連接柴油機(jī)凸輪軸與正時(shí)齒輪的42CrMo鋼板螺栓在試機(jī)過程中斷裂。對(duì)斷裂螺栓進(jìn)行了宏觀檢驗(yàn)、化學(xué)成分分析、硬度測(cè)定、金相檢驗(yàn)和能譜分析。結(jié)果表明:螺栓的化學(xué)成分、顯組織和硬度均正常,但氧化物夾雜的含量較高,且 直徑達(dá)350μm,大大降低了螺栓的有效承載面積,導(dǎo)致其斷裂。
為調(diào)控離子滲氮滲層特性,獲得少脆性化合物層、厚韌性擴(kuò)散層的滲氮層,提高離子滲氮滲層抗沖擊性和重載下的耐磨性,對(duì)42CrMo鋼板進(jìn)行了添加量鈦的創(chuàng)新離子滲氮處理。利用光學(xué)顯鏡、SEM、XRD和顯硬度計(jì)對(duì)滲層的截面顯組織、表面形貌和成分、物相和截面硬度進(jìn)行了測(cè)試和分析。結(jié)果表明:添加量鈦離子滲氮可顯著改善滲層特性,獲得少化合物層的高硬高韌滲氮層,同時(shí)顯著提高離子滲氮效率。
在540℃×4h工藝條件下,添加量鈦可使離子滲氮有效硬化層厚度顯著增加,由常規(guī)離子滲氮的225μm增加到380μm,即滲氮效率提高近70%;有效硬化層厚度提高的情況下,化合物層厚度反而減薄,由常規(guī)離子滲氮的19μm降低到10μm,即化合物層厚度降低了約50%;滲層中化合物層與有效硬化層之比值由常規(guī)離子滲氮的8.5%降低到2.6%。同時(shí)添加量鈦離子滲氮滲層中形成了高硬度強(qiáng)化相Ti N,使?jié)B層表面硬度由703HV0.05提高至895HV0.05。42crmo鋼板添加量鈦離子滲氮獲得了薄化合物層、高硬高韌、厚有效硬化層的優(yōu)良滲氮層特性,該滲層特性對(duì)改善離子滲氮零部件抗沖擊性和重載下的耐磨性具有重要研究和應(yīng)用價(jià)值。
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42crmo鋼板具體的研究結(jié)果如下:（1）采用電脈沖處理地實(shí)現(xiàn)了鋼材的晶粒細(xì)化,明確了脈沖電流誘導(dǎo)晶粒細(xì)化的具體機(jī)理。瞬時(shí)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(shí)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(xì)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(jī)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(shí)性也就決定了處理后的元素?zé)o法充分均勻化,奧氏體穩(wěn)定化元素濃度高的區(qū)域?qū)闅堄鄪W氏體的形成提供足夠的化學(xué)驅(qū)動(dòng)力;ii)晶粒的細(xì)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(shí)馬氏體轉(zhuǎn)變起始溫度也會(huì)顯著下降;iii)奧氏體向馬氏體轉(zhuǎn)變是一個(gè)體積膨脹的過程,電脈沖處理過程中存在的熱壓應(yīng)力可有效地抑制馬氏體轉(zhuǎn)變。
（3）脈沖電流特定的物理場(chǎng)分布及物理效應(yīng)可明顯改變亞結(jié)構(gòu)及第二相的形態(tài)和分布。受熱壓應(yīng)力的影響,原本在高層錯(cuò)能鋼材中難以形成的堆垛層錯(cuò)在電脈沖處理中得以形成,而堆垛層錯(cuò)的形成又為回火態(tài)42CrMo鋼板中超細(xì)珠光體類組織的形成奠定了基礎(chǔ);合金元素貧瘠區(qū)與富集區(qū)之間的應(yīng)力可促進(jìn)孿晶或殘余奧氏體的形成;電子風(fēng)強(qiáng)烈沖擊界面形成大量的晶體缺陷,可使第二相主動(dòng)地浸潤晶界,而若使界面處的缺陷得到回復(fù),第二相則被動(dòng)浸潤其他界面;多個(gè)物理場(chǎng)的重疊可使亞結(jié)構(gòu)的分布具有方向性,如42CrMo鋼中沿電流方向分布的位錯(cuò)、T250鋼中沿電流方向分布的Ni3（Ti,Al）團(tuán)簇;電遷移效應(yīng)可促進(jìn)位錯(cuò)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(duì)優(yōu)滑移系上原子或位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的促進(jìn)42crmo鋼板,可使沿電流方向的特定取向強(qiáng)度增強(qiáng),形成了沿電流方向（ED）的織構(gòu)。如固溶態(tài)T250鋼中{112}//ED織構(gòu)、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(gòu)的形成。
為了查找某42CrMo鋼板制螺栓斷裂失效的原因,采用光學(xué)顯鏡、掃描電鏡、電感耦合等離子體光譜儀、碳硫分析儀、硬度計(jì)等對(duì)斷裂件的宏觀斷口形貌、顯組織、硬度和化學(xué)成分等進(jìn)行觀察和檢測(cè)分析。結(jié)果表明:螺栓光桿和法蘭盤轉(zhuǎn)接圓角處局部過燒和脫碳是引起螺栓斷裂的主要原因,使用過程中螺栓光桿和法蘭盤轉(zhuǎn)接圓角處的應(yīng)力集中是導(dǎo)致螺栓斷裂的誘發(fā)因素。通過嚴(yán)格控制熱鐓溫度,退火氣氛,增加毛坯的切削余量,可有效防止過燒及脫碳層在成品零件上出現(xiàn),避免類似事件的發(fā)生。
利用ABAQUS有限元分析軟件及二次開發(fā)對(duì)42CrMo鋼板船用曲拐加熱和淬火過程進(jìn)行數(shù)值模擬。結(jié)果表明:工件分段加熱過程中,表面與心部的 溫差出現(xiàn)在第二個(gè)保溫階段,達(dá)到88.6℃;第二階段保溫結(jié)束時(shí),工件內(nèi)外基本無溫差,珠光體完全轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體。在淬火過程中,曲拐表層形成了一定厚度的馬氏體組織,至半馬氏體處厚度約為70 mm,其表面馬氏體含量的體積分?jǐn)?shù)約為96%;貝氏體主要集中在曲拐的次表層,且其 含量約為56%;曲拐的心部為完全的珠光體組織;殘留奧氏體主要集中在曲拐的表層,且其大含量約為4%。
通過使用光纖激光器,激光熔覆鎳基復(fù)合合金粉末在42CrMo鋼表面獲得了成形良好的激光熔覆層。采用掃描電子顯鏡（SEM）、能譜儀（EDS）、X射線衍射（XRD）、顯硬度計(jì)和磨損試驗(yàn)機(jī)研究了熔覆層組織形態(tài)、物相、化學(xué)成分和顯硬度,并對(duì)其磨損性能進(jìn)行了分析。結(jié)果表明,激光鎳基復(fù)合熔覆層的物相主要有γ-Ni、M7C3、M23C6、CrB、Fe6W6C、Mo2FeB2和WC。熔覆層組織主要以胞狀晶和胞狀樹枝晶為主,并有大量的共晶組織。42crmo鋼板激光熔覆層的顯硬度分布比較均勻,相對(duì)基體硬度提高了1.42倍。激光熔覆層的耐磨性是基體的3倍以上,熔覆層的主要磨損機(jī)制為磨粒磨損,并伴隨著粘著磨損和氧化磨損。
