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为研究42CrMo钢板的冲击动态力学性能及本构模型,进行了冲击动态压缩实验和金相观察.材料表现出强烈的应变率依赖性,同时还得到不同应变率下力学性能差异的主要原因在于冲击动态载荷下的绝热剪切行为.采用热理论,分别考虑热应力和非热应力来解释变形机理,得到了应变率效应的描述.基于此,本文提出含高应变率效应的动态本构模型,通过绝热剪切准则来确定失稳的起始点,并与模型进行耦合.该模型能很好地描述42Cr Mo钢的准静态和冲击动态力学行为,特别是应变硬化效应和应变率效应.
42CrMo钢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、42crmo钢板相结构、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钢板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级疏松等级的渗层。
针对具有不同淬硬层深度42CrMo钢板轴承的许用接触应力大小不同的问题,采用线性回归法建立 变形量与 接触应力之间的线性方程,计算许用接触应力。通过试验分析了套圈淬硬层深度对轴承许用接触应力的影响。结果表明,当淬硬层深度不大于6 mm时,许用接触应力随淬硬层深度的增大而增大。
以常用齿轮钢42CrMo钢板为研究材料,采用不同空气流量对其进行离子氮氧共渗,并与传统离子渗氮进行对比。利用光学显镜、XRD和电化学工作站对渗层的显组织、物相和耐蚀性进行了测试和分析。研究结果表明,在550℃+4h相同温度和时间条件下,离子氮氧共渗化合物层比传统离子渗氮渗层厚度增加50%以上,氮化疏松层级别提高到1～2级;同时,离子氮氧共渗后渗层表层形成了一薄层Fe3O4,使耐蚀性得到显著提高,0.3L/min为 空气流量。该研究可为改进42CrMo表面改性工艺方案提供参考。
本文通过对42CrMo钢在N32+N15混合机油、快速淬火油和PAG水溶性淬火介质中的淬火试验,对其机械性能、环保等进行分析对比。试验结果表明,42CrMo钢板在12%PAG水溶性淬火介质中淬火优于在油类冷却剂中淬火,并且具有环保效果。
为了建立适用于冷塑性加工力学性能研究的材料本构模型,提出了一种基于材料观变形机制分析的本构模型建立及其验证方法。以高脆硬性的淬火态42CrMo钢板为例,首先根据材料的化学成分和硬度,运用数值计算方法获取冷塑性变形流动应力数据,然后通过分析流动应力数据特点建立了Z-A （Zerilli-Armstron）修正本构方程, 结合硬度压痕实验结果和有限元仿真对本构方程有效性进行了验证。结果表明,修正后的Z-A本构模型拟合效果好,42crmo钢板相关度较高;硬度压痕实验结果与仿真结果整体误差较小,所建立的本构方程能够准确描述材料的力学行为,可以用于淬火态42CrMo钢冷塑性加工的力学特性研究中。
目的确定42CrMo钢板感应淬火过程的奥氏体相变动力学参数,并验证其可靠性。方法根据不同加热速率下42CrMo钢奥氏体膨胀曲线,基于经典JMAK（Johnson-Mehl-Avrami-Kolmogorov）模型和Kissinger方法,确定了42CrMo钢奥氏体化相变动力学的参数。建立ABAQUS局部移动式感应淬火模型,选取淬火区域加热过程中点的温度变化曲线作为验证奥氏体化模型的对象。‘
基于Scheil法则和JMAK相变动力学模型,采用文中求解得到的奥氏体化参数,采用Matlab对42CrMo连续转变过程离散为每个时间间隔的等温相变并求解,并对照相关学者采用的扩展解析动力学模型和JAMK模型,加以验证。结果根据上述方法,得到的42CrMo奥氏体相变动力学参数为:能Q为2.04×106 J/mol,指前因子lnk0的值取230.78,Avrami指数n取0.427。42crmo钢板将淬火加热过程离散为数量很大的均匀时间间隔,并以求解的动力学模型在每个间隔内进行对应温度条件下奥氏体体积分数的求解并顺次叠加,以模拟得到的奥氏体转变时间和转变温度等作为依据,该模型有良好的表现性。结论对42CrMo非等温且加热速度不恒定的连续奥氏体转变过程,JAMK模型拟合表现良好,采用文中求解的参数组对表面感应淬火的奥氏体转变历程进行仿真预测是可行的。
42CrMo钢蜗轮蜗杆在装配时发现蜗杆表面开裂,通过宏观分析、化学成分分析、淬火表面残余应力测试、观分析、金相检验、能谱分析、硬度测试等方法对蜗杆开裂的原因进行了分析。结果表明:该42CrMo钢板蜗杆表面裂纹为淬火应力裂纹,蜗杆材料中的锰的质量分数偏高以及淬火过程中热应力与组织应力叠加导致蜗杆沿轴线方向开裂。
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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。
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