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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。
对磨煤机减速机齿轮进行失效分析,结果表明:齿轮齿根弯曲疲劳强度不足,轮齿断裂属于多次累积损伤产生的疲劳断裂42crmo钢板,而且齿轮内部不仅存在魏氏体组织,还存在较大的偏析区,因而在材料内部产生较大的组织应力,该组织应力与工作应力叠加,容易诱发裂纹的形成及扩展.分析结果还发现齿轮表面并没有经过表面热处理,表面硬度未达到设计要求.
利用激光熔覆技术在42CrMo钢板表面制备了Stellite-6钴基涂层,然后在不同的温度下对涂层进行热处理,探究了热处理温度对涂层显组织、硬度、耐蚀性和摩擦学性能的影响。结果表明:热处理能有效减小涂层内部的残余应力,消除裂纹、孔洞等缺陷;在900℃下进行热处理后,FCC结构的钴演变为HCP结构的钴,亚稳态M7C3型碳化物演变为稳态M23C6型碳化物;经过900℃×1 h的热处理后,涂层的近表面硬度是未热处理涂层的1.5倍,
约为1300 HV;未热处理涂层的摩擦因数为0.42,磨损机理主要表现为塑性变形、犁沟及脆性剥落;热处理后,涂层的摩擦因数降至0.29,磨损机理主要为磨粒磨损和黏着磨损;热处理后生成的稳态M23C6型碳化物具有强化合金、提升涂层力学性能的作用;未热处理涂层与热处理涂层的自腐蚀电流密度均约为3.3×10-3 A·cm-2,自腐蚀电位均在-0.29 V左右,单个容抗弧特征近乎重合。热处理过程中发生的再结晶和晶粒尺寸变化、马氏体相变对钴基涂层耐蚀性的影响不大。
制造水平的不断提升,对复杂精密的机械装备、零件的品质要求也越来越高,而塑性加工技术和热处理技术作为材料成型及改善材料性能的关键手段,在制造加工工业中发挥着关键性作用。42crmo钢板材料处理过程中,材料的最终性能受多方面因素的影响,如塑性加工过程中的加载速度、几何形状、摩擦与接触条件,热处理过程中的温度分布、组织分布和应力分布等,如果仅通过试验来摸索设计工艺参数,费时费力,无法满足实际生产需求。现阶段,可以通过计算机进行塑性加工和热处理过程的数值模拟,辅助工艺设计和工艺优化,缩短研发周期,提高产品质量,降低成本。因此,研究如何提高数值模拟的准确性具有十分重要的意义。
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