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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。
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。
本试验在一定切削条件下对42CrMo钢板进行干切削,研究刀具累计加工1 035 s过程中前后刀面的磨损形貌。试验结果表明:累计加工时间T从0增加到1 035 s的过程中,刀具前刀面参与切削的区域亮度增加,磨损区域增大;当加工时间T为1 035 s时,刀具前刀面磨损明显,出现颜色较深面磨损区域、亮度较高的部分刀具涂层材料磨损区域、磨粒磨损明显的磨损区域。加工时间T从0增加到435 s的过程中,刀具后刀面出现明显的磨损带,涂层材料磨损带逐渐增大。加工时间T从435 s增加到1 035 s的过程中,磨损带缓慢增大,出现基体磨损现象,随着磨损时间延长,基体磨损逐渐增大。当加工时间T从48 s增加到1 035 s,已加工表面粗糙度Ra由3.46μm逐渐增大到3.91μm。
在42CrMo钢板常规处理的基础上增加了冷处理,研究浅冷处理和深冷处理对42CrMo钢硬度和耐磨性的影响。结果表明,经浅冷处理和深冷处理后,42CrMo钢中残留奥氏体向马氏体发生转变,且碳化物析出增多,致使钢的硬度和耐磨性均有,且深冷处理后硬度和耐磨性幅度高于浅冷处理。
利用JMat-Pro软件模拟了42CrMo钢的连续冷却转变曲线,并采用DIL805L相变42crmo钢板淬火膨胀仪实测了钢的各相变点,对不同冷却速度下的组织转变和贝氏体含量进行了分析,并绘制其CCT曲线。结果表明:42CrMo钢Ac1=743℃,Ac3=792℃。冷速小于0.5℃/s时,组织为先共析铁素体与珠光体混合组织;冷速0.5～10℃/s之间,存在一定量的贝氏体,随冷速加快,贝氏体量先增后降,马氏体含量逐渐增多,使得硬度呈现较大增幅。冷速大于10℃/s,组织为基体马氏体+少量贝氏体的混合组织。
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用同轴送粉的方式在42CrMo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、42cr钢板排列紧密的胞状晶、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钢板的基础成分上增加Al、Ti元素,通过末端淬火试验和截面硬度试验对比分析Al对42CrMo钢淬透性的影响差异,通过常规力学性能检测对比其与42CrMo钢的力学性能差异。结果表明Al、Ti元素添加可进一步提高淬透性,并且使钢的强度达到1200 MPa级,-40℃下KV2≥27 J,满足低温环境下螺栓用钢的使用要求。采用化学相分析方法,对钢中析出相进行了定性、定量分析,结果表明Ti在钢中添加发挥明显固氮作用,提高了Al元素的固溶量,利用热膨胀法对比测定试验钢的等温转变曲线,证明了增加Al含量,降低了奥氏体临界转变温度,使C曲线右移,明显改善了钢的淬透性。
通过宏观及观分析手段对42CrMo钢板阀体内孔表面裂纹开裂原因进行分析。42crmo钢板结果表明:铸造缺陷、非金属夹杂物含量较多、调质处理温度过高、保温时间较长,以致形成粗大珠光体和大量的魏氏组织是造成锻件开裂的主要原因,应力过大导致了锻件的开裂。
