对于大倾覆力矩、重载疲劳和高冲击高磨损的轴承材料,通常采用感应淬火进行表面强化,但存在软带和变形大等问题。而使用激光淬火硬化层深度在1 mm以内,42crmo钢板且横截面硬化层为"月牙形",试样表面各点硬化层分布不均,较浅处易提前发生损坏。
为解决以上问题,利用COMSOL软件模拟激光深层淬火过程温度场时空分布,与常规激光淬火不同,激光深层淬火采用了宽光斑、低速扫描,且辅助用于提高吸光率的涂料,在软件中设定不同激光功率、扫描速度和光斑尺寸,分析得到不同工艺参数下的温度场分布、硬化层形貌和特征尺寸,并在模拟指导下进行实验得到深层硬化层,并探究光斑尺寸对硬化层深度、宽度、均匀性的影响。模拟结果表明,选择适当的激光功率密度和扫描速度进行激光淬火温度场的模拟,可以得到3.6 mm深的硬化层。以此进行光纤耦合半导体激光器淬火实验,实验所得有效硬化层深度为3.7 mm,硬化层平均硬度为774 HV0.3。42crmo钢板将实验所得硬化层形貌和模拟结果进行对比,平均误差为6.5%。模拟结果还表明,在激光功率、光斑面积和扫描速度不变时,改变光斑的宽度,硬化层的宽度与光斑的宽度成正比例,硬化层的深度随光斑宽度增加先增加后减小。随着光斑宽度增加,硬化层分布更加均匀。
利用金相显镜、洛氏硬度计和扫描电镜,对经过预备热处理（退火、淬火、调质）+亚温淬火+高温回火处理（又称临界区淬火+回火）后的42CrMo钢的组织、冲击性能以及断口形貌进行了观察和分析。结果表明,预备热处理为退火处理时,亚温处理后残留的铁素体粗大不均;且在回火索氏体之间分布不均匀;预备热处理为淬火处理和调质处理时,残留的铁素体形态细小,且与回火索氏体均匀分布。采用不同预备热处理时,亚温处理后的硬度差别很小。亚温处理后42CrMo钢的冲击性能均高于常规调质处理后的冲击性能;预备热处理为调质处理时,亚温处理后的冲击功 ,从其断口形貌中可以看出,其起裂区和裂纹纤维扩展区所占比例较退火处理和淬火处理时要大。因此,调质处理更适合作为42CrMo钢的预备处理。
。在激光功率密度不变时,随着垂直于扫描方向上的光斑宽度增加,硬化层宽度呈正比例增加,硬化层深度则先增后减,距离硬化层中心深处相同距离点的曲率则逐渐减少。结论通过优化激光淬火工艺参数,控制激光淬火的热传导时间和深度方向的温度梯度分布,可以在表面不熔化的前提下,获得较深的硬化层。光斑尺寸对42CrMo钢板激光深层淬火硬化层深度和硬化层均匀性有较大影响,选择较大的光斑宽度可以得到更为均匀的硬化层。
本文对实验用钢42CrMo进行了成分测定、热处理工艺设计、组织表征、性能检测与分析等研究。采用Jmat-pro软件模拟了42CrMo钢的冷却转变过程,并实测了实验用钢的连续冷却转变曲线和等温转变曲线,利用OM、SEM、硬度测量等手段分析了不同冷却速度和等温温度下的组织及特征,特别是贝氏体转变区间、类型、特征和含量等与硬度的关系,通过热处理工艺设计调控组织,建立了观组织与硬度、韧性和耐磨性等之间的关系。42CrMo钢板的连续冷却转变曲线CCT图表明,Ac1为743℃,Ac3为792℃,在实验的冷速范围内,存在有先共析铁素体、珠光体、贝氏体和马氏体四个转变区;冷速大于3℃/s,获得羽毛状上贝和针片状下贝为主的复相组织,随冷速增加,组织中马氏体含量增加,混合贝氏体相中上贝氏体量减少,硬度呈上升趋势,冷速20℃/s,获得马氏体基体+（3%5%）下贝氏体的复相组织。
等温转变曲线TTT图表明,在410℃500℃区间等温将发生上贝氏体转变,组织为羽毛状特征为主,下贝氏体转变的等温温度介于310℃410℃之间,组织为针片状贝氏体+板条状马氏体的复相组织,随等温温度降低,马氏体含量增加;在560℃-590℃之间等温出现的大量针状魏氏组织,与实验材料组织不均,晶粒粗大有关。42crmo钢板调质热处理工艺实验结果表明,淬火加热温度840℃,采用18%水基淬火介质冷却,获得下贝氏体含量约为20.3%的马/贝复相组织,经560℃回火,其综合力学性能达到良好匹配;等温热处理工艺实验表明,在320℃380℃区间等温,
对42CrMo钢板首先锻造后淬火,再分别进行常规热处理、浅冷处理和深冷处理,之后进行中温回火,然后测试试样的硬度和冲击韧性,并采用扫描电子显镜观察冲击试样的断口形貌和试样的观组织,探索浅冷处理和深冷处理对42CrMo硬度和冲击韧性及观组织的影响。结果表明,相比于常规热处理,42CrMo经浅冷处理和深冷处理后硬度略下降,冲击韧性有所,并且试样经深冷处理后的冲击韧性程度高于浅冷处理的冲击韧性。冲击试样断口呈准解理断裂,属于脆性断裂。观组织分析表明,浅冷处理和深冷处理均能促进试样组织中细小碳化物弥散分布析出。
利用光学显镜、扫描电镜和电子探针对热处理后开裂的42CrMo钢板制大型风电主轴进行观组织形貌及区成分分析。结果表明,主轴裂纹附近存在大量的硫化物及氮化物夹杂,且夹杂物与基体存在明显的间隙面,易以界面脱粘开裂机制产生裂纹,同时夹杂处的区成分偏析及裂纹附近的缩松缺陷共同作用终导致主轴开裂。
用光学显镜、42crmo钢板扫描电镜、透射电镜和显硬度研究了回火温度和时间对42CrMo钢显组织和硬度的影响,并推导获得了回火后屈服强度的计算模型。结果表明:随着回火温度的升高和时间的延长,马氏体的板条界面逐渐模糊或消失,板条宽度增加,位错密度显著减少,析出相由针状的过渡性碳化物逐渐向球形的稳定渗碳体转变,显组织从回火马氏体演变为碳化物弥散分布的回火屈氏体（400℃）和索氏体（600℃）,同时硬度不断降低,且在前2 h回火内降低显著,而后趋于稳定。由于扩散控制的回火组织演变类同于单一相变过程,基于JMAK方程建立的强度计算模型,可以较好地预测42CrMo钢在200～600℃回火时的屈服强度变化。
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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42crmo钢板电脉冲处理有促进钢材中复相组织形成的趋势。对于传统调质态的42CrMo钢,其组织仅包含索氏体,而受板条/孪晶马氏体短时间处理回火抗性的差异以及残余奥氏体稳定性提高的影响,电脉冲处理后的42CrMo钢板中包含回火马氏体、索氏体及残余奥氏体这三种组织
;对于传统时效态T250钢,其内部只存在η-Ni3（Ti,Mo）相,而受电流对非均匀形核的影响,电脉冲处理后的T250钢中包含Ni3（Ti,Al）团簇、Ni2.67Ti1.33相以及大尺度NiTi金属间化合物这三种析出物。（6）通过电脉冲处理,成功地在短时间内,同时且大幅了42CrMo钢板与T250钢的强度与塑性,定量分析了高能脉冲电流作用下不同类型钢材的强韧化机制,结果表明:i)采用脉冲电流进行淬火或固溶处理可提高晶界强化以及位错强化的强度贡献,而若进行回火或时效处理则可更显著地提高析出强化对强度的贡献;ii)电脉冲处理能增大必要几何位错的滑移距离,提高有利晶体取向的含量以及高施密特因子的比例,使钢材具有更大的塑性变形量;iii)利用电脉冲处理形成的复相组织在性能上的耦合及变形上的协调,钢材的强韧性也能得到有效改善。综上所述,经电脉冲处理后具有 性能的42CrMo钢板与T250钢的综合力学性能分别比传统处理态的钢材提高了22.82%和117.26%,增强、增韧效果十分明显。
同时,也揭示出电脉冲处理过程中42crmo钢板异于常态处理的组织、亚结构变化及力学行为,为丰富极端非平衡相变理论、更地开发具有更高力学性能的先进高强钢提供了充足的实验依据和技术参考。
