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(kù),并開(kāi)展了材料變形和熱處理淬火過(guò)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(guò)熱壓縮實(shí)驗(yàn),測(cè)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(xiàn),獲得了較準(zhǔn)確的TTT曲線(xiàn)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(kù)。以構(gòu)建的數(shù)據(jù)庫(kù)為基礎(chǔ),通過(guò)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(guò)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(xiàn)以及計(jì)算得出的應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn)分別與相同實(shí)驗(yàn)條件下實(shí)測(cè)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。結(jié)果顯示,載荷-行程曲線(xiàn)和應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn)在數(shù)值大小和變化趨勢(shì)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(guò)DEFORM軟件模擬了 42CrMo鋼板在1123 K時(shí)的末端淬火過(guò)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(cè)量,并觀(guān)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(kù)較為準(zhǔn)確?？梢栽诖嘶A(chǔ)上進(jìn)行不同幾何形狀、不同變形條件、不同熱處理過(guò)程的數(shù)值模擬,為實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程的模擬與優(yōu)化打下了良好的基礎(chǔ)。
為研究42CrMo鋼板的沖擊動(dòng)態(tài)力學(xué)性能及本構(gòu)模型,進(jìn)行了沖擊動(dòng)態(tài)壓縮實(shí)驗(yàn)和金相觀(guān)察.材料表現(xiàn)出強(qiáng)烈的應(yīng)變率依賴(lài)性,同時(shí)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(dòng)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(lái)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(dòng)態(tài)本構(gòu)模型,通過(guò)絕熱剪切準(zhǔn)則來(lái)確定失穩(wěn)的起始點(diǎn),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(dòng)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(qiáng)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(qiáng)度和耐磨損性能,利用激光熔凝技術(shù)對(duì)調(diào)質(zhì)后42CrMo鋼進(jìn)行了激光強(qiáng)化工藝研究。采用光學(xué)顯鏡、金相顯鏡、顯硬度計(jì)、摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)等儀器對(duì)42CrMo鋼激光熔凝后的顯組織、42crmo鋼板相結(jié)構(gòu)、強(qiáng)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(duì)熔凝層性能的影響規(guī)律。結(jié)果表明:工藝參數(shù)對(duì)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(guò)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(cè)試、顯組織觀(guān)察、脆性等級(jí)和疏松等級(jí)評(píng)價(jià)等方法研究了滲氮溫度對(duì)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(guò)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(shì);滲層深度和疏松等級(jí)隨滲氮溫度的升高而增加,但脆性等級(jí)變化不大。當(dāng)滲氮溫度為560℃時(shí),42CrMo鋼零件可獲得表面硬度≥600 HV、滲層（白亮層）深度≥15μm、1級(jí)脆性等級(jí)、2級(jí)疏松等級(jí)的滲層。
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目的確定42CrMo鋼板感應(yīng)淬火過(guò)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(xiàn),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(guò)程中點(diǎn)的溫度變化曲線(xiàn)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(guò)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(guò)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(guò)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(cè)是可行的。
42CrMo鋼蝸輪蝸桿在裝配時(shí)發(fā)現(xiàn)蝸桿表面開(kāi)裂,通過(guò)宏觀(guān)分析、化學(xué)成分分析、淬火表面殘余應(yīng)力測(cè)試、觀(guān)分析、金相檢驗(yàn)、能譜分析、硬度測(cè)試等方法對(duì)蝸桿開(kāi)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(guò)程中熱應(yīng)力與組織應(yīng)力疊加導(dǎo)致蝸桿沿軸線(xiàn)方向開(kāi)裂。
42CrMo屬于中碳低合金結(jié)構(gòu)鋼,經(jīng)調(diào)質(zhì)處理后具有較高的疲勞極限、良好的低溫沖擊韌性,多用于制造斷面尺寸較大的重要零件,如汽車(chē)部件、高鐵支座、連桿、齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)件等部件,高鐵轉(zhuǎn)動(dòng)件受使用環(huán)境的影響,對(duì)材料的低溫沖擊性能提出高的要求。資料顯示,鋼錠中元素偏析在鍛造過(guò)程中拉長(zhǎng),沿軋制方向形成纖維組織。在隨后淬火冷卻過(guò)
利用掃描電鏡、電子背散射衍射技術(shù)等手段研究了42CrMo鋼板折彎模具的激光表面淬火特性。研究結(jié)果表明,激光掃描速度、功率、工件厚度等對(duì)淬硬層深度及硬度有顯著影響。在激光功率2200 W、掃描速度1800 mm/min、光斑2 mm、輔助水冷、一道次掃描條件下,折彎模具刀刃硬度和淬硬層厚度分別達(dá)到734 HV0.2和1.05 mm,且刀刃兩側(cè)的硬度分布均勻。42crmo鋼板激光淬硬層組織為細(xì)小的馬氏體,尤其靠近基體處。
經(jīng)過(guò)調(diào)質(zhì)處理的42CrMo鋼花鍵軸在使用過(guò)程中斷裂。對(duì)斷裂的花鍵軸進(jìn)行了宏觀(guān)斷口分析、化學(xué)成分檢測(cè)、硬度試驗(yàn)和金相檢驗(yàn)。結(jié)果表明:花鍵軸的化學(xué)成分符合要求,近表面與內(nèi)側(cè)的硬度差較大,特別是存在嚴(yán)重的帶狀偏析和鐵素體、貝氏體等異常組織。據(jù)此斷定,花鍵軸在使用中斷裂主要是偏析及不良組織引起的。根據(jù)花鍵軸斷裂的原因,提出了改進(jìn)建議。
利用金相顯觀(guān)察及力學(xué)性能分析,研究調(diào)質(zhì)處理、正火+調(diào)質(zhì)熱處理對(duì)42CrMo曲軸鋼組織與性能的影響。42crmo熱軋鋼板結(jié)果表明,經(jīng)過(guò)860℃淬火+580℃回火處理后,曲軸鋼基體組織為回火索氏體,但軸頸心部區(qū)域白色鐵素體數(shù)量較多且晶粒粗大、分布不均。其力學(xué)性能為抗拉強(qiáng)度997～1 211 MPa,屈服強(qiáng)度990～1 204 MPa,伸長(zhǎng)率11%～13%,斷面收縮率40%～48%,沖擊功72～90 J。而在調(diào)質(zhì)熱處理前增加一次（880℃空冷）正火預(yù)處理后,42CrMo曲軸鋼的顯組織更趨均勻化,其力學(xué)性能為抗拉強(qiáng)度1 100～1 220 MPa,屈服強(qiáng)度1 107～1 188 MPa,伸長(zhǎng)率13%～15%,斷面收縮率50%～56%,沖擊功83-91 J。因此,880℃空冷正火預(yù)處理+860℃淬火與580℃高溫回火是42CrMo曲軸鋼優(yōu)化的熱處理工藝。
