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42CrMo钢板含有Cr、Mo等多种合金化元素,具有优良的综合力学性能,既具有较高的强度,又具有较好的塑性,在锻件,特别是大型锻件领域,有广泛的应用。本文采用计算机模拟与实验相结合的方法,构建了 42CrMo钢较准确的本构模型和材料性能数据库,并开展了材料变形和热处理淬火过程的计算机模拟和实验,模拟结果与实验结果吻合较好。
通过热压缩实验,测定了 42CrMo钢板在不同温度和应变速率下的应力-应变数据,构建了改进的Johnson-Cook本构模型和应变补偿的Arrhenius本构模型,得到了较大应变范围内较准确的42CrMo钢的本构方程。拟合了手册中标准的42CrMo钢的TTT曲线,获得了较准确的TTT曲线数据。此外还构建了包含热导率、比热容、杨氏模量、泊松比、相变潜热、膨胀系数等较完善、准确的42CrMo钢数据库。以构建的数据库为基础,通过DEFORM软件模拟了 42CrMo钢在变形温度为1123 K、应变速率为0.01 s-1条件下的热压缩过程,将模拟结果中压缩后试样的尺寸数据、Top Die载荷-行程曲线以及计算得出的应力-应变曲线分别与相同实验条件下实测结果进行对比。结果显示,载荷-行程曲线和应力-应变曲线在数值大小和变化趋势上与实验结果吻合较好,表明选用的应变补偿的Arrhenius本构模型能够比较准确地描述42crmo钢板的变形行为。
通过DEFORM软件模拟了 42CrMo钢板在1123 K时的末端淬火过程,结果显示试样末端与水的换热程度剧烈,温度迅速下降,形成大量马氏体组织,随着远离淬火末端,马氏体含量逐渐降低,硬度也随之降低。同时进行了同条件的末端淬火实验,对淬火后试样的轴向硬度分布进行了测量,并观察不同位置组织组成,实验结果与模拟结果基本一致,这表明文中构建的42CrMo钢数值模拟数据库较为准确。可以在此基础上进行不同几何形状、不同变形条件、不同热处理过程的数值模拟,为实际生产过程的模拟与优化打下了良好的基础。
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为了查找某42CrMo钢板制螺栓断裂失效的原因,采用光学显镜、扫描电镜、电感耦合等离子体光谱仪、碳硫分析仪、硬度计等对断裂件的宏观断口形貌、显组织、硬度和化学成分等进行观察和检测分析。结果表明:螺栓光杆和法兰盘转接圆角处局部过烧和脱碳是引起螺栓断裂的主要原因,使用过程中螺栓光杆和法兰盘转接圆角处的应力集中是导致螺栓断裂的诱发因素。通过严格控制热镦温度,退火气氛,增加毛坯的切削余量,可有效防止过烧及脱碳层在成品零件上出现,避免类似事件的发生。
利用ABAQUS有限元分析软件及二次开发对42CrMo钢板船用曲拐加热和淬火过程进行数值模拟。结果表明:工件分段加热过程中,表面与心部的 温差出现在第二个保温阶段,达到88.6℃;第二阶段保温结束时,工件内外基本无温差,珠光体完全转变为奥氏体。在淬火过程中,曲拐表层形成了一定厚度的马氏体组织,至半马氏体处厚度约为70 mm,其表面马氏体含量的体积分数约为96%;贝氏体主要集中在曲拐的次表层,且其 含量约为56%;曲拐的心部为完全的珠光体组织;残留奥氏体主要集中在曲拐的表层,且其大含量约为4%。
通过使用光纤激光器,激光熔覆镍基复合合金粉末在42CrMo钢表面获得了成形良好的激光熔覆层。采用扫描电子显镜（SEM）、能谱仪（EDS）、X射线衍射（XRD）、显硬度计和磨损试验机研究了熔覆层组织形态、物相、化学成分和显硬度,并对其磨损性能进行了分析。结果表明,激光镍基复合熔覆层的物相主要有γ-Ni、M7C3、M23C6、CrB、Fe6W6C、Mo2FeB2和WC。熔覆层组织主要以胞状晶和胞状树枝晶为主,并有大量的共晶组织。42crmo钢板激光熔覆层的显硬度分布比较均匀,相对基体硬度提高了1.42倍。激光熔覆层的耐磨性是基体的3倍以上,熔覆层的主要磨损机制为磨粒磨损,并伴随着粘着磨损和氧化磨损。
淬硬42CrMo钢板以其高强度、高韧性、优异的淬透性,适用于制造多种高载荷、交变载荷、高精密等多因素疲劳损伤失效的零件。该材料硬度高,因此普通加工方式加工难度大,加工后表面应力不可控,表面质量差。超声辅助磨削在加工硬脆材料方面具有优异性能,本文采用轴向超声振动辅助磨削方式以及普通磨削方式对淬硬42CrMo钢进行加工试验,使用各种测量仪器测量两种磨削后的42CrMo表面质量并观察分析。结果表明,两种方式加工后工件表面均有残余压应力,超声辅助磨削加工后工件表面残余压应力提高11.0%～30.8%,形貌优于普通磨削加工的粗糙度降低约80%,显硬度高于普通磨削约10%。
采用不同的旋转速度对42CrMo钢汽车半轴进行了旋锻,并进行了磨损性能和冲击性能的测试与分析。结果表明,随旋转速度从30 r/min增大至110 r/min,半轴试样的磨损体积先减小后增大,冲击吸收功先增大后减小,磨损性能和冲击性能先提升后下降。当旋转速度70 r/min时,试样的磨损体积达到最小值17×10-3mm3,冲击吸收功达到 值89 J,与30 r/min旋转速度相比,磨损体积减小了29.17%,冲击吸收功增大了11.25%。旋锻42CrMo钢半轴的 旋转速度为70 r/min。
大批量42crmo钢板M24螺栓在淬火、回火后发现纵向开裂。对开裂螺栓进行了宏观检验、化学成分检测、硬度试验和金相检验。结果表明:裂纹两侧有氧化现象,裂纹具有沿晶开断裂的特征,为淬火裂纹,及螺栓开裂是由淬火不当所致。
42crmo钢板先进高强度钢凭借其优异的力学性能、良好的成型性能以及较低的制造成本,在汽车制造、军工以及航天等领域有着十分广阔的应用前景。纵观 代到第三代先进高强钢的发展历程,以“复相、多尺度”为基础的调控理论研制具有“亚稳相、超细晶基体”等特点的超级钢逐渐受到青睐。现今,在轻量化和智能制造等一些列工业背景下,如何更快速高效且低能耗地开发更轻质、高性能的钢材也成为了材料加工领域的研究热点。
高能瞬时电脉冲处理,自电致塑性效应被发现以来,就备受材料研究人员的关注。42crmo钢板近些年来,伴随着对非平衡固态相变机理、多物理场作用下观结构的演变规律以及相应伴生现象的深入研究,电致强化这一概念也逐渐受到重视,电脉冲处理在钢铁材料的强韧化等方面也实现了一定程度的工程化应用。此外,基于电子风冲击、电迁移效应对快速相变以及再结晶的影响,采用脉冲电流对钢材进行细化及强韧化处理完全符合第三代先进高强钢的开发宗旨和组织性能要求特点。但以往的工作多集中在对电脉冲处理诱发的组织细化以及强塑性同时提升等方面的浅层研究,而缺乏对位错组态、界面迁移、晶体取向以及析出行为等方向的实质性深入探索。因此,研究脉冲电流作用下钢材的亚结构演化及强韧化机理,对进一步丰富和完善钢的非平衡相变理论以及开发新型的强韧化工艺有着重要的实际意义。
本文采用高能瞬时电脉冲处理对两种强化类型完全不同的钢材（42CrMo钢板及T250钢）进行了增强、增韧处理。同时,结合相应的传统热处理,规律性地研究了脉冲电流对不同钢材显组织及亚结构的影响、定量地分析了脉冲电流作用下钢材的强韧化机理、归纳概括了不同处理方式对钢材具体作用机制的差异。
