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)。

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裂。 

為了提高刀具用42CrMo鋼板的耐磨性能,采用電弧離子鍍技術(shù)在其表面沉積制備TiAlSiN涂層,并測(cè)試分析了勵(lì)磁電壓對(duì)其組織結(jié)構(gòu)及摩擦學(xué)性能的影響。研究結(jié)果表明:提高電壓后涂層表面粗糙度也隨之增大,制得厚度更大的TiAlSiN涂層,從初的2.16μm持續(xù)增大到4.85μm,表面粗糙度增大。隨電壓升高,涂層沿垂直基體表面的方向生長(zhǎng),獲得了更明顯的柱狀晶,空隙數(shù)量也進(jìn)一步增加,降低了涂層的組織致密度。隨著電壓的上升,等離子體離化率也明顯,制備得到了硬度更高的涂層,涂層的厚度也明顯增大。電壓增加過(guò)程中,TiAlSiN涂層的摩擦系數(shù)和磨損率表現(xiàn)出先下降再升高的變化規(guī)律,當(dāng)電壓達(dá)到30 V電壓時(shí)獲得了 磨損率。涂層存在磨粒磨損現(xiàn)象,可以觀察到部分涂層發(fā)生了剝落。30 V電壓時(shí)涂層表面變得更加平整,形成了更加致密的組織,耐磨性顯著提高。 

   針對(duì)石油平臺(tái)35CrMo鋼大齒輪、42CrMo鋼板小齒輪的齒面缺陷修復(fù)任務(wù),對(duì)齒輪材質(zhì)、零件現(xiàn)狀開展了工藝修復(fù)研究。通過(guò)對(duì)CO2氣體保護(hù)焊、氬弧焊、光纖激光焊三種焊接工藝進(jìn)行分析比較,發(fā)現(xiàn)光纖激光焊修復(fù)齒輪缺陷優(yōu)勢(shì)明顯。經(jīng)過(guò)齒輪實(shí)際修復(fù)后的檢測(cè)與試驗(yàn),取得了比較好的效果。 

  通過(guò)顯組織觀察和力學(xué)性能檢測(cè),分析了42crmo鋼板在不同回火溫度下觀組織形貌和力學(xué)性能的變化。通過(guò)三維原子探針（3DAP）技術(shù)分析500℃回火溫度下42CrMo鋼中元素分布情況,研究了Cr、Mn、Mo等合金元素對(duì)鋼性能的影響。結(jié)果表明,42CrMo鋼水淬后在450℃回火時(shí)顯組織為回火屈氏體,在500～650℃區(qū)間回火時(shí)顯組織均為回火索氏體,隨著回火溫度的增加,顆粒狀碳化物增多;抗拉強(qiáng)度和規(guī)定塑性延伸強(qiáng)度降低,-40℃低溫沖擊性能升高。在500℃回火可達(dá)到12.9級(jí)螺栓力學(xué)指標(biāo)（Rm≥1200 MPa,KV2≥27 J）,力學(xué)性能 ,且滿足低溫環(huán)境下螺栓用鋼的使用要求。3DAP結(jié)果表明,鋼中的合金元素通過(guò)固溶強(qiáng)化和沉淀強(qiáng)化提高了鋼的性能。