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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。
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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。
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。
针对模铸锻材42crmo钢板表面出现裂纹缺陷,通过对锻材表面裂纹进行试验分析,结果表明,裂纹表面有平面等轴晶粒的多边形轮廓形态,具有锻造开裂后又发生高温再结晶的形貌特征,进而推断出锻材上的裂纹形成于高温锻造变形过程中。
在42CrMo钢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钢板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。
为研究42Cr Mo钢板的冲击动态力学性能及本构模型,进行了冲击动态压缩实验和金相观察.材料表现出强烈的应变率依赖性,同时还得到不同应变率下力学性能差异的主要原因在于冲击动态载荷下的绝热剪切行为.采用热理论,42crmog分别考虑热应力和非热应力来解释变形机理,得到了应变率效应的描述.基于此,本文提出含高应变率效应的动态本构模型,通过绝热剪切准则来确定失稳的起始点,并与模型进行耦合.该模型能很好地描述42Cr Mo钢的准静态和冲击动态力学行为,特别是应变硬化效应和应变率效应.
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。
