为了查找某42CrMo钢板制螺栓断裂失效的原因,采用光学显镜、扫描电镜、电感耦合等离子体光谱仪、碳硫分析仪、硬度计等对断裂件的宏观断口形貌、显组织、硬度和化学成分等进行观察和检测分析。结果表明:螺栓光杆和法兰盘转接圆角处局部过烧和脱碳是引起螺栓断裂的主要原因,使用过程中螺栓光杆和法兰盘转接圆角处的应力集中是导致螺栓断裂的诱发因素。通过严格控制热镦温度,退火气氛,增加毛坯的切削余量,可有效防止过烧及脱碳层在成品零件上出现,避免类似事件的发生。
利用ABAQUS有限元分析软件及二次开发对42CrMo钢板船用曲拐加热和淬火过程进行数值模拟。结果表明:工件分段加热过程中,表面与心部的 温差出现在第二个保温阶段,达到88.6℃;第二阶段保温结束时,工件内外基本无温差,珠光体完全转变为奥氏体。在淬火过程中,曲拐表层形成了一定厚度的马氏体组织,至半马氏体处厚度约为70 mm,其表面马氏体含量的体积分数约为96%;贝氏体主要集中在曲拐的次表层,且其 含量约为56%;曲拐的心部为完全的珠光体组织;残留奥氏体主要集中在曲拐的表层,且其大含量约为4%。
通过使用光纤激光器,激光熔覆镍基复合合金粉末在42CrMo钢表面获得了成形良好的激光熔覆层。采用扫描电子显镜（SEM）、能谱仪（EDS）、X射线衍射（XRD）、显硬度计和磨损试验机研究了熔覆层组织形态、物相、化学成分和显硬度,并对其磨损性能进行了分析。结果表明,激光镍基复合熔覆层的物相主要有γ-Ni、M7C3、M23C6、CrB、Fe6W6C、Mo2FeB2和WC。熔覆层组织主要以胞状晶和胞状树枝晶为主,并有大量的共晶组织。42crmo钢板激光熔覆层的显硬度分布比较均匀,相对基体硬度提高了1.42倍。激光熔覆层的耐磨性是基体的3倍以上,熔覆层的主要磨损机制为磨粒磨损,并伴随着粘着磨损和氧化磨损。
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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