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(kù),并開(kāi)展了材料變形和熱處理淬火過(guò)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(guò)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(kù)。以構(gòu)建的數(shù)據(jù)庫(kù)為基礎(chǔ),通過(guò)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(guò)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(guò)DEFORM軟件模擬了 42CrMo鋼板在1123 K時(shí)的末端淬火過(guò)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(kù)較為準(zhǔn)確。可以在此基礎(chǔ)上進(jìn)行不同幾何形狀、不同變形條件、不同熱處理過(guò)程的數(shù)值模擬,為實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程的模擬與優(yōu)化打下了良好的基礎(chǔ)。

利用三維原子探針（3DAP）分析元素分布。結(jié)果表明Al-Ti、Al-B的添加均使42CrMo鋼板淬透性提高,Al-B配合添加的42CrMo鋼淬透性 ,直接淬火后截面心部馬氏體組織大于90%;并且使鋼的抗拉強(qiáng)度Rm≥1200MPa,-40℃下沖擊吸收功KV2≥27J,力學(xué)性能滿足低溫環(huán)境下12.9級(jí)螺栓用鋼的使用要求。

   通過(guò)化學(xué)相分析實(shí)驗(yàn)和CCT曲線測(cè)定,表明Al-Ti配合添加,Ti發(fā)揮固氮作用形成TiN,使Al固溶于鐵素體中,抑制貝氏體產(chǎn)生;Al-B配合添加,當(dāng)Al的添加含量較高,使得相同溫度下AlN優(yōu)先BN析出,這一部分Al發(fā)揮固氮作用,另外一部分Al與B共同固溶于鋼中,抑制珠光體和鐵素體的轉(zhuǎn)變,增加實(shí)驗(yàn)鋼在較低的冷速下獲得馬氏體的能力,提高鋼的淬透性。通過(guò)3DAP實(shí)驗(yàn)分析鋼中各元素的分布情況,其中Al元素在鋼中彌散分布,抑制C的擴(kuò)散,從而抑制貝氏體的形成,提高鋼的淬透性。

  采用電弧離子鍍技術(shù)在刀具42CrMo鋼板表面沉積制備TiAlSiN涂層,實(shí)驗(yàn)測(cè)試分析勵(lì)磁電壓對(duì)其的組織結(jié)構(gòu)及其摩擦性能的影響。研究結(jié)果表明不同電壓制備的TiAlSiN涂層表面形成了大量孔洞。隨著電壓升高后,涂層的粗糙度和厚度明顯增加。所有層都形成了緊密結(jié)合狀態(tài),未產(chǎn)生明顯縫隙結(jié)構(gòu),涂層都形成了具有柱狀結(jié)構(gòu)。當(dāng)電壓上升后,產(chǎn)生了更多的空隙,導(dǎo)致涂層致密度發(fā)生減小。逐漸提高電壓后,獲得了具備更高顯硬度的涂層,達(dá)到了比合金鋼基體更高的硬度。隨著電壓升高,涂層的摩擦系數(shù)和磨損率先降低再升高,到達(dá)30 V電壓時(shí)達(dá)到了小的磨損率。涂層主要發(fā)生了42crmo鋼板磨粒磨損的情況。30 V電壓時(shí)形成了更加平整的涂層表面,涂層的組織結(jié)構(gòu)也變得更加致密,顯著提高了耐磨性。 

本試驗(yàn)在一定切削條件下對(duì)42CrMo鋼板進(jìn)行干切削,研究刀具累計(jì)加工1 035 s過(guò)程中前后刀面的磨損形貌。試驗(yàn)結(jié)果表明:累計(jì)加工時(shí)間T從0增加到1 035 s的過(guò)程中,刀具前刀面參與切削的區(qū)域亮度增加,磨損區(qū)域增大;當(dāng)加工時(shí)間T為1 035 s時(shí),刀具前刀面磨損明顯,出現(xiàn)顏色較深面磨損區(qū)域、亮度較高的部分刀具涂層材料磨損區(qū)域、磨粒磨損明顯的磨損區(qū)域。加工時(shí)間T從0增加到435 s的過(guò)程中,刀具后刀面出現(xiàn)明顯的磨損帶,涂層材料磨損帶逐漸增大。加工時(shí)間T從435 s增加到1 035 s的過(guò)程中,磨損帶緩慢增大,出現(xiàn)基體磨損現(xiàn)象,隨著磨損時(shí)間延長(zhǎng),基體磨損逐漸增大。當(dāng)加工時(shí)間T從48 s增加到1 035 s,已加工表面粗糙度Ra由3.46μm逐漸增大到3.91μm。 

   針對(duì)模鑄鍛材42crmo鋼板表面出現(xiàn)裂紋缺陷,通過(guò)對(duì)鍛材表面裂紋進(jìn)行試驗(yàn)分析,結(jié)果表明,裂紋表面有平面等軸晶粒的多邊形輪廓形態(tài),具有鍛造開(kāi)裂后又發(fā)生高溫再結(jié)晶的形貌特征,進(jìn)而推斷出鍛材上的裂紋形成于高溫鍛造變形過(guò)程中。 

  在42CrMo鋼常規(guī)處理的基礎(chǔ)上增加了冷處理,研究淺冷處理和深冷處理對(duì)42CrMo鋼硬度和耐磨性的影響。結(jié)果表明,經(jīng)淺冷處理和深冷處理后,42CrMo鋼板中殘留奧氏體向馬氏體發(fā)生轉(zhuǎn)變,且碳化物析出增多,致使鋼的硬度和耐磨性均有,且深冷處理后硬度和耐磨性幅度高于淺冷處理。 

  為研究42Cr Mo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(lài)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,42crmog分別考慮熱應(yīng)力和非熱應(yīng)力來(lái)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(guò)絕熱剪切準(zhǔn)則來(lái)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).