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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。
为了提高刀具用42CrMo钢板的耐磨性能,采用电弧离子镀技术在其表面沉积制备TiAlSiN涂层,并测试分析了励磁电压对其组织结构及摩擦学性能的影响。研究结果表明:提高电压后涂层表面粗糙度也随之增大,制得厚度更大的TiAlSiN涂层,从最初的2.16μm持续增大到4.85μm,表面粗糙度增大。随电压升高,涂层沿垂直基体表面的方向生长,获得了更明显的柱状晶,空隙数量也进一步增加,降低了涂层的组织致密度。随着电压的上升,等离子体离化率也明显提升,制备得到了硬度更高的涂层,涂层的厚度也明显增大。电压增加过程中,TiAlSiN涂层的摩擦系数和磨损率表现出先下降再升高的变化规律,当电压达到30 V电压时获得了 磨损率。涂层存在磨粒磨损现象,可以观察到部分涂层发生了剥落。30 V电压时涂层表面变得更加平整,形成了更加致密的组织,耐磨性显著提高。
针对石油平台35CrMo钢大齿轮、42CrMo钢板小齿轮的齿面缺陷修复任务,对齿轮材质、零件现状开展了工艺修复研究。通过对CO2气体保护焊、氩弧焊、光纤激光焊三种焊接工艺进行分析比较,发现光纤激光焊修复齿轮缺陷优势明显。经过齿轮实际修复后的检测与试验,取得了比较好的效果。
通过显组织观察和力学性能检测,分析了42crmo钢板在不同回火温度下观组织形貌和力学性能的变化。通过三维原子探针（3DAP）技术分析500℃回火温度下42CrMo钢中元素分布情况,研究了Cr、Mn、Mo等合金元素对钢性能的影响。结果表明,42CrMo钢水淬后在450℃回火时显组织为回火屈氏体,在500～650℃区间回火时显组织均为回火索氏体,随着回火温度的增加,颗粒状碳化物增多;抗拉强度和规定塑性延伸强度降低,-40℃低温冲击性能升高。在500℃回火可达到12.9级螺栓力学指标（Rm≥1200 MPa,KV2≥27 J）,力学性能 ,且满足低温环境下螺栓用钢的使用要求。3DAP结果表明,钢中的合金元素通过固溶强化和沉淀强化提高了钢的性能。
42CrMo钢板因具有良好的淬透性、强度以及韧性,被广泛应用于拉矫辊制造中,但是这种材料的耐蚀性、耐磨损性及耐疲劳性还不够理想,限制了拉矫辊连续工作能力。为进一步提高拉矫辊基材强度和耐磨损性能,利用激光熔凝技术对调质后42CrMo钢进行了激光强化工艺研究。采用光学显镜、金相显镜、显硬度计、摩擦磨损试验机等仪器对42CrMo钢激光熔凝后的显组织、相结构、强度及摩擦磨损性能进行了分析,研究了激光功率、扫描速度对熔凝层性能的影响规律。结果表明:工艺参数对熔凝区力学性能影响较大,激光功率显著影响熔凝层的深度,扫描速度影响表面成形质量;调质后42CrMo钢基体组织主要为回火马氏体+残余奥氏体,经过激光熔凝后,基体组织发生转变,马氏体含量显著提高。
采用硬度测试、显组织观察、脆性等级和疏松等级评价等方法研究了渗氮温度对42CrMo钢板零件渗氮后氧化渗层性能的影响。结果表明:在渗氮后氧化处理过程中,渗层的表面硬度随着渗氮温度的升高出现先增后降的趋势;渗层深度和疏松等级随渗氮温度的升高而增加,但脆性等级变化不大。当渗氮温度为560℃时,42CrMo钢零件可获得表面硬度≥600 HV、渗层（白亮层）深度≥15μm、1级脆性等级、2级疏松等级的优秀渗层。
为了提高刀具用42CrMo钢的耐磨性能,采用电弧离子镀技术在其表面沉积制备TiAlSiN涂层,并测试分析了励磁电压对其组织结构及摩擦学性能的影响。研究结果表明:提高电压后涂层表面粗糙度也随之增大,制得厚度更大的TiAlSiN涂层,从最初的2.16μm持续增大到4.85μm,表面粗糙度增大。随电压升高,涂层沿垂直基体表面的方向生长,获得了更明显的柱状晶,空隙数量也进一步增加,降低了涂层的组织致密度。随着电压的上升,等离子体离化率也明显提升,制备得到了硬度更高的涂层,涂层的厚度也明显增大。42crmo钢板电压增加过程中,TiAlSiN涂层的摩擦系数和磨损率表现出先下降再升高的变化规律,当电压达到30 V电压时获得了 磨损率。涂层存在磨粒磨损现象,可以观察到部分涂层发生了剥落。30 V电压时涂层表面变得更加平整,形成了更加致密的组织,耐磨性显著提高。
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42CrMo钢板齿圈毛坯的淬火通常采用油淬或聚合物水溶液淬火来避免淬火的开裂,但油淬或聚合物水溶液淬火导致严重的环境污染。改用水淬不仅可满足绿色环保的要求而且可降低成本,但极易产生开裂。针对上述问题,本研究基于温度场、组织场和应力场的有限元模拟,获得优化的水-空交替控时淬火冷却（ATQ）工艺,成功应用于大直径（ф1970 mm）的42CrMo钢齿圈毛坯的淬火冷却。结果表明:采用ATQ工艺处理42CrMo钢齿圈毛坯,不仅回火后的力学性能高于性能指标要求,而且有效避免了淬火开裂。
对42CrMo钢板轧制工艺参数进行了的优化,研究了不同加热、轧制温度的42CrMo钢棒材组织及布氏硬度变化规律。结果表明,通过控制加热、均热段温度和终轧温度可有效控制热轧态42CrMo钢棒材组织及布氏硬度;42CrMo钢棒材开裂原因主要是轧制后产生大量的贝氏体组织,且沿棒材横断面分布不均匀,由边部到心部的贝氏体含量减小,布氏硬度则由大变小。热轧钢布氏硬度≤260HBW时可避免在棒材剪切下料过程开裂、掉块现象。
利用高压水射流喷丸技术（WSP）和真空脉冲等离子氮化技术,研究了水射流喷丸预处理对42CrMo钢等离子氮化后的滚动接触疲劳性能的影响。采用OM、SEM、TEM、XRD应力测定仪、表面粗糙度仪、显硬度仪对等离子氮化和复合处理后试样的渗层显组织、结构以及表面完整性进行了表征,并对疲劳断口形貌进行了分析。42crmo钢板结果表明:经过WSP预处理后,42CrMo钢获得了更好的氮化效果,疲劳性能得到大幅提升。原因是经WSP预处理后,试样表面细小弥散的氮化物和表层晶粒的细化有利于抑制表面裂纹的萌生与扩展,改变了疲劳裂纹的萌生机制,次表层硬度的提高以及更深的残余压应力影响层推迟了次表层裂纹的萌生,更高的次表层残余压应力抑制了次表层二次裂纹的萌生以及主裂纹的扩展,延长了42CrMo钢渗氮后的接触疲劳寿命,使得失效机理更接近于赫兹理论。
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