連接柴油機(jī)凸輪軸與正時(shí)齒輪的42CrMo鋼板螺栓在試機(jī)過程中斷裂。對(duì)斷裂螺栓進(jìn)行了宏觀檢驗(yàn)、化學(xué)成分分析、硬度測(cè)定、金相檢驗(yàn)和能譜分析。結(jié)果表明:螺栓的化學(xué)成分、顯組織和硬度均正常,但氧化物夾雜的含量較高,且 直徑達(dá)350μm,大大降低了螺栓的有效承載面積,導(dǎo)致其斷裂。
為調(diào)控離子滲氮滲層特性,獲得少脆性化合物層、厚韌性擴(kuò)散層的滲氮層,提高離子滲氮滲層抗沖擊性和重載下的耐磨性,對(duì)42CrMo鋼板進(jìn)行了添加量鈦的創(chuàng)新離子滲氮處理。利用光學(xué)顯鏡、SEM、XRD和顯硬度計(jì)對(duì)滲層的截面顯組織、表面形貌和成分、物相和截面硬度進(jìn)行了測(cè)試和分析。結(jié)果表明:添加量鈦離子滲氮可顯著改善滲層特性,獲得少化合物層的高硬高韌滲氮層,同時(shí)顯著提高離子滲氮效率。
在540℃×4h工藝條件下,添加量鈦可使離子滲氮有效硬化層厚度顯著增加,由常規(guī)離子滲氮的225μm增加到380μm,即滲氮效率提高近70%;有效硬化層厚度提高的情況下,化合物層厚度反而減薄,由常規(guī)離子滲氮的19μm降低到10μm,即化合物層厚度降低了約50%;滲層中化合物層與有效硬化層之比值由常規(guī)離子滲氮的8.5%降低到2.6%。同時(shí)添加量鈦離子滲氮滲層中形成了高硬度強(qiáng)化相Ti N,使?jié)B層表面硬度由703HV0.05提高至895HV0.05。42crmo鋼板添加量鈦離子滲氮獲得了薄化合物層、高硬高韌、厚有效硬化層的優(yōu)良滲氮層特性,該滲層特性對(duì)改善離子滲氮零部件抗沖擊性和重載下的耐磨性具有重要研究和應(yīng)用價(jià)值。
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42crmo鋼板電脈沖處理有促進(jìn)鋼材中復(fù)相組織形成的趨勢(shì)。對(duì)于傳統(tǒng)調(diào)質(zhì)態(tài)的42CrMo鋼,其組織僅包含索氏體,而受板條/孿晶馬氏體短時(shí)間處理回火抗性的差異以及殘余奧氏體穩(wěn)定性提高的影響,電脈沖處理后的42CrMo鋼板中包含回火馬氏體、索氏體及殘余奧氏體這三種組織
;對(duì)于傳統(tǒng)時(shí)效態(tài)T250鋼,其內(nèi)部只存在η-Ni3（Ti,Mo）相,而受電流對(duì)非均勻形核的影響,電脈沖處理后的T250鋼中包含Ni3（Ti,Al）團(tuán)簇、Ni2.67Ti1.33相以及大尺度NiTi金屬間化合物這三種析出物。（6）通過電脈沖處理,成功地在短時(shí)間內(nèi),同時(shí)且大幅了42CrMo鋼板與T250鋼的強(qiáng)度與塑性,定量分析了高能脈沖電流作用下不同類型鋼材的強(qiáng)韌化機(jī)制,結(jié)果表明:i)采用脈沖電流進(jìn)行淬火或固溶處理可提高晶界強(qiáng)化以及位錯(cuò)強(qiáng)化的強(qiáng)度貢獻(xiàn),而若進(jìn)行回火或時(shí)效處理則可更顯著地提高析出強(qiáng)化對(duì)強(qiáng)度的貢獻(xiàn);ii)電脈沖處理能增大必要幾何位錯(cuò)的滑移距離,提高有利晶體取向的含量以及高施密特因子的比例,使鋼材具有更大的塑性變形量;iii)利用電脈沖處理形成的復(fù)相組織在性能上的耦合及變形上的協(xié)調(diào),鋼材的強(qiáng)韌性也能得到有效改善。綜上所述,經(jīng)電脈沖處理后具有 性能的42CrMo鋼板與T250鋼的綜合力學(xué)性能分別比傳統(tǒng)處理態(tài)的鋼材提高了22.82%和117.26%,增強(qiáng)、增韌效果十分明顯。
同時(shí),也揭示出電脈沖處理過程中42crmo鋼板異于常態(tài)處理的組織、亞結(jié)構(gòu)變化及力學(xué)行為,為豐富極端非平衡相變理論、更地開發(fā)具有更高力學(xué)性能的先進(jìn)高強(qiáng)鋼提供了充足的實(shí)驗(yàn)依據(jù)和技術(shù)參考。
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(zhǎng)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(zhǎng)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(rùn)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(rùn)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。
用同軸送粉的方式在42CrMo鋼板表面激光熔覆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(zhǎng)的柱狀樹枝晶、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(zhǎng),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鋼板基礎(chǔ)成分中配合添加Al-Ti和Al-B元素,通過末端淬火實(shí)驗(yàn)和截面硬度實(shí)驗(yàn)對(duì)比分析3種42CrMo鋼淬透性的差異,并通過OM、SEM等手段觀察晶粒形貌以及不同部位淬火后顯組織,利用三維原子探針（3DAP）分析元素分布,通過常規(guī)力學(xué)性能實(shí)驗(yàn)檢測(cè)其常溫拉伸和低溫沖擊性能。結(jié)果表明,AlTi、Al-B的添加均使42CrMo鋼淬透性提高,Al-B鋼增加淬透性作用更大,淬火后距淬火端25 mm處的硬度增加6 HRC,直徑42、48和56 mm截面的心部硬度分別增加7、10和14 HRC,并且使鋼的抗拉強(qiáng)度Rm≥1200 MPa,-40℃下沖擊吸收功KV2≥27 J,力學(xué)性能滿足低溫環(huán)境下螺栓用鋼的使用要求。42crmo鋼板通過化學(xué)相分析實(shí)驗(yàn)和TTT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,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,
