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对于大倾覆力矩、重载疲劳和高冲击高磨损的轴承材料,通常采用感应淬火进行表面强化,但存在软带和变形大等问题。而使用激光淬火硬化层深度在1 mm以内,42crmo钢板且横截面硬化层为"月牙形",试样表面各点硬化层分布不均,较浅处易提前发生损坏。
为解决以上问题,利用COMSOL软件模拟激光深层淬火过程温度场时空分布,与常规激光淬火不同,激光深层淬火采用了宽光斑、低速扫描,且辅助用于提高吸光率的涂料,在软件中设定不同激光功率、扫描速度和光斑尺寸,分析得到不同工艺参数下的温度场分布、硬化层形貌和特征尺寸,并在模拟指导下进行实验得到深层硬化层,并探究光斑尺寸对硬化层深度、宽度、均匀性的影响。模拟结果表明,选择适当的激光功率密度和扫描速度进行激光淬火温度场的模拟,可以得到3.6 mm深的硬化层。以此进行光纤耦合半导体激光器淬火实验,实验所得有效硬化层深度为3.7 mm,硬化层平均硬度为774 HV0.3。42crmo钢板将实验所得硬化层形貌和模拟结果进行对比,平均误差为6.5%。模拟结果还表明,在激光功率、光斑面积和扫描速度不变时,改变光斑的宽度,硬化层的宽度与光斑的宽度成正比例,硬化层的深度随光斑宽度增加先增加后减小。随着光斑宽度增加,硬化层分布更加均匀。
利用金相显镜、洛氏硬度计和扫描电镜,对经过预备热处理（退火、淬火、调质）+亚温淬火+高温回火处理（又称临界区淬火+回火）后的42CrMo钢的组织、冲击性能以及断口形貌进行了观察和分析。结果表明,预备热处理为退火处理时,亚温处理后残留的铁素体粗大不均;且在回火索氏体之间分布不均匀;预备热处理为淬火处理和调质处理时,残留的铁素体形态细小,且与回火索氏体均匀分布。采用不同预备热处理时,亚温处理后的硬度差别很小。亚温处理后42CrMo钢的冲击性能均高于常规调质处理后的冲击性能;预备热处理为调质处理时,亚温处理后的冲击功 ,从其断口形貌中可以看出,其起裂区和裂纹纤维扩展区所占比例较退火处理和淬火处理时要大。因此,调质处理更适合作为42CrMo钢的预备处理。
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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。
42crmo钢板具体的研究结果如下:（1）采用电脉冲处理高效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。
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