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(shù)據(jù)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(shù)據(jù),構建了改進的Johnson-Cook本構模型和應變補償?shù)腁rrhenius本構模型,得到了較大應變范圍內(nèi)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(shù)據(jù)。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(shù)等較完善、準確的42CrMo鋼數(shù)據(jù)庫。以構建的數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)、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(shù)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?shù)腁rrhenius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(shù)值模擬數(shù)據(jù)庫較為準確?？梢栽诖嘶A上進行不同幾何形狀、不同變形條件、不同熱處理過程的數(shù)值模擬,為實際生產(chǎn)過程的模擬與優(yōu)化打下了良好的基礎。

42CrMo鋼板齒圈毛坯的淬火通常采用油淬或聚合物水溶液淬火來避免淬火的開裂,但油淬或聚合物水溶液淬火導致嚴重的環(huán)境污染。改用水淬不僅可滿足綠色環(huán)保的要求而且可降低成本,但極易產(chǎn)生開裂。針對上述問題,本研究基于溫度場、組織場和應力場的有限元模擬,獲得優(yōu)化的水-空交替控時淬火冷卻（ATQ）工藝,成功應用于大直徑（ф1970 mm）的42CrMo鋼齒圈毛坯的淬火冷卻。結果表明:采用ATQ工藝處理42CrMo鋼齒圈毛坯,不僅回火后的力學性能高于性能指標要求,而且有效避免了淬火開裂。 

  對42CrMo鋼板軋制工藝參數(shù)進行了的優(yōu)化,研究了不同加熱、軋制溫度的42CrMo鋼棒材組織及布氏硬度變化規(guī)律。結果表明,通過控制加熱、均熱段溫度和終軋溫度可有效控制熱軋態(tài)42CrMo鋼棒材組織及布氏硬度;42CrMo鋼棒材開裂原因主要是軋制后產(chǎn)生大量的貝氏體組織,且沿棒材橫斷面分布不均勻,由邊部到心部的貝氏體含量減小,布氏硬度則由大變小。熱軋鋼布氏硬度≤260HBW時可避免在棒材剪切下料過程開裂、掉塊現(xiàn)象。 

   利用高壓水射流噴丸技術（WSP）和真空脈沖等離子氮化技術,研究了水射流噴丸預處理對42CrMo鋼等離子氮化后的滾動接觸疲勞性能的影響。采用OM、SEM、TEM、XRD應力測定儀、表面粗糙度儀、顯硬度儀對等離子氮化和復合處理后試樣的滲層顯組織、結構以及表面完整性進行了表征,并對疲勞斷口形貌進行了分析。42crmo鋼板結果表明:經(jīng)過WSP預處理后,42CrMo鋼獲得了更好的氮化效果,疲勞性能得到大幅。原因是經(jīng)WSP預處理后,試樣表面細小彌散的氮化物和表層晶粒的細化有利于抑制表面裂紋的萌生與擴展,改變了疲勞裂紋的萌生機制,次表層硬度的提高以及更深的殘余壓應力影響層推遲了次表層裂紋的萌生,更高的次表層殘余壓應力抑制了次表層二次裂紋的萌生以及主裂紋的擴展,延長了42CrMo鋼滲氮后的接觸疲勞壽命,使得失效機理更接近于赫茲理論。 

利用三維原子探針（3DAP）分析元素分布。結果表明Al-Ti、Al-B的添加均使42CrMo鋼板淬透性提高,Al-B配合添加的42CrMo鋼淬透性 ,直接淬火后截面心部馬氏體組織大于90%;并且使鋼的抗拉強度Rm≥1200MPa,-40℃下沖擊吸收功KV2≥27J,力學性能滿足低溫環(huán)境下12.9級螺栓用鋼的使用要求。

   通過化學相分析實驗和CCT曲線測定,表明Al-Ti配合添加,Ti發(fā)揮固氮作用形成TiN,使Al固溶于鐵素體中,抑制貝氏體產(chǎn)生;Al-B配合添加,當Al的添加含量較高,使得相同溫度下AlN優(yōu)先BN析出,這一部分Al發(fā)揮固氮作用,另外一部分Al與B共同固溶于鋼中,抑制珠光體和鐵素體的轉變,增加實驗鋼在較低的冷速下獲得馬氏體的能力,提高鋼的淬透性。通過3DAP實驗分析鋼中各元素的分布情況,其中Al元素在鋼中彌散分布,抑制C的擴散,從而抑制貝氏體的形成,提高鋼的淬透性。

  采用電弧離子鍍技術在刀具42CrMo鋼板表面沉積制備TiAlSiN涂層,實驗測試分析勵磁電壓對其的組織結構及其摩擦性能的影響。研究結果表明不同電壓制備的TiAlSiN涂層表面形成了大量孔洞。隨著電壓升高后,涂層的粗糙度和厚度明顯增加。所有層都形成了緊密結合狀態(tài),未產(chǎn)生明顯縫隙結構,涂層都形成了具有柱狀結構。當電壓上升后,產(chǎn)生了更多的空隙,導致涂層致密度發(fā)生減小。逐漸提高電壓后,獲得了具備更高顯硬度的涂層,達到了比合金鋼基體更高的硬度。隨著電壓升高,涂層的摩擦系數(shù)和磨損率先降低再升高,到達30 V電壓時達到了小的磨損率。涂層主要發(fā)生了42crmo鋼板磨粒磨損的情況。30 V電壓時形成了更加平整的涂層表面,涂層的組織結構也變得更加致密,顯著提高了耐磨性。