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连接柴油机凸轮轴与正时齿轮的42CrMo钢板螺栓在试机过程中断裂。对断裂螺栓进行了宏观检验、化学成分分析、硬度测定、金相检验和能谱分析。结果表明:螺栓的化学成分、显组织和硬度均正常,但氧化物夹杂的含量较高,且 直径达350μm,大大降低了螺栓的有效承载面积,导致其断裂。
为调控离子渗氮渗层特性,获得少脆性化合物层、厚韧性扩散层的渗氮层,提高离子渗氮渗层抗冲击性和重载下的耐磨性,对42CrMo钢板进行了添加量钛的创新离子渗氮处理。利用光学显镜、SEM、XRD和显硬度计对渗层的截面显组织、表面形貌和成分、物相和截面硬度进行了测试和分析。结果表明:添加量钛离子渗氮可显著改善渗层特性,获得少化合物层的高硬高韧渗氮层,同时显著提高离子渗氮效率。
在540℃×4h工艺条件下,添加量钛可使离子渗氮有效硬化层厚度显著增加,由常规离子渗氮的225μm增加到380μm,即渗氮效率提高近70%;有效硬化层厚度提高的情况下,化合物层厚度反而减薄,由常规离子渗氮的19μm降低到10μm,即化合物层厚度降低了约50%;渗层中化合物层与有效硬化层之比值由常规离子渗氮的8.5%降低到2.6%。同时添加量钛离子渗氮渗层中形成了高硬度强化相Ti N,使渗层表面硬度由703HV0.05提高至895HV0.05。42crmo钢板添加量钛离子渗氮获得了薄化合物层、高硬高韧、厚有效硬化层的优良渗氮层特性,该渗层特性对改善离子渗氮零部件抗冲击性和重载下的耐磨性具有重要研究和应用价值。
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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