為研究42CrMo鋼板的沖擊動態(tài)力學性能及本構模型,進行了沖擊動態(tài)壓縮實驗和金相觀察.材料表現(xiàn)出強烈的應變率依賴性,同時還得到不同應變率下力學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,分別考慮熱應力和非熱應力來解釋變形機理,得到了應變率效應的描述.基于此,本文提出含高應變率效應的動態(tài)本構模型,通過絕熱剪切準則來確定失穩(wěn)的起始點,并與模型進行耦合.該模型能很好地描述42Cr Mo鋼的準靜態(tài)和沖擊動態(tài)力學行為,特別是應變硬化效應和應變率效應. 

  42CrMo鋼因具有良好的淬透性、強度以及韌性,被廣泛應用于拉矯輥制造中,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,利用激光熔凝技術對調質后42CrMo鋼進行了激光強化工藝研究。采用光學顯鏡、金相顯鏡、顯硬度計、摩擦磨損試驗機等儀器對42CrMo鋼激光熔凝后的顯組織、42crmo鋼板相結構、強度及摩擦磨損性能進行了分析,研究了激光功率、掃描速度對熔凝層性能的影響規(guī)律。結果表明:工藝參數(shù)對熔凝區(qū)力學性能影響較大,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量;調質后42CrMo鋼板基體組織主要為回火馬氏體+殘余奧氏體,經過激光熔凝后,基體組織發(fā)生轉變,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。 

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。可以在此基礎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,為實際生產過程的模擬與優(yōu)化打下了良好的基礎。

對于大傾覆力矩、重載疲勞和高沖擊高磨損的軸承材料,通常采用感應淬火進行表面強化,但存在軟帶和變形大等問題。而使用激光淬火硬化層深度在1 mm以內,42crmo鋼板且橫截面硬化層為"月牙形",試樣表面各點硬化層分布不均,較淺處易提前發(fā)生損壞。

   為解決以上問題,利用COMSOL軟件模擬激光深層淬火過程溫度場時空分布,與常規(guī)激光淬火不同,激光深層淬火采用了寬光斑、低速掃描,且輔助用于提高吸光率的涂料,在軟件中設定不同激光功率、掃描速度和光斑尺寸,分析得到不同工藝參數(shù)下的溫度場分布、硬化層形貌和特征尺寸,并在模擬指導下進行實驗得到深層硬化層,并探究光斑尺寸對硬化層深度、寬度、均勻性的影響。模擬結果表明,選擇適當?shù)募す夤β拭芏群蛼呙杷俣冗M行激光淬火溫度場的模擬,可以得到3.6 mm深的硬化層。以此進行光纖耦合半導體激光器淬火實驗,實驗所得有效硬化層深度為3.7 mm,硬化層平均硬度為774 HV0.3。42crmo鋼板將實驗所得硬化層形貌和模擬結果進行對比,平均誤差為6.5%。模擬結果還表明,在激光功率、光斑面積和掃描速度不變時,改變光斑的寬度,硬化層的寬度與光斑的寬度成正比例,硬化層的深度隨光斑寬度增加先增加后減小。隨著光斑寬度增加,硬化層分布更加均勻。

  利用金相顯鏡、洛氏硬度計和掃描電鏡,對經過預備熱處理（退火、淬火、調質）+亞溫淬火+高溫回火處理（又稱臨界區(qū)淬火+回火）后的42CrMo鋼的組織、沖擊性能以及斷口形貌進行了觀察和分析。結果表明,預備熱處理為退火處理時,亞溫處理后殘留的鐵素體粗大不均;且在回火索氏體之間分布不均勻;預備熱處理為淬火處理和調質處理時,殘留的鐵素體形態(tài)細小,且與回火索氏體均勻分布。采用不同預備熱處理時,亞溫處理后的硬度差別很小。亞溫處理后42CrMo鋼的沖擊性能均高于常規(guī)調質處理后的沖擊性能;預備熱處理為調質處理時,亞溫處理后的沖擊功 ,從其斷口形貌中可以看出,其起裂區(qū)和裂紋纖維擴展區(qū)所占比例較退火處理和淬火處理時要大。因此,調質處理更適合作為42CrMo鋼的預備處理。