42CrMo鋼板含有Cr、Mo等多種合金化元素,具有優(yōu)良的綜合力學(xué)性能,既具有較高的強(qiáng)度,又具有較好的塑性,在鍛件,特別是大型鍛件領(lǐng)域,有廣泛的應(yīng)用。本文采用計(jì)算機(jī)模擬與實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的方法,構(gòu)建了 42CrMo鋼較準(zhǔn)確的本構(gòu)模型和材料性能數(shù)據(jù)庫(kù),并開(kāi)展了材料變形和熱處理淬火過(guò)程的計(jì)算機(jī)模擬和實(shí)驗(yàn),模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合較好。

   通過(guò)熱壓縮實(shí)驗(yàn),測(cè)定了 42CrMo鋼板在不同溫度和應(yīng)變速率下的應(yīng)力-應(yīng)變數(shù)據(jù),構(gòu)建了改進(jìn)的Johnson-Cook本構(gòu)模型和應(yīng)變補(bǔ)償?shù)腁rrhenius本構(gòu)模型,得到了較大應(yīng)變范圍內(nèi)較準(zhǔn)確的42CrMo鋼的本構(gòu)方程。擬合了手冊(cè)中標(biāo)準(zhǔn)的42CrMo鋼的TTT曲線,獲得了較準(zhǔn)確的TTT曲線數(shù)據(jù)。此外還構(gòu)建了包含熱導(dǎo)率、比熱容、楊氏模量、泊松比、相變潛熱、膨脹系數(shù)等較完善、準(zhǔn)確的42CrMo鋼數(shù)據(jù)庫(kù)。以構(gòu)建的數(shù)據(jù)庫(kù)為基礎(chǔ),通過(guò)DEFORM軟件模擬了 42CrMo鋼在變形溫度為1123 K、應(yīng)變速率為0.01 s-1條件下的熱壓縮過(guò)程,將模擬結(jié)果中壓縮后試樣的尺寸數(shù)據(jù)、Top Die載荷-行程曲線以及計(jì)算得出的應(yīng)力-應(yīng)變曲線分別與相同實(shí)驗(yàn)條件下實(shí)測(cè)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。結(jié)果顯示,載荷-行程曲線和應(yīng)力-應(yīng)變曲線在數(shù)值大小和變化趨勢(shì)上與實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合較好,表明選用的應(yīng)變補(bǔ)償?shù)腁rrhenius本構(gòu)模型能夠比較準(zhǔn)確地描述42crmo鋼板的變形行為。

    通過(guò)DEFORM軟件模擬了 42CrMo鋼板在1123 K時(shí)的末端淬火過(guò)程,結(jié)果顯示試樣末端與水的換熱程度劇烈,溫度迅速下降,形成大量馬氏體組織,隨著遠(yuǎn)離淬火末端,馬氏體含量逐漸降低,硬度也隨之降低。同時(shí)進(jìn)行了同條件的末端淬火實(shí)驗(yàn),對(duì)淬火后試樣的軸向硬度分布進(jìn)行了測(cè)量,并觀察不同位置組織組成,實(shí)驗(yàn)結(jié)果與模擬結(jié)果基本一致,這表明文中構(gòu)建的42CrMo鋼數(shù)值模擬數(shù)據(jù)庫(kù)較為準(zhǔn)確?？梢栽诖嘶A(chǔ)上進(jìn)行不同幾何形狀、不同變形條件、不同熱處理過(guò)程的數(shù)值模擬,為實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程的模擬與優(yōu)化打下了良好的基礎(chǔ)。

連接柴油機(jī)凸輪軸與正時(shí)齒輪的42CrMo鋼板螺栓在試機(jī)過(guò)程中斷裂。對(duì)斷裂螺栓進(jìn)行了宏觀檢驗(yàn)、化學(xué)成分分析、硬度測(cè)定、金相檢驗(yàn)和能譜分析。結(jié)果表明:螺栓的化學(xué)成分、顯組織和硬度均正常,但氧化物夾雜的含量較高,且 直徑達(dá)350μm,大大降低了螺栓的有效承載面積,導(dǎo)致其斷裂。 

  為調(diào)控離子滲氮滲層特性,獲得少脆性化合物層、厚韌性擴(kuò)散層的滲氮層,提高離子滲氮滲層抗沖擊性和重載下的耐磨性,對(duì)42CrMo鋼板進(jìn)行了添加量鈦的創(chuàng)新離子滲氮處理。利用光學(xué)顯鏡、SEM、XRD和顯硬度計(jì)對(duì)滲層的截面顯組織、表面形貌和成分、物相和截面硬度進(jìn)行了測(cè)試和分析。結(jié)果表明:添加量鈦離子滲氮可顯著改善滲層特性,獲得少化合物層的高硬高韌滲氮層,同時(shí)顯著提高離子滲氮效率。

   在540℃×4h工藝條件下,添加量鈦可使離子滲氮有效硬化層厚度顯著增加,由常規(guī)離子滲氮的225μm增加到380μm,即滲氮效率提高近70%;有效硬化層厚度提高的情況下,化合物層厚度反而減薄,由常規(guī)離子滲氮的19μm降低到10μm,即化合物層厚度降低了約50%;滲層中化合物層與有效硬化層之比值由常規(guī)離子滲氮的8.5%降低到2.6%。同時(shí)添加量鈦離子滲氮滲層中形成了高硬度強(qiáng)化相Ti N,使?jié)B層表面硬度由703HV0.05提高至895HV0.05。42crmo鋼板添加量鈦離子滲氮獲得了薄化合物層、高硬高韌、厚有效硬化層的優(yōu)良滲氮層特性,該滲層特性對(duì)改善離子滲氮零部件抗沖擊性和重載下的耐磨性具有重要研究和應(yīng)用價(jià)值。

目的確定42CrMo鋼板感應(yīng)淬火過(guò)程的奧氏體相變動(dòng)力學(xué)參數(shù),并驗(yàn)證其可靠性。方法根據(jù)不同加熱速率下42CrMo鋼奧氏體膨脹曲線,基于經(jīng)典JMAK（Johnson-Mehl-Avrami-Kolmogorov）模型和Kissinger方法,確定了42CrMo鋼奧氏體化相變動(dòng)力學(xué)的參數(shù)。建立ABAQUS局部移動(dòng)式感應(yīng)淬火模型,選取淬火區(qū)域加熱過(guò)程中點(diǎn)的溫度變化曲線作為驗(yàn)證奧氏體化模型的對(duì)象。‘

  基于Scheil法則和JMAK相變動(dòng)力學(xué)模型,采用文中求解得到的奧氏體化參數(shù),采用Matlab對(duì)42CrMo連續(xù)轉(zhuǎn)變過(guò)程離散為每個(gè)時(shí)間間隔的等溫相變并求解,并對(duì)照相關(guān)學(xué)者采用的擴(kuò)展解析動(dòng)力學(xué)模型和JAMK模型,加以驗(yàn)證。結(jié)果根據(jù)上述方法,得到的42CrMo奧氏體相變動(dòng)力學(xué)參數(shù)為:能Q為2.04×106 J/mol,指前因子lnk0的值取230.78,Avrami指數(shù)n取0.427。42crmo鋼板將淬火加熱過(guò)程離散為數(shù)量很大的均勻時(shí)間間隔,并以求解的動(dòng)力學(xué)模型在每個(gè)間隔內(nèi)進(jìn)行對(duì)應(yīng)溫度條件下奧氏體體積分?jǐn)?shù)的求解并順次疊加,以模擬得到的奧氏體轉(zhuǎn)變時(shí)間和轉(zhuǎn)變溫度等作為依據(jù),該模型有良好的表現(xiàn)性。結(jié)論對(duì)42CrMo非等溫且加熱速度不恒定的連續(xù)奧氏體轉(zhuǎn)變過(guò)程,JAMK模型擬合表現(xiàn)良好,采用文中求解的參數(shù)組對(duì)表面感應(yīng)淬火的奧氏體轉(zhuǎn)變歷程進(jìn)行仿真預(yù)測(cè)是可行的。

  42CrMo鋼蝸輪蝸桿在裝配時(shí)發(fā)現(xiàn)蝸桿表面開(kāi)裂,通過(guò)宏觀分析、化學(xué)成分分析、淬火表面殘余應(yīng)力測(cè)試、觀分析、金相檢驗(yàn)、能譜分析、硬度測(cè)試等方法對(duì)蝸桿開(kāi)裂的原因進(jìn)行了分析。結(jié)果表明:該42CrMo鋼板蝸桿表面裂紋為淬火應(yīng)力裂紋,蝸桿材料中的錳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)偏高以及淬火過(guò)程中熱應(yīng)力與組織應(yīng)力疊加導(dǎo)致蝸桿沿軸線方向開(kāi)裂。