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(qiáng)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(jì)算機(jī)模擬與實(shí)驗(yàn)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(jì)算機(jī)模擬和實(shí)驗(yàn),模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合較好。
通過熱壓縮實(shí)驗(yàn),測(cè)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(jìn)的Johnson-Cook本構(gòu)模型和應(yīng)變補(bǔ)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(cè)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(jì)算得出的應(yīng)力-應(yīng)變曲線分別與相同實(shí)驗(yàn)條件下實(shí)測(cè)結(jié)果進(jìn)行對(duì)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(shì)上與實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合較好,表明選用的應(yīng)變補(bǔ)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(shí)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(yuǎn)離淬火末端,馬氏體含量逐漸降低,硬度也隨之降低。同時(shí)進(jìn)行了同條件的末端淬火實(shí)驗(yàn),對(duì)淬火后試樣的軸向硬度分布進(jìn)行了測(cè)量,并觀察不同位置組織組成,實(shí)驗(yàn)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(jìn)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(shí)際生產(chǎn)過程的模擬與優(yōu)化打下了良好的基礎(chǔ)。
用同軸送粉的方式在42CrMo表面激光熔覆Fe-WC合金粉末,通過掃描電鏡、光學(xué)顯鏡、能譜儀觀察分析熔覆層的顯組織特征、WC陶瓷顆粒對(duì)熔覆層組織性能的影響、WC陶瓷顆粒分布特征及WC周圍塊狀共晶物的組成成分;用顯硬度計(jì)、摩擦磨損試驗(yàn)儀、高精度電子天平測(cè)量基體與熔覆層的性能及質(zhì)量損失,分析了引起性能曲線變化的原因。結(jié)果表明,熔覆層底部到頂部的組織變化為平面晶、晶界明顯的胞狀晶、交錯(cuò)生長的柱狀樹枝晶、42cr鋼板排列緊密的胞狀晶、方向均一的柱狀樹枝晶; WC陶瓷顆粒具有細(xì)化枝晶、阻斷枝晶生長,增強(qiáng)熔覆層性能的能力; WC陶瓷顆粒在熔覆層中聚集分布,形成較寬的陶瓷帶; WC陶瓷顆粒周圍的塊狀共晶物是由WC部分分解得到的,其組成元素包括C、W、Fe、P、Cr。熔覆層平均硬度達(dá)到850 HV0.3,是基體平均硬度的3.4倍。摩擦因數(shù)為0.275左右,比基體小0.525。基體的質(zhì)量損失是熔覆層的11倍多。說明Fe-WC合金熔覆層能夠有效基體的硬度及其抗磨損能力。
在42CrMo鋼板的基礎(chǔ)成分上增加Al、Ti元素,通過末端淬火試驗(yàn)和截面硬度試驗(yàn)對(duì)比分析Al對(duì)42CrMo鋼淬透性的影響差異,通過常規(guī)力學(xué)性能檢測(cè)對(duì)比其與42CrMo鋼的力學(xué)性能差異。結(jié)果表明Al、Ti元素添加可進(jìn)一步提高淬透性,并且使鋼的強(qiáng)度達(dá)到1200 MPa級(jí),-40℃下KV2≥27 J,滿足低溫環(huán)境下螺栓用鋼的使用要求。采用化學(xué)相分析方法,對(duì)鋼中析出相進(jìn)行了定性、定量分析,結(jié)果表明Ti在鋼中添加發(fā)揮明顯固氮作用,提高了Al元素的固溶量,利用熱膨脹法對(duì)比測(cè)定試驗(yàn)鋼的等溫轉(zhuǎn)變曲線,證明了增加Al含量,降低了奧氏體臨界轉(zhuǎn)變溫度,使C曲線右移,明顯改善了鋼的淬透性。
通過宏觀及觀分析手段對(duì)42CrMo鋼板閥體內(nèi)孔表面裂紋開裂原因進(jìn)行分析。42crmo鋼板結(jié)果表明:鑄造缺陷、非金屬夾雜物含量較多、調(diào)質(zhì)處理溫度過高、保溫時(shí)間較長,以致形成粗大珠光體和大量的魏氏組織是造成鍛件開裂的主要原因,應(yīng)力過大導(dǎo)致了鍛件的開裂。
為研究42CrMo鋼板的沖擊動(dòng)態(tài)力學(xué)性能及本構(gòu)模型,進(jìn)行了沖擊動(dòng)態(tài)壓縮實(shí)驗(yàn)和金相觀察.材料表現(xiàn)出強(qiáng)烈的應(yīng)變率依賴性,同時(shí)還得到不同應(yīng)變率下力學(xué)性能差異的主要原因在于沖擊動(dòng)態(tài)載荷下的絕熱剪切行為.采用熱理論,分別考慮熱應(yīng)力和非熱應(yīng)力來解釋變形機(jī)理,得到了應(yīng)變率效應(yīng)的描述.基于此,本文提出含高應(yīng)變率效應(yīng)的動(dòng)態(tài)本構(gòu)模型,通過絕熱剪切準(zhǔn)則來確定失穩(wěn)的起始點(diǎn),并與模型進(jìn)行耦合.該模型能很好地描述42Cr Mo鋼的準(zhǔn)靜態(tài)和沖擊動(dòng)態(tài)力學(xué)行為,特別是應(yīng)變硬化效應(yīng)和應(yīng)變率效應(yīng).
42CrMo鋼因具有良好的淬透性、強(qiáng)度以及韌性,被廣泛應(yīng)用于拉矯輥制造中,但是這種材料的耐蝕性、耐磨損性及耐疲勞性還不夠理想,限制了拉矯輥連續(xù)工作能力。為進(jìn)一步提高拉矯輥基材強(qiáng)度和耐磨損性能,利用激光熔凝技術(shù)對(duì)調(diào)質(zhì)后42CrMo鋼進(jìn)行了激光強(qiáng)化工藝研究。采用光學(xué)顯鏡、金相顯鏡、顯硬度計(jì)、摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)等儀器對(duì)42CrMo鋼激光熔凝后的顯組織、42crmo鋼板相結(jié)構(gòu)、強(qiáng)度及摩擦磨損性能進(jìn)行了分析,研究了激光功率、掃描速度對(duì)熔凝層性能的影響規(guī)律。結(jié)果表明:工藝參數(shù)對(duì)熔凝區(qū)力學(xué)性能影響較大,激光功率顯著影響熔凝層的深度,掃描速度影響表面成形質(zhì)量;調(diào)質(zhì)后42CrMo鋼板基體組織主要為回火馬氏體+殘余奧氏體,經(jīng)過激光熔凝后,基體組織發(fā)生轉(zhuǎn)變,馬氏體含量顯著提高。
采用硬度測(cè)試、顯組織觀察、脆性等級(jí)和疏松等級(jí)評(píng)價(jià)等方法研究了滲氮溫度對(duì)42CrMo鋼板零件滲氮后氧化滲層性能的影響。結(jié)果表明:在滲氮后氧化處理過程中,滲層的表面硬度隨著滲氮溫度的升高出現(xiàn)先增后降的趨勢(shì);滲層深度和疏松等級(jí)隨滲氮溫度的升高而增加,但脆性等級(jí)變化不大。當(dāng)滲氮溫度為560℃時(shí),42CrMo鋼零件可獲得表面硬度≥600 HV、滲層（白亮層）深度≥15μm、1級(jí)脆性等級(jí)、2級(jí)疏松等級(jí)的滲層。
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42crmo鋼板具體的研究結(jié)果如下:（1）采用電脈沖處理地實(shí)現(xiàn)了鋼材的晶粒細(xì)化,明確了脈沖電流誘導(dǎo)晶粒細(xì)化的具體機(jī)理。瞬時(shí)的高能量輸入顯著降低了奧氏體相變能障,極大地提高了奧氏體的形核率,短時(shí)間的作用以及隨后快速的水冷處理抑制了奧氏體晶粒的長大。電脈沖處理后,淬火態(tài)42CrMo鋼的晶粒細(xì)化了56.3%,固溶態(tài)T250鋼的晶粒尺寸下降了74.6%。
（2）揭示出電脈沖處理提高鋼材中殘余奧氏體穩(wěn)定性的具體機(jī)制:i)若處理前鋼材中的合金元素是不均勻分布的,則電脈沖處理的瞬時(shí)性也就決定了處理后的元素?zé)o法充分均勻化,奧氏體穩(wěn)定化元素濃度高的區(qū)域?qū)闅堄鄪W氏體的形成提供足夠的化學(xué)驅(qū)動(dòng)力;ii)晶粒的細(xì)化以及電脈沖處理過程中界面處大量晶體缺陷的形成,使馬氏體與奧氏體的界面能得到提高,這將使馬氏體的生長提前停滯,同時(shí)馬氏體轉(zhuǎn)變起始溫度也會(huì)顯著下降;iii)奧氏體向馬氏體轉(zhuǎn)變是一個(gè)體積膨脹的過程,電脈沖處理過程中存在的熱壓應(yīng)力可有效地抑制馬氏體轉(zhuǎn)變。
（3）脈沖電流特定的物理場(chǎng)分布及物理效應(yīng)可明顯改變亞結(jié)構(gòu)及第二相的形態(tài)和分布。受熱壓應(yīng)力的影響,原本在高層錯(cuò)能鋼材中難以形成的堆垛層錯(cuò)在電脈沖處理中得以形成,而堆垛層錯(cuò)的形成又為回火態(tài)42CrMo鋼板中超細(xì)珠光體類組織的形成奠定了基礎(chǔ);合金元素貧瘠區(qū)與富集區(qū)之間的應(yīng)力可促進(jìn)孿晶或殘余奧氏體的形成;電子風(fēng)強(qiáng)烈沖擊界面形成大量的晶體缺陷,可使第二相主動(dòng)地浸潤晶界,而若使界面處的缺陷得到回復(fù),第二相則被動(dòng)浸潤其他界面;多個(gè)物理場(chǎng)的重疊可使亞結(jié)構(gòu)的分布具有方向性,如42CrMo鋼中沿電流方向分布的位錯(cuò)、T250鋼中沿電流方向分布的Ni3（Ti,Al）團(tuán)簇;電遷移效應(yīng)可促進(jìn)位錯(cuò)形成具有小角度取向差的亞晶界。
（4）研究發(fā)現(xiàn)脈沖電流對(duì)優(yōu)滑移系上原子或位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的促進(jìn)42crmo鋼板,可使沿電流方向的特定取向強(qiáng)度增強(qiáng),形成了沿電流方向（ED）的織構(gòu)。如固溶態(tài)T250鋼中{112}//ED織構(gòu)、TS+EPA態(tài)T250鋼中殘余奧氏體{111}//ED及EPS+EPA態(tài)T250鋼中小角度{110}//ED織構(gòu)的形成。
