42crmo鋼板先進(jìn)高強(qiáng)度鋼憑借其優(yōu)異的力學(xué)性能、良好的成型性能以及較低的制造成本,在汽車制造、軍工以及航天等領(lǐng)域有著十分廣闊的應(yīng)用前景?？v觀 代到第三代先進(jìn)高強(qiáng)鋼的發(fā)展歷程,以“復(fù)相、多尺度”為基礎(chǔ)的調(diào)控理論研制具有“亞穩(wěn)相、超細(xì)晶基體”等特點(diǎn)的超級鋼逐漸受到青睞。現(xiàn)今,在輕量化和智能制造等一些列工業(yè)背景下,如何更快速且低能耗地開發(fā)更輕質(zhì)、高性能的鋼材也成為了材料加工領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。
高能瞬時(shí)電脈沖處理,自電致塑性效應(yīng)被發(fā)現(xiàn)以來,就備受材料研究人員的關(guān)注。42crmo鋼板近些年來,伴隨著對非平衡固態(tài)相變機(jī)理、多物理場作用下觀結(jié)構(gòu)的演變規(guī)律以及相應(yīng)伴生現(xiàn)象的深入研究,電致強(qiáng)化這一概念也逐漸受到重視,電脈沖處理在鋼鐵材料的強(qiáng)韌化等方面也實(shí)現(xiàn)了一定程度的工程化應(yīng)用。此外,基于電子風(fēng)沖擊、電遷移效應(yīng)對快速相變以及再結(jié)晶的影響,采用脈沖電流對鋼材進(jìn)行細(xì)化及強(qiáng)韌化處理完全符合第三代先進(jìn)高強(qiáng)鋼的開發(fā)宗旨和組織性能要求特點(diǎn)。但以往的工作多集中在對電脈沖處理誘發(fā)的組織細(xì)化以及強(qiáng)塑性同時(shí)等方面的淺層研究,而缺乏對位錯(cuò)組態(tài)、界面遷移、晶體取向以及析出行為等方向的實(shí)質(zhì)性深入探索。因此,研究脈沖電流作用下鋼材的亞結(jié)構(gòu)演化及強(qiáng)韌化機(jī)理,對進(jìn)一步豐富和完善鋼的非平衡相變理論以及開發(fā)新型的強(qiáng)韌化工藝有著重要的實(shí)際意義。
本文采用高能瞬時(shí)電脈沖處理對兩種強(qiáng)化類型完全不同的鋼材（42CrMo鋼板及T250鋼）進(jìn)行了增強(qiáng)、增韌處理。同時(shí),結(jié)合相應(yīng)的傳統(tǒng)熱處理,規(guī)律性地研究了脈沖電流對不同鋼材顯組織及亞結(jié)構(gòu)的影響、定量地分析了脈沖電流作用下鋼材的強(qiáng)韌化機(jī)理、歸納概括了不同處理方式對鋼材具體作用機(jī)制的差異。
。在激光功率密度不變時(shí),隨著垂直于掃描方向上的光斑寬度增加,硬化層寬度呈正比例增加,硬化層深度則先增后減,距離硬化層中心深處相同距離點(diǎn)的曲率則逐漸減少。結(jié)論通過優(yōu)化激光淬火工藝參數(shù),控制激光淬火的熱傳導(dǎo)時(shí)間和深度方向的溫度梯度分布,可以在表面不熔化的前提下,獲得較深的硬化層。光斑尺寸對42CrMo鋼板激光深層淬火硬化層深度和硬化層均勻性有較大影響,選擇較大的光斑寬度可以得到更為均勻的硬化層。
本文對實(shí)驗(yàn)用鋼42CrMo進(jìn)行了成分測定、熱處理工藝設(shè)計(jì)、組織表征、性能檢測與分析等研究。采用Jmat-pro軟件模擬了42CrMo鋼的冷卻轉(zhuǎn)變過程,并實(shí)測了實(shí)驗(yàn)用鋼的連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變曲線和等溫轉(zhuǎn)變曲線,利用OM、SEM、硬度測量等手段分析了不同冷卻速度和等溫溫度下的組織及特征,特別是貝氏體轉(zhuǎn)變區(qū)間、類型、特征和含量等與硬度的關(guān)系,通過熱處理工藝設(shè)計(jì)調(diào)控組織,建立了觀組織與硬度、韌性和耐磨性等之間的關(guān)系。42CrMo鋼板的連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變曲線CCT圖表明,Ac1為743℃,Ac3為792℃,在實(shí)驗(yàn)的冷速范圍內(nèi),存在有先共析鐵素體、珠光體、貝氏體和馬氏體四個(gè)轉(zhuǎn)變區(qū);冷速大于3℃/s,獲得羽毛狀上貝和針片狀下貝為主的復(fù)相組織,隨冷速增加,組織中馬氏體含量增加,混合貝氏體相中上貝氏體量減少,硬度呈上升趨勢,冷速20℃/s,獲得馬氏體基體+（3%5%）下貝氏體的復(fù)相組織。
等溫轉(zhuǎn)變曲線TTT圖表明,在410℃500℃區(qū)間等溫將發(fā)生上貝氏體轉(zhuǎn)變,組織為羽毛狀特征為主,下貝氏體轉(zhuǎn)變的等溫溫度介于310℃410℃之間,組織為針片狀貝氏體+板條狀馬氏體的復(fù)相組織,隨等溫溫度降低,馬氏體含量增加;在560℃-590℃之間等溫出現(xiàn)的大量針狀魏氏組織,與實(shí)驗(yàn)材料組織不均,晶粒粗大有關(guān)。42crmo鋼板調(diào)質(zhì)熱處理工藝實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,淬火加熱溫度840℃,采用18%水基淬火介質(zhì)冷卻,獲得下貝氏體含量約為20.3%的馬/貝復(fù)相組織,經(jīng)560℃回火,其綜合力學(xué)性能達(dá)到良好匹配;等溫?zé)崽幚砉に噷?shí)驗(yàn)表明,在320℃380℃區(qū)間等溫,
基于深冷處理提供的溫度場和永磁體提供的勻強(qiáng)磁場,對42CrMo鋼板合金鋼進(jìn)行磁場深冷處理,并與常規(guī)工藝和深冷處理工藝進(jìn)行了對比分析。結(jié)果表明:磁冷工藝在深冷處理工藝的基礎(chǔ)上進(jìn)一步提高了42CrMo鋼的耐磨性,磁冷工藝處理材料的耐磨性較常規(guī)工藝和深冷工藝分別提高約26. 7%和22. 2%。
這是由于深冷處理使得殘留奧氏體進(jìn)一步轉(zhuǎn)化為馬氏體;深冷處理也使得過飽和馬氏體析出大量碳生成碳化物;深冷處理中磁場的存在對α-Fe晶格的作用使過飽和馬氏體析出碳的方向得到優(yōu)化,回火屈氏體在磁場方向致密聚集,耐磨性提高。 基于有限元計(jì)算分析了直徑為Φ40 mm的42CrMo鋼圓棒試樣分別使用淬火油和PAG水基液淬火后試樣不同位置的組織、硬度以及淬火過程中的溫度變化,采用硬度檢測和顯組織分析對模擬結(jié)果進(jìn)行了驗(yàn)證。42crmo鋼板結(jié)果表明,當(dāng)使用淬火油淬火時(shí),試樣表面由奧氏體向馬氏體和貝氏體轉(zhuǎn)變,心部由奧氏體向貝氏體轉(zhuǎn)變;當(dāng)使用PAG水基液淬火時(shí),試樣表層幾乎轉(zhuǎn)變成馬氏體,心部轉(zhuǎn)變成馬氏體和貝氏體;試樣經(jīng)淬火油和PAG水基液淬火后,表面硬度分別為58和55 HRC,均由表面至心部硬度逐漸降低,但使用PAG水基液淬火后試樣的心部硬度比用淬火油的高5 HRC,約為50 HRC。
目的提高42CrMo鋼板激光淬火后硬化層的深度和分布均勻性。方法利用COMSOL Multiphysics軟件對42CrMo鋼激光淬火過程中溫度場的演變進(jìn)行分析,且考慮材料的熱物性參數(shù)隨溫度變化。通過設(shè)定激光工藝參數(shù)模擬試樣的溫度場分布,利用馬氏體轉(zhuǎn)變條件得到硬化層形貌尺寸。參照模擬結(jié)果,利用連續(xù)輸出的光纖耦合半導(dǎo)體激光器對42CrMo鋼進(jìn)行激光淬火實(shí)驗(yàn),用熱電偶測溫儀對試樣測溫并與模擬的溫度歷史曲線進(jìn)行對比,用光學(xué)顯鏡對試樣橫截面處硬化層形貌進(jìn)行分析,將實(shí)驗(yàn)所得硬化層形貌與模擬結(jié)果進(jìn)行比較。并在相同的功率密度下,改變光斑的幾何尺寸進(jìn)行模擬,分析并比較硬化層的幾何特征。結(jié)果實(shí)驗(yàn)所測某點(diǎn)的溫度歷史曲線與模擬結(jié)果一致性較高,硬化層實(shí)際形貌與模擬結(jié)果基本吻合。
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