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數(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制為磨粒磨損,并伴隨著粘著磨損和氧化磨損。 

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。本文采用計算機模擬與實驗相結(jié)合的方法,構(gòu)建了 42CrMo鋼較準確的本構(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算機模擬和實驗,模擬結(jié)果與實驗結(jié)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(yīng)變速率下的應(yīng)力-應(yīng)變數(shù)據(jù),構(gòu)建了改進的Johnson-Cook本構(gòu)模型和應(yīng)變補償?shù)腁rrhenius本構(gòu)模型,得到了較大應(yīng)變范圍內(nèi)較準確的42CrMo鋼的本構(gòu)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(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-行程曲線以及計算得出的應(yīng)力-應(yīng)變曲線分別與相同實驗條件下實測結(jié)果進行對比。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驗結(jié)果吻合較好,表明選用的應(yīng)變補償?shù)腁rrhenius本構(gòu)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(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(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)庫較為準確?？梢栽诖嘶A(chǔ)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(chǔ)。

本試驗在一定切削條件下對42CrMo鋼板進行干切削,研究刀具累計加工1 035 s過程中前后刀面的磨損形貌。試驗結(jié)果表明:累計加工時間T從0增加到1 035 s的過程中,刀具前刀面參與切削的區(qū)域亮度增加,磨損區(qū)域增大;當加工時間T為1 035 s時,刀具前刀面磨損明顯,出現(xiàn)顏色較深面磨損區(qū)域、亮度較高的部分刀具涂層材料磨損區(qū)域、磨粒磨損明顯的磨損區(qū)域。加工時間T從0增加到435 s的過程中,刀具后刀面出現(xiàn)明顯的磨損帶,涂層材料磨損帶逐漸增大。加工時間T從435 s增加到1 035 s的過程中,磨損帶緩慢增大,出現(xiàn)基體磨損現(xiàn)象,隨著磨損時間延長,基體磨損逐漸增大。當加工時間T從48 s增加到1 035 s,已加工表面粗糙度Ra由3.46μm逐漸增大到3.91μm。

  在42CrMo鋼板常規(guī)處理的基礎(chǔ)上增加了冷處理,研究淺冷處理和深冷處理對42CrMo鋼硬度和耐磨性的影響。結(jié)果表明,經(jīng)淺冷處理和深冷處理后,42CrMo鋼中殘留奧氏體向馬氏體發(fā)生轉(zhuǎn)變,且碳化物析出增多,致使鋼的硬度和耐磨性均有,且深冷處理后硬度和耐磨性幅度高于淺冷處理。 

  利用JMat-Pro軟件模擬了42CrMo鋼的連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變曲線,并采用DIL805L相變42crmo鋼板淬火膨脹儀實測了鋼的各相變點,對不同冷卻速度下的組織轉(zhuǎn)變和貝氏體含量進行了分析,并繪制其CCT曲線。結(jié)果表明:42CrMo鋼Ac1=743℃,Ac3=792℃。冷速小于0.5℃/s時,組織為先共析鐵素體與珠光體混合組織;冷速0.5～10℃/s之間,存在一定量的貝氏體,隨冷速加快,貝氏體量先增后降,馬氏體含量逐漸增多,使得硬度呈現(xiàn)較大增幅。冷速大于10℃/s,組織為基體馬氏體+少量貝氏體的混合組織。