刃口鈍化及涂層工藝是刀具切削性能及加工質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)力學性能檢測對比其與42CrMo鋼的力學性能差異。42crmo鋼板結果表明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。采用化學相分析方法,對鋼中析出相進行了定性、定量分析,結果表明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變曲線,證明了增加Al含量,降低了奧氏體臨界轉變溫度,使C曲線右移,明顯改善了鋼的淬透性。
為了提高汽車傳動件常用材料42CrMo鋼板的耐腐蝕性能,對42CrMo鋼進行錳系磷化處理,并考察了表面調整和磷化液溫度對磷化膜耐腐蝕性能的影響。
結果表明,表面調整后形成的磷化膜結晶細致均勻,晶粒大小較均一,較未表面調整直接形成的磷化膜的耐腐蝕性能有一定的提高;磷化液溫度對磷化膜的觀形貌、成分和耐腐蝕性能有較大影響,隨著磷化液溫度從78℃升高到94℃,晶粒先細化后粗化,磷化膜致密性先變好后變差;磷化膜中Mn元素質量分數(shù)先升高后降低,Fe元素質量分數(shù)先降低后升高,而P和O元素質量分數(shù)變化不大;磷化膜的腐蝕電位先正移后負移,腐蝕電流密度先降低后升高;表面調整后在86℃下形成的磷化膜具有良好的耐腐蝕性能,其腐蝕電位和腐蝕電流密度分別為-527.46 mV、1.997×10-5A/cm2,對42CrMo鋼的保護效率為73.2%,能有效提高42CrMo鋼板的耐腐蝕性能。
42CrMo鋼板經(jīng)過調質處理（淬火+回火）可以獲得良好的強度和韌性,因此被作為制造大規(guī)格螺栓等零部件的常用材料。由于此類零部件應用環(huán)境的影響,對于其制造材料不僅要求具備良好的強度、韌性、延展性等綜合性能,還要求高的低溫沖擊性能,特別是大規(guī)格的螺栓（42mm≤Φ≤64mm）,其截面尺寸的增加導致淬火后材料心部除馬氏體組織產(chǎn)生外,作為不完全淬火組織的貝氏體組織比例增加,難以實現(xiàn)截面性能的均勻性和保證心部的低溫沖擊性能。因此為保證大規(guī)格螺栓的服役性能,要求材料要具有良好的淬透性,即淬火后心部馬氏體組織達到90%以上。雖然通過控制生產(chǎn)工藝可以改善材料的淬透性,但是影響材料淬透性的根本原因是材料的化學成分。本文針對大規(guī)格螺栓鋼淬透性問題,在42CrMo鋼基礎成分上配合添加元素Al、B、Ti,同時控制鋼的N含量,研究了Al添加對42CrMo鋼淬透性和淬火組織以及性能的影響,并與含B鋼進行對比,揭示Al對不同尺寸42CrMo鋼淬透性的影響規(guī)律。
具體研究內(nèi)容如下:在42crmo鋼板基礎成分中配合添加Al-Ti和Al-B元素,通過末端淬火實驗和截面硬度實驗對比分析設計鋼與42CrMo鋼淬透性的差異,并通過金相顯鏡OM、掃描電鏡SEM觀察不同部位淬火后組織形貌以及回火后觀組織和斷口形貌,通過常規(guī)力學性能檢測其常溫拉伸和低溫沖擊性能,
42crmo鋼板具體的研究結果如下:（1）采用電脈沖處理地實現(xiàn)了鋼材的晶粒細化,明確了脈沖電流誘導晶粒細化的具體機理。瞬時的高能量輸入顯著降低了奧氏體相變能障,極大地提高了奧氏體的形核率,短時間的作用以及隨后快速的水冷處理抑制了奧氏體晶粒的長大。電脈沖處理后,淬火態(tài)42CrMo鋼的晶粒細化了56.3%,固溶態(tài)T250鋼的晶粒尺寸下降了74.6%。
（2）揭示出電脈沖處理提高鋼材中殘余奧氏體穩(wěn)定性的具體機制:i)若處理前鋼材中的合金元素是不均勻分布的,則電脈沖處理的瞬時性也就決定了處理后的元素無法充分均勻化,奧氏體穩(wěn)定化元素濃度高的區(qū)域將為殘余奧氏體的形成提供足夠的化學驅動力;ii)晶粒的細化以及電脈沖處理過程中界面處大量晶體缺陷的形成,使馬氏體與奧氏體的界面能得到提高,這將使馬氏體的生長提前停滯,同時馬氏體轉變起始溫度也會顯著下降;iii)奧氏體向馬氏體轉變是一個體積膨脹的過程,電脈沖處理過程中存在的熱壓應力可有效地抑制馬氏體轉變。
（3）脈沖電流特定的物理場分布及物理效應可明顯改變亞結構及第二相的形態(tài)和分布。受熱壓應力的影響,原本在高層錯能鋼材中難以形成的堆垛層錯在電脈沖處理中得以形成,而堆垛層錯的形成又為回火態(tài)42CrMo鋼板中超細珠光體類組織的形成奠定了基礎;合金元素貧瘠區(qū)與富集區(qū)之間的應力可促進孿晶或殘余奧氏體的形成;電子風強烈沖擊界面形成大量的晶體缺陷,可使第二相主動地浸潤晶界,而若使界面處的缺陷得到回復,第二相則被動浸潤其他界面;多個物理場的重疊可使亞結構的分布具有方向性,如42CrMo鋼中沿電流方向分布的位錯、T250鋼中沿電流方向分布的Ni3（Ti,Al）團簇;電遷移效應可促進位錯形成具有小角度取向差的亞晶界。
（4）研究發(fā)現(xiàn)脈沖電流對優(yōu)滑移系上原子或位錯運動的促進42crmo鋼板,可使沿電流方向的特定取向強度增強,形成了沿電流方向（ED）的織構。如固溶態(tài)T250鋼中{112}//ED織構、TS+EPA態(tài)T250鋼中殘余奧氏體{111}//ED及EPS+EPA態(tài)T250鋼中小角度{110}//ED織構的形成。
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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,特別是大型鍛件領域,有廣泛的應用。本文采用計算機模擬與實驗相結合的方法,構建了 42CrMo鋼較準確的本構模型和材料性能數(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,模擬結果與實驗結果吻合較好。
通過熱壓縮實驗,測定了 42CrMo鋼板在不同溫度和應變速率下的應力-應變數(shù)據(jù),構建了改進的Johnson-Cook本構模型和應變補償?shù)腁rrhenius本構模型,得到了較大應變范圍內(nèi)較準確的42CrMo鋼的本構方程。擬合了手冊中標準的42CrMo鋼的TTT曲線,獲得了較準確的TTT曲線數(shù)據(jù)。此外還構建了包含熱導率、比熱容、楊氏模量、泊松比、相變潛熱、膨脹系數(shù)等較完善、準確的42CrMo鋼數(shù)據(jù)庫。以構建的數(shù)據(jù)庫為基礎,通過DEFORM軟件模擬了 42CrMo鋼在變形溫度為1123 K、應變速率為0.01 s-1條件下的熱壓縮過程,將模擬結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力-應變曲線分別與相同實驗條件下實測結果進行對比。結果顯示,載荷-行程曲線和應力-應變曲線在數(shù)值大小和變化趨勢上與實驗結果吻合較好,表明選用的應變補償?shù)腁rrhenius本構模型能夠比較準確地描述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,實驗結果與模擬結果基本一致,這表明文中構建的42CrMo鋼數(shù)值模擬數(shù)據(jù)庫較為準確?？梢栽诖嘶A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。
