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。
用同轴送粉的方式在42CrMo钢板表面激光熔覆Fe-WC合金粉末,通过扫描电镜、光学显镜、能谱仪观察分析熔覆层的显组织特征、WC陶瓷颗粒对熔覆层组织性能的影响、WC陶瓷颗粒分布特征及WC周围块状共晶物的组成成分;用显硬度计、摩擦磨损试验仪、高精度电子天平测量基体与熔覆层的性能及质量损失,分析了引起性能曲线变化的原因。结果表明,熔覆层底部到顶部的组织变化为平面晶、晶界明显的胞状晶、交错生长的柱状树枝晶、排列紧密的胞状晶、方向均一的柱状树枝晶; WC陶瓷颗粒具有细化枝晶、阻断枝晶生长,增强熔覆层性能的能力; WC陶瓷颗粒在熔覆层中聚集分布,形成较宽的陶瓷带; WC陶瓷颗粒周围的块状共晶物是由WC部分分解得到的,其组成元素包括C、W、Fe、P、Cr。熔覆层平均硬度达到850 HV0.3,是基体平均硬度的3.4倍。摩擦因数为0.275左右,比基体小0.525。基体的质量损失是熔覆层的11倍多。说明Fe-WC合金熔覆层能够有效基体的硬度及其抗磨损能力。
在42CrMo钢板基础成分中配合添加Al-Ti和Al-B元素,通过末端淬火实验和截面硬度实验对比分析3种42CrMo钢淬透性的差异,并通过OM、SEM等手段观察晶粒形貌以及不同部位淬火后显组织,利用三维原子探针（3DAP）分析元素分布,通过常规力学性能实验检测其常温拉伸和低温冲击性能。结果表明,AlTi、Al-B的添加均使42CrMo钢淬透性提高,Al-B钢增加淬透性作用更大,淬火后距淬火端25 mm处的硬度增加6 HRC,直径42、48和56 mm截面的心部硬度分别增加7、10和14 HRC,并且使钢的抗拉强度Rm≥1200 MPa,-40℃下冲击吸收功KV2≥27 J,力学性能满足低温环境下螺栓用钢的使用要求。42crmo钢板通过化学相分析实验和TTT曲线测定,表明Al-Ti配合添加,Ti发挥固氮作用形成TiN,使Al固溶于铁素体中,抑制贝氏体产生;Al-B配合添加,一部分Al发挥固氮作用,另外一部分Al与B共同固溶于钢中,
基于深冷处理提供的温度场和永磁体提供的匀强磁场,对42CrMo钢板合金钢进行磁场深冷处理,并与常规工艺和深冷处理工艺进行了对比分析。结果表明:磁冷工艺在深冷处理工艺的基础上进一步提高了42CrMo钢的耐磨性,磁冷工艺处理材料的耐磨性较常规工艺和深冷工艺分别提高约26. 7%和22. 2%。
这是由于深冷处理使得残留奥氏体进一步转化为马氏体;深冷处理也使得过饱和马氏体析出大量碳生成碳化物;深冷处理中磁场的存在对α-Fe晶格的作用使过饱和马氏体析出碳的方向得到优化,回火屈氏体在磁场方向致密聚集,耐磨性提高。 基于有限元计算分析了直径为Φ40 mm的42CrMo钢圆棒试样分别使用淬火油和PAG水基液淬火后试样不同位置的组织、硬度以及淬火过程中的温度变化,采用硬度检测和显组织分析对模拟结果进行了验证。42crmo钢板结果表明,当使用淬火油淬火时,试样表面由奥氏体向马氏体和贝氏体转变,心部由奥氏体向贝氏体转变;当使用PAG水基液淬火时,试样表层几乎转变成马氏体,心部转变成马氏体和贝氏体;试样经淬火油和PAG水基液淬火后,表面硬度分别为58和55 HRC,均由表面至心部硬度逐渐降低,但使用PAG水基液淬火后试样的心部硬度比用淬火油的高5 HRC,约为50 HRC。
目的提高42CrMo钢板激光淬火后硬化层的深度和分布均匀性。方法利用COMSOL Multiphysics软件对42CrMo钢激光淬火过程中温度场的演变进行分析,且考虑材料的热物性参数随温度变化。通过设定激光工艺参数模拟试样的温度场分布,利用马氏体转变条件得到硬化层形貌尺寸。参照模拟结果,利用连续输出的光纤耦合半导体激光器对42CrMo钢进行激光淬火实验,用热电偶测温仪对试样测温并与模拟的温度历史曲线进行对比,用光学显镜对试样横截面处硬化层形貌进行分析,将实验所得硬化层形貌与模拟结果进行比较。并在相同的功率密度下,改变光斑的几何尺寸进行模拟,分析并比较硬化层的几何特征。结果实验所测某点的温度历史曲线与模拟结果一致性较高,硬化层实际形貌与模拟结果基本吻合。
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