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,特別是大型鍛件領域,有廣泛的應用。本文采用計算機模擬與實驗相結合的方法,構建了 42CrMo鋼較準確的本構模型和材料性能數(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,模擬結果與實驗結果吻合較好。

   通過熱壓縮實驗,測定了 42CrMo鋼板在不同溫度和應變速率下的應力-應變數(shù)據(jù),構建了改進的Johnson-Cook本構模型和應變補償?shù)腁rrhenius本構模型,得到了較大應變范圍內(nèi)較準確的42CrMo鋼的本構方程。擬合了手冊中標準的42CrMo鋼的TTT曲線,獲得了較準確的TTT曲線數(shù)據(jù)。此外還構建了包含熱導率、比熱容、楊氏模量、泊松比、相變潛熱、膨脹系數(shù)等較完善、準確的42CrMo鋼數(shù)據(jù)庫。以構建的數(shù)據(jù)庫為基礎,通過DEFORM軟件模擬了 42CrMo鋼在變形溫度為1123 K、應變速率為0.01 s-1條件下的熱壓縮過程,將模擬結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力-應變曲線分別與相同實驗條件下實測結果進行對比。結果顯示,載荷-行程曲線和應力-應變曲線在數(shù)值大小和變化趨勢上與實驗結果吻合較好,表明選用的應變補償?shù)腁rrhenius本構模型能夠比較準確地描述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,實驗結果與模擬結果基本一致,這表明文中構建的42CrMo鋼數(shù)值模擬數(shù)據(jù)庫較為準確?？梢栽诖嘶A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。

針對具有不同淬硬層深度42CrMo鋼板軸承的許用接觸應力大小不同的問題,采用線性回歸法建立 變形量與 接觸應力之間的線性方程,計算許用接觸應力。通過試驗分析了套圈淬硬層深度對軸承許用接觸應力的影響。結果表明,當淬硬層深度不大于6 mm時,許用接觸應力隨淬硬層深度的增大而增大。 

  以常用齒輪鋼42CrMo鋼板為研究材料,采用不同空氣流量對其進行離子氮氧共滲,并與傳統(tǒng)離子滲氮進行對比。利用光學顯鏡、XRD和電化學工作站對滲層的顯組織、物相和耐蝕性進行了測試和分析。研究結果表明,在550℃+4h相同溫度和時間條件下,離子氮氧共滲化合物層比傳統(tǒng)離子滲氮滲層厚度增加50%以上,氮化疏松層級別提高到1～2級;同時,離子氮氧共滲后滲層表層形成了一薄層Fe3O4,使耐蝕性得到顯著提高,0.3L/min為 空氣流量。該研究可為改進42CrMo表面改性工藝方案提供參考。 

  本文通過對42CrMo鋼在N32+N15混合機油、快速淬火油和PAG水溶性淬火介質(zhì)中的淬火試驗,對其機械性能、環(huán)保等進行分析對比。試驗結果表明,42CrMo鋼板在12%PAG水溶性淬火介質(zhì)中淬火優(yōu)于在油類冷卻劑中淬火,并且具有環(huán)保效果。 

 為了建立適用于冷塑性加工力學性能研究的材料本構模型,提出了一種基于材料觀變形機制分析的本構模型建立及其驗證方法。以高脆硬性的淬火態(tài)42CrMo鋼板為例,首先根據(jù)材料的化學成分和硬度,運用數(shù)值計算方法獲取冷塑性變形流動應力數(shù)據(jù),然后通過分析流動應力數(shù)據(jù)特點建立了Z-A （Zerilli-Armstron）修正本構方程, 結合硬度壓痕實驗結果和有限元仿真對本構方程有效性進行了驗證。結果表明,修正后的Z-A本構模型擬合效果好,42crmo鋼板相關度較高;硬度壓痕實驗結果與仿真結果整體誤差較小,所建立的本構方程能夠準確描述材料的力學行為,可以用于淬火態(tài)42CrMo鋼冷塑性加工的力學特性研究中。 

對磨煤機減速機齒輪進行失效分析,結果表明:齒輪齒根彎曲疲勞強度不足,輪齒斷裂屬于多次累積損傷產(chǎn)生的疲勞斷裂42crmo鋼板,而且齒輪內(nèi)部不僅存在魏氏體組織,還存在較大的偏析區(qū),因而在材料內(nèi)部產(chǎn)生較大的組織應力,該組織應力與工作應力疊加,容易誘發(fā)裂紋的形成及擴展.分析結果還發(fā)現(xiàn)齒輪表面并沒有經(jīng)過表面熱處理,表面硬度未達到設計要求. 

   利用激光熔覆技術在42CrMo鋼板表面制備了Stellite-6鈷基涂層,然后在不同的溫度下對涂層進行熱處理,探究了熱處理溫度對涂層顯組織、硬度、耐蝕性和摩擦學性能的影響。結果表明:熱處理能有效減小涂層內(nèi)部的殘余應力,裂紋、孔洞等缺陷;在900℃下進行熱處理后,FCC結構的鈷演變?yōu)镠CP結構的鈷,亞穩(wěn)態(tài)M7C3型碳化物演變?yōu)榉€(wěn)態(tài)M23C6型碳化物;經(jīng)過900℃×1 h的熱處理后,涂層的近表面硬度是未熱處理涂層的1.5倍,

  約為1300 HV;未熱處理涂層的摩擦因數(shù)為0.42,磨損機理主要表現(xiàn)為塑性變形、犁溝及脆性剝落;熱處理后,涂層的摩擦因數(shù)降至0.29,磨損機理主要為磨粒磨損和黏著磨損;熱處理后生成的穩(wěn)態(tài)M23C6型碳化物具有強化合金、涂層力學性能的作用;未熱處理涂層與熱處理涂層的自腐蝕電流密度均約為3.3×10-3 A·cm-2,自腐蝕電位均在-0.29 V左右,單個容抗弧特征近乎重合。熱處理過程中發(fā)生的再結晶和晶粒尺寸變化、馬氏體相變對鈷基涂層耐蝕性的影響不大。

 制造水平的不斷,對復雜精密的機械裝備、零件的品質(zhì)要求也越來越高,而塑性加工技術和熱處理技術作為材料成型及改善材料性能的關鍵手段,在制造加工工業(yè)中發(fā)揮著關鍵性作用。42crmo鋼板材料處理過程中,材料的終性能受多方面因素的影響,如塑性加工過程中的加載速度、幾何形狀、摩擦與接觸條件,熱處理過程中的溫度分布、組織分布和應力分布等,如果僅通過試驗來摸索設計工藝參數(shù),費時費力,無法滿足實際生產(chǎn)需求。現(xiàn)階段,可以通過計算機進行塑性加工和熱處理過程的數(shù)值模擬,輔助工藝設計和工藝優(yōu)化,縮短研發(fā)周期,提高產(chǎn)品質(zhì)量,降低成本。因此,研究如何提高數(shù)值模擬的準確性具有十分重要的意義。