42CrMo鋼板含有Cr、Mo等多種合金化元素,具有優良的綜合力學性能,既具有較高的強度,又具有較好的塑性,在鍛件,特別是大型鍛件領域,有廣泛的應用。本文采用計算機模擬與實驗相結合的方法,構建了 42CrMo鋼較準確的本構模型和材料性能數據庫,并開展了材料變形和熱處理淬火過程的計算機模擬和實驗,模擬結果與實驗結果吻合較好。

   通過熱壓縮實驗,測定了 42CrMo鋼板在不同溫度和應變速率下的應力-應變數據,構建了改進的Johnson-Cook本構模型和應變補償的Arrhenius本構模型,得到了較大應變范圍內較準確的42CrMo鋼的本構方程。擬合了手冊中標準的42CrMo鋼的TTT曲線,獲得了較準確的TTT曲線數據。此外還構建了包含熱導率、比熱容、楊氏模量、泊松比、相變潛熱、膨脹系數等較完善、準確的42CrMo鋼數據庫。以構建的數據庫為基礎,通過DEFORM軟件模擬了 42CrMo鋼在變形溫度為1123 K、應變速率為0.01 s-1條件下的熱壓縮過程,將模擬結果中壓縮后試樣的尺寸數據、Top Die載荷-行程曲線以及計算得出的應力-應變曲線分別與相同實驗條件下實測結果進行對比。結果顯示,載荷-行程曲線和應力-應變曲線在數值大小和變化趨勢上與實驗結果吻合較好,表明選用的應變補償的Arrhenius本構模型能夠比較準確地描述42crmo鋼板的變形行為。

    通過DEFORM軟件模擬了 42CrMo鋼板在1123 K時的末端淬火過程,結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,隨著遠離淬火末端,馬氏體含量逐漸降低,硬度也隨之降低。同時進行了同條件的末端淬火實驗,對淬火后試樣的軸向硬度分布進行了測量,并觀察不同位置組織組成,實驗結果與模擬結果基本一致,這表明文中構建的42CrMo鋼數值模擬數據庫較為準確。可以在此基礎上進行不同幾何形狀、不同變形條件、不同熱處理過程的數值模擬,為實際生產過程的模擬與優化打下了良好的基礎。

用同軸送粉的方式在42CrMo表面激光熔覆Fe-WC合金粉末,通過掃描電鏡、光學顯鏡、能譜儀觀察分析熔覆層的顯組織特征、WC陶瓷顆粒對熔覆層組織性能的影響、WC陶瓷顆粒分布特征及WC周圍塊狀共晶物的組成成分;用顯硬度計、摩擦磨損試驗儀、高精度電子天平測量基體與熔覆層的性能及質量損失,分析了引起性能曲線變化的原因。結果表明,熔覆層底部到頂部的組織變化為平面晶、晶界明顯的胞狀晶、交錯生長的柱狀樹枝晶、42cr鋼板排列緊密的胞狀晶、方向均一的柱狀樹枝晶; WC陶瓷顆粒具有細化枝晶、阻斷枝晶生長,增強熔覆層性能的能力; WC陶瓷顆粒在熔覆層中聚集分布,形成較寬的陶瓷帶; WC陶瓷顆粒周圍的塊狀共晶物是由WC部分分解得到的,其組成元素包括C、W、Fe、P、Cr。熔覆層平均硬度達到850 HV0.3,是基體平均硬度的3.4倍。摩擦因數為0.275左右,比基體小0.525。基體的質量損失是熔覆層的11倍多。說明Fe-WC合金熔覆層能夠有效基體的硬度及其抗磨損能力。

  在42CrMo鋼板的基礎成分上增加Al、Ti元素,通過末端淬火試驗和截面硬度試驗對比分析Al對42CrMo鋼淬透性的影響差異,通過常規力學性能檢測對比其與42CrMo鋼的力學性能差異。結果表明Al、Ti元素添加可進一步提高淬透性,并且使鋼的強度達到1200 MPa級,-40℃下KV2≥27 J,滿足低溫環境下螺栓用鋼的使用要求。采用化學相分析方法,對鋼中析出相進行了定性、定量分析,結果表明Ti在鋼中添加發揮明顯固氮作用,提高了Al元素的固溶量,利用熱膨脹法對比測定試驗鋼的等溫轉變曲線,證明了增加Al含量,降低了奧氏體臨界轉變溫度,使C曲線右移,明顯改善了鋼的淬透性。 

  通過宏觀及觀分析手段對42CrMo鋼板閥體內孔表面裂紋開裂原因進行分析。42crmo鋼板結果表明:鑄造缺陷、非金屬夾雜物含量較多、調質處理溫度過高、保溫時間較長,以致形成粗大珠光體和大量的魏氏組織是造成鍛件開裂的主要原因,應力過大導致了鍛件的開裂。