為研究42CrMo鋼板的沖擊動態(tài)力學(xué)性能及本構(gòu)模型,進(jìn)行了沖擊動態(tài)壓縮實驗和金相觀察.材料表現(xiàn)出強烈的應(yīng)變率依賴性,同時還得到不同應(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,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度和耐磨損性能,利用激光熔凝技術(shù)對調(diào)質(zhì)后42CrMo鋼進(jìn)行了激光強化工藝研究。采用光學(xué)顯鏡、金相顯鏡、顯硬度計、摩擦磨損試驗機(jī)等儀器對42CrMo鋼激光熔凝后的顯組織、42crmo鋼板相結(jié)構(gòu)、強度及摩擦磨損性能進(jìn)行了分析,研究了激光功率、掃描速度對熔凝層性能的影響規(guī)律。結(jié)果表明:工藝參數(shù)對熔凝區(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。
采用硬度測試、顯組織觀察、脆性等級和疏松等級評價等方法研究了滲氮溫度對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;滲層深度和疏松等級隨滲氮溫度的升高而增加,但脆性等級變化不大。當(dāng)滲氮溫度為560℃時,42CrMo鋼零件可獲得表面硬度≥600 HV、滲層（白亮層）深度≥15μm、1級脆性等級、2級疏松等級的滲層。
連接柴油機(jī)凸輪軸與正時齒輪的42CrMo鋼板螺栓在試機(jī)過程中斷裂。對斷裂螺栓進(jìn)行了宏觀檢驗、化學(xué)成分分析、硬度測定、金相檢驗和能譜分析。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和顯硬度計對滲層的截面顯組織、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%。同時添加量鈦離子滲氮滲層中形成了高硬度強化相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)用價值。
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(jìn)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(yán)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(jìn)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(dá)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?jǐn)?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(jī)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(jìn)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(jī)制為磨粒磨損,并伴隨著粘著磨損和氧化磨損。
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