。激光熔覆層的耐磨性是基體的3倍以上,熔覆層的主要磨損機制為磨粒磨損,并伴隨著粘著磨損和氧化磨損。