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,并開展了材料變形和熱處理淬火過程的計(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。
通過熱壓縮實(shí)驗(yàn),測定了 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。以構(gòu)建的數(shù)據(jù)庫為基礎(chǔ),通過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DEFORM軟件模擬了 42CrMo鋼板在1123 K時(shí)的末端淬火過程,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、不同熱處理過程的數(shù)值模擬,為實(shí)際生產(chǎn)過程的模擬與優(yōu)化打下了良好的基礎(chǔ)。
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)浸潤其他界面;多個(gè)物理場的重疊可使亞結(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。
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(jì)等對(duì)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(duì)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(gè)保溫階段,達(dá)到88.6℃;第二階段保溫結(jié)束時(shí),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(jì)和磨損試驗(yàn)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(duì)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(duì)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。
目的確定42CrMo鋼板感應(yīng)淬火過程的奧氏體相變動(dòng)力學(xué)參數(shù),并驗(yàn)證其可靠性。方法根據(jù)不同加熱速率下42CrMo鋼奧氏體膨脹曲線,基于經(jīng)典JMAK（Johnson-Mehl-Avrami-Kolmogorov）模型和Kissinger方法,確定了42CrMo鋼奧氏體化相變動(dòng)力學(xué)的參數(shù)。建立ABAQUS局部移動(dòng)式感應(yīng)淬火模型,選取淬火區(qū)域加熱過程中點(diǎn)的溫度變化曲線作為驗(yàn)證奧氏體化模型的對(duì)象?！?
基于Scheil法則和JMAK相變動(dòng)力學(xué)模型,采用文中求解得到的奧氏體化參數(shù),采用Matlab對(duì)42CrMo連續(xù)轉(zhuǎn)變過程離散為每個(gè)時(shí)間間隔的等溫相變并求解,并對(duì)照相關(guān)學(xué)者采用的擴(kuò)展解析動(dòng)力學(xué)模型和JAMK模型,加以驗(yàn)證。結(jié)果根據(jù)上述方法,得到的42CrMo奧氏體相變動(dòng)力學(xué)參數(shù)為:能Q為2.04×106 J/mol,指前因子lnk0的值取230.78,Avrami指數(shù)n取0.427。42crmo鋼板將淬火加熱過程離散為數(shù)量很大的均勻時(shí)間間隔,并以求解的動(dòng)力學(xué)模型在每個(gè)間隔內(nèi)進(jìn)行對(duì)應(yīng)溫度條件下奧氏體體積分?jǐn)?shù)的求解并順次疊加,以模擬得到的奧氏體轉(zhuǎn)變時(shí)間和轉(zhuǎn)變溫度等作為依據(jù),該模型有良好的表現(xiàn)性。結(jié)論對(duì)42CrMo非等溫且加熱速度不恒定的連續(xù)奧氏體轉(zhuǎn)變過程,JAMK模型擬合表現(xiàn)良好,采用文中求解的參數(shù)組對(duì)表面感應(yīng)淬火的奧氏體轉(zhuǎn)變歷程進(jìn)行仿真預(yù)測是可行的。
42CrMo鋼蝸輪蝸桿在裝配時(shí)發(fā)現(xiàn)蝸桿表面開裂,通過宏觀分析、化學(xué)成分分析、淬火表面殘余應(yīng)力測試、觀分析、金相檢驗(yàn)、能譜分析、硬度測試等方法對(duì)蝸桿開裂的原因進(jìn)行了分析。結(jié)果表明:該42CrMo鋼板蝸桿表面裂紋為淬火應(yīng)力裂紋,蝸桿材料中的錳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)偏高以及淬火過程中熱應(yīng)力與組織應(yīng)力疊加導(dǎo)致蝸桿沿軸線方向開裂。
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