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眾鑫42crmo冷軋耐磨錳鋼板圓鋼金屬材料(麗水市分公司)擁有中、高級 45#特厚板材工程技術(shù)人員180余人，擔(dān)負(fù)著全部產(chǎn)品的研發(fā)設(shè)計(jì)與生產(chǎn)指導(dǎo)。擁有完善的質(zhì)量保證體系、嚴(yán)格的管理制度、強(qiáng)大的生產(chǎn)能力和先進(jìn)的檢測手段，在保證 45#特厚板材產(chǎn)品高質(zhì)量、高產(chǎn)出的同時(shí)也具備了較高的市場占有率和較強(qiáng)的市場競爭力。
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?？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)。
對磨煤機(jī)減速機(jī)齒輪進(jìn)行失效分析,結(jié)果表明:齒輪齒根彎曲疲勞強(qiáng)度不足,輪齒斷裂屬于多次累積損傷產(chǎn)生的疲勞斷裂42crmo鋼板,而且齒輪內(nèi)部不僅存在魏氏體組織,還存在較大的偏析區(qū),因而在材料內(nèi)部產(chǎn)生較大的組織應(yīng)力,該組織應(yīng)力與工作應(yīng)力疊加,容易誘發(fā)裂紋的形成及擴(kuò)展.分析結(jié)果還發(fā)現(xiàn)齒輪表面并沒有經(jīng)過表面熱處理,表面硬度未達(dá)到設(shè)計(jì)要求.
利用激光熔覆技術(shù)在42CrMo鋼板表面制備了Stellite-6鈷基涂層,然后在不同的溫度下對涂層進(jìn)行熱處理,探究了熱處理溫度對涂層顯組織、硬度、耐蝕性和摩擦學(xué)性能的影響。結(jié)果表明:熱處理能有效減小涂層內(nèi)部的殘余應(yīng)力,裂紋、孔洞等缺陷;在900℃下進(jìn)行熱處理后,FCC結(jié)構(gòu)的鈷演變?yōu)镠CP結(jié)構(gòu)的鈷,亞穩(wěn)態(tài)M7C3型碳化物演變?yōu)榉€(wěn)態(tài)M23C6型碳化物;經(jīng)過900℃×1 h的熱處理后,涂層的近表面硬度是未熱處理涂層的1.5倍,
約為1300 HV;未熱處理涂層的摩擦因數(shù)為0.42,磨損機(jī)理主要表現(xiàn)為塑性變形、犁溝及脆性剝落;熱處理后,涂層的摩擦因數(shù)降至0.29,磨損機(jī)理主要為磨粒磨損和黏著磨損;熱處理后生成的穩(wěn)態(tài)M23C6型碳化物具有強(qiáng)化合金、涂層力學(xué)性能的作用;未熱處理涂層與熱處理涂層的自腐蝕電流密度均約為3.3×10-3 A·cm-2,自腐蝕電位均在-0.29 V左右,單個(gè)容抗弧特征近乎重合。熱處理過程中發(fā)生的再結(jié)晶和晶粒尺寸變化、馬氏體相變對鈷基涂層耐蝕性的影響不大。
制造水平的不斷,對復(fù)雜精密的機(jī)械裝備、零件的品質(zhì)要求也越來越高,而塑性加工技術(shù)和熱處理技術(shù)作為材料成型及改善材料性能的關(guān)鍵手段,在制造加工工業(yè)中發(fā)揮著關(guān)鍵性作用。42crmo鋼板材料處理過程中,材料的終性能受多方面因素的影響,如塑性加工過程中的加載速度、幾何形狀、摩擦與接觸條件,熱處理過程中的溫度分布、組織分布和應(yīng)力分布等,如果僅通過試驗(yàn)來摸索設(shè)計(jì)工藝參數(shù),費(fèi)時(shí)費(fèi)力,無法滿足實(shí)際生產(chǎn)需求?，F(xiàn)階段,可以通過計(jì)算機(jī)進(jìn)行塑性加工和熱處理過程的數(shù)值模擬,輔助工藝設(shè)計(jì)和工藝優(yōu)化,縮短研發(fā)周期,提高產(chǎn)品質(zhì)量,降低成本。因此,研究如何提高數(shù)值模擬的準(zhǔn)確性具有十分重要的意義。
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。
