。在激光功率密度不變時,隨著垂直于掃描方向上的光斑寬度增加,硬化層寬度呈正比例增加,硬化層深度則先增后減,距離硬化層中心深處相同距離點的曲率則逐漸減少。結(jié)論通過優(yōu)化激光淬火工藝參數(shù),控制激光淬火的熱傳導(dǎo)時間和深度方向的溫度梯度分布,可以在表面不熔化的前提下,獲得較深的硬化層。光斑尺寸對42CrMo鋼板激光深層淬火硬化層深度和硬化層均勻性有較大影響,選擇較大的光斑寬度可以得到更為均勻的硬化層。
本文對實驗用鋼42CrMo進行了成分測定、熱處理工藝設(shè)計、組織表征、性能檢測與分析等研究。采用Jmat-pro軟件模擬了42CrMo鋼的冷卻轉(zhuǎn)變過程,并實測了實驗用鋼的連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變曲線和等溫轉(zhuǎn)變曲線,利用OM、SEM、硬度測量等手段分析了不同冷卻速度和等溫溫度下的組織及特征,特別是貝氏體轉(zhuǎn)變區(qū)間、類型、特征和含量等與硬度的關(guān)系,通過熱處理工藝設(shè)計調(diào)控組織,建立了觀組織與硬度、韌性和耐磨性等之間的關(guān)系。42CrMo鋼板的連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變曲線CCT圖表明,Ac1為743℃,Ac3為792℃,在實驗的冷速范圍內(nèi),存在有先共析鐵素體、珠光體、貝氏體和馬氏體四個轉(zhuǎn)變區(qū);冷速大于3℃/s,獲得羽毛狀上貝和針片狀下貝為主的復(fù)相組織,隨冷速增加,組織中馬氏體含量增加,混合貝氏體相中上貝氏體量減少,硬度呈上升趨勢,冷速20℃/s,獲得馬氏體基體+（3%5%）下貝氏體的復(fù)相組織。
等溫轉(zhuǎn)變曲線TTT圖表明,在410℃500℃區(qū)間等溫將發(fā)生上貝氏體轉(zhuǎn)變,組織為羽毛狀特征為主,下貝氏體轉(zhuǎn)變的等溫溫度介于310℃410℃之間,組織為針片狀貝氏體+板條狀馬氏體的復(fù)相組織,隨等溫溫度降低,馬氏體含量增加;在560℃-590℃之間等溫出現(xiàn)的大量針狀魏氏組織,與實驗材料組織不均,晶粒粗大有關(guān)。42crmo鋼板調(diào)質(zhì)熱處理工藝實驗結(jié)果表明,淬火加熱溫度840℃,采用18%水基淬火介質(zhì)冷卻,獲得下貝氏體含量約為20.3%的馬/貝復(fù)相組織,經(jīng)560℃回火,其綜合力學(xué)性能達到良好匹配;等溫?zé)崽幚砉に噷嶒灡砻?在320℃380℃區(qū)間等溫,
刃口鈍化及涂層工藝是刀具切削性能及加工質(zhì)量的重要刀具后處理方法。本文對鈍化未涂層、鈍化且涂層以及無鈍化涂層的硬質(zhì)合金鉆頭鉆削42CrMo鋼板的鉆削性能進行對比研究,并分析了鈍化且涂層鉆頭刃口的K因子及平均圓度隨加工孔數(shù)變化情況。結(jié)果表明:刀具鈍化與涂層后處理工藝對刀具壽命及其失效形式有決定性影響。在實驗參數(shù)下,未后處理鉆頭加工孔數(shù)僅10孔就發(fā)生崩刃失效;鈍化未涂層鉆頭的壽命是鈍化涂層鉆頭的10倍,主要失效形式為粘結(jié)磨損與磨粒磨損;鈍化且涂層鉆頭壽命為無鈍化涂層的150倍,主要失效形式為磨粒磨損。鈍化且涂層鉆頭刃口在加工過程中的存在:"涂層破損—基體磨損—新刃口形成—刃口崩刃—刃口再形成"的變化趨勢。
利用摩擦磨損試驗探究不同激光功率下42CrMo鋼板激光熔覆層的耐磨性,采用SEM和OM觀察了試樣摩擦磨損前后的熔覆層組織形貌。結(jié)果表明:42CrMo鋼基體的摩擦因數(shù)較大,且在該摩擦磨損后出現(xiàn)了嚴重的脆性剝落現(xiàn)象,激光熔覆層可以42CrMo鋼的耐磨損性能;當(dāng)激光功率為1600 W時,摩擦因數(shù)可降低至0.28,熔覆層表面SEM形貌較為光滑,耐磨性優(yōu)異,熔覆層組織中的晶粒細化均勻,主要表現(xiàn)為細小的等軸晶,組織較為致密,從而提高了熔覆層的耐磨損性能。
在42CrMo鋼的基礎(chǔ)成分上增加Al、Ti元素,通過末端淬火試驗和截面硬度試驗對比分析Al對42CrMo鋼淬透性的影響差異,通過常規(guī)力學(xué)性能檢測對比其與42CrMo鋼的力學(xué)性能差異。42crmo鋼板結(jié)果表明Al、Ti元素添加可進一步提高淬透性,并且使鋼的強度達到1200 MPa級,-40℃下KV2≥27 J,滿足低溫環(huán)境下螺栓用鋼的使用要求。采用化學(xué)相分析方法,對鋼中析出相進行了定性、定量分析,結(jié)果表明Ti在鋼中添加發(fā)揮明顯固氮作用,提高了Al元素的固溶量,利用熱膨脹法對比測定試驗鋼的等溫轉(zhuǎn)變曲線,證明了增加Al含量,降低了奧氏體臨界轉(zhuǎn)變溫度,使C曲線右移,明顯改善了鋼的淬透性。
為研究42CrMo鋼板的沖擊動態(tài)力學(xué)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(xué)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(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(xué)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(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(dāng)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。
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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