42CrMo鋼板齒圈毛坯的淬火通常采用油淬或聚合物水溶液淬火來避免淬火的開裂,但油淬或聚合物水溶液淬火導致嚴重的環(huán)境污染。改用水淬不僅可滿足綠色環(huán)保的要求而且可降低成本,但極易產(chǎn)生開裂。針對上述問題,本研究基于溫度場、組織場和應(yīng)力場的有限元模擬,獲得優(yōu)化的水-空交替控時淬火冷卻（ATQ）工藝,成功應(yīng)用于大直徑（ф1970 mm）的42CrMo鋼齒圈毛坯的淬火冷卻。結(jié)果表明:采用ATQ工藝處理42CrMo鋼齒圈毛坯,不僅回火后的力學性能高于性能指標要求,而且有效避免了淬火開裂。
對42CrMo鋼板軋制工藝參數(shù)進行了的優(yōu)化,研究了不同加熱、軋制溫度的42CrMo鋼棒材組織及布氏硬度變化規(guī)律。結(jié)果表明,通過控制加熱、均熱段溫度和終軋溫度可有效控制熱軋態(tài)42CrMo鋼棒材組織及布氏硬度;42CrMo鋼棒材開裂原因主要是軋制后產(chǎn)生大量的貝氏體組織,且沿棒材橫斷面分布不均勻,由邊部到心部的貝氏體含量減小,布氏硬度則由大變小。熱軋鋼布氏硬度≤260HBW時可避免在棒材剪切下料過程開裂、掉塊現(xiàn)象。
利用高壓水射流噴丸技術(shù)（WSP）和真空脈沖等離子氮化技術(shù),研究了水射流噴丸預(yù)處理對42CrMo鋼等離子氮化后的滾動接觸疲勞性能的影響。采用OM、SEM、TEM、XRD應(yīng)力測定儀、表面粗糙度儀、顯硬度儀對等離子氮化和復合處理后試樣的滲層顯組織、結(jié)構(gòu)以及表面完整性進行了表征,并對疲勞斷口形貌進行了分析。42crmo鋼板結(jié)果表明:經(jīng)過WSP預(yù)處理后,42CrMo鋼獲得了更好的氮化效果,疲勞性能得到大幅。原因是經(jīng)WSP預(yù)處理后,試樣表面細小彌散的氮化物和表層晶粒的細化有利于抑制表面裂紋的萌生與擴展,改變了疲勞裂紋的萌生機制,次表層硬度的提高以及更深的殘余壓應(yīng)力影響層推遲了次表層裂紋的萌生,更高的次表層殘余壓應(yīng)力抑制了次表層二次裂紋的萌生以及主裂紋的擴展,延長了42CrMo鋼滲氮后的接觸疲勞壽命,使得失效機理更接近于赫茲理論。
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(yīng)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(nèi),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(shè)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(jié)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(jié)果進行對比,平均誤差為6.5%。模擬結(jié)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(jīng)過預(yù)備熱處理（退火、淬火、調(diào)質(zhì)）+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(jié)果表明,預(yù)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(yù)備熱處理為淬火處理和調(diào)質(zhì)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(yù)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(diào)質(zhì)處理后的沖擊性能;預(yù)備熱處理為調(diào)質(zhì)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(diào)質(zhì)處理更適合作為42CrMo鋼的預(yù)備處理。
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為研究42CrMo鋼板的沖擊動態(tài)力學性能及本構(gòu)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(yīng)變率依賴性,同時還得到不同應(yīng)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(yīng)力和非熱應(yīng)力來解釋變形機理,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(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(jié)構(gòu)、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(jié)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(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。