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。
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42crmo钢板具体的研究结果如下:（1）采用电脉冲处理地实现了钢材的晶粒细化,明确了脉冲电流诱导晶粒细化的具体机理。瞬时的高能量输入显著降低了奥氏体相变能障,极大地提高了奥氏体的形核率,短时间的作用以及随后快速的水冷处理抑制了奥氏体晶粒的长大。电脉冲处理后,淬火态42CrMo钢的晶粒细化了56.3%,固溶态T250钢的晶粒尺寸下降了74.6%。
（2）揭示出电脉冲处理提高钢材中残余奥氏体稳定性的具体机制:i)若处理前钢材中的合金元素是不均匀分布的,则电脉冲处理的瞬时性也就决定了处理后的元素无法充分均匀化,奥氏体稳定化元素浓度高的区域将为残余奥氏体的形成提供足够的化学驱动力;ii)晶粒的细化以及电脉冲处理过程中界面处大量晶体缺陷的形成,使马氏体与奥氏体的界面能得到提高,这将使马氏体的生长提前停滞,同时马氏体转变起始温度也会显著下降;iii)奥氏体向马氏体转变是一个体积膨胀的过程,电脉冲处理过程中存在的热压应力可有效地抑制马氏体转变。
（3）脉冲电流特定的物理场分布及物理效应可明显改变亚结构及第二相的形态和分布。受热压应力的影响,原本在高层错能钢材中难以形成的堆垛层错在电脉冲处理中得以形成,而堆垛层错的形成又为回火态42CrMo钢板中超细珠光体类组织的形成奠定了基础;合金元素贫瘠区与富集区之间的应力可促进孪晶或残余奥氏体的形成;电子风强烈冲击界面形成大量的晶体缺陷,可使第二相主动地浸润晶界,而若使界面处的缺陷得到回复,第二相则被动浸润其他界面;多个物理场的重叠可使亚结构的分布具有方向性,如42CrMo钢中沿电流方向分布的位错、T250钢中沿电流方向分布的Ni3（Ti,Al）团簇;电迁移效应可促进位错形成具有小角度取向差的亚晶界。
（4）研究发现脉冲电流对优滑移系上原子或位错运动的促进42crmo钢板,可使沿电流方向的特定取向强度增强,形成了沿电流方向（ED）的织构。如固溶态T250钢中{112}//ED织构、TS+EPA态T250钢中残余奥氏体{111}//ED及EPS+EPA态T250钢中小角度{110}//ED织构的形成。
针对具有不同淬硬层深度42CrMo钢板轴承的许用接触应力大小不同的问题,采用线性回归法建立 变形量与 接触应力之间的线性方程,计算许用接触应力。通过试验分析了套圈淬硬层深度对轴承许用接触应力的影响。结果表明,当淬硬层深度不大于6 mm时,许用接触应力随淬硬层深度的增大而增大。
以常用齿轮钢42CrMo钢板为研究材料,采用不同空气流量对其进行离子氮氧共渗,并与传统离子渗氮进行对比。利用光学显镜、XRD和电化学工作站对渗层的显组织、物相和耐蚀性进行了测试和分析。研究结果表明,在550℃+4h相同温度和时间条件下,离子氮氧共渗化合物层比传统离子渗氮渗层厚度增加50%以上,氮化疏松层级别提高到1～2级;同时,离子氮氧共渗后渗层表层形成了一薄层Fe3O4,使耐蚀性得到显著提高,0.3L/min为 空气流量。该研究可为改进42CrMo表面改性工艺方案提供参考。
本文通过对42CrMo钢在N32+N15混合机油、快速淬火油和PAG水溶性淬火介质中的淬火试验,对其机械性能、环保等进行分析对比。试验结果表明,42CrMo钢板在12%PAG水溶性淬火介质中淬火优于在油类冷却剂中淬火,并且具有环保效果。
为了建立适用于冷塑性加工力学性能研究的材料本构模型,提出了一种基于材料观变形机制分析的本构模型建立及其验证方法。以高脆硬性的淬火态42CrMo钢板为例,首先根据材料的化学成分和硬度,运用数值计算方法获取冷塑性变形流动应力数据,然后通过分析流动应力数据特点建立了Z-A （Zerilli-Armstron）修正本构方程, 结合硬度压痕实验结果和有限元仿真对本构方程有效性进行了验证。结果表明,修正后的Z-A本构模型拟合效果好,42crmo钢板相关度较高;硬度压痕实验结果与仿真结果整体误差较小,所建立的本构方程能够准确描述材料的力学行为,可以用于淬火态42CrMo钢冷塑性加工的力学特性研究中。
