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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(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(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(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(zhǔn)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)。
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,如汽車部件、高鐵支座、連桿、齒輪轉(zhuǎn)動件等部件,高鐵轉(zhuǎn)動件受使用環(huán)境的影響,對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程中拉長,沿軋制方向形成纖維組織。在隨后淬火冷卻過
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)過調(diào)質(zhì)處理的42CrMo鋼花鍵軸在使用過程中斷裂。對斷裂的花鍵軸進行了宏觀斷口分析、化學(xué)成分檢測、硬度試驗和金相檢驗。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,提出了改進建議。
利用金相顯觀察及力學(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)性能為抗拉強度997～1 211 MPa,屈服強度990～1 204 MPa,伸長率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)性能為抗拉強度1 100～1 220 MPa,屈服強度1 107～1 188 MPa,伸長率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。
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(dǎo)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(dāng)?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(dǎo)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(xì)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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