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通過(guò)激光沖擊強(qiáng)化對(duì)42CrMo鋼板中碳合金鋼進(jìn)行了表面強(qiáng)化處理。采用顯組織觀察、硬度測(cè)試、摩擦磨損實(shí)驗(yàn)研究了不同脈沖能量的激光沖擊強(qiáng)化處理對(duì)42CrMo鋼組織和性能的影響。結(jié)果表明:未經(jīng)激光沖擊強(qiáng)化的42CrMo鋼組織中鐵素體均勻連續(xù),珠光體片層間鐵素體較為明顯。隨著激光沖擊強(qiáng)化輸出能量的增加,組織中鐵素體越來(lái)越分散,珠光體片層組織越來(lái)越不明顯,激光沖擊強(qiáng)化后42CrMo鋼中有大量位錯(cuò)、亞晶出現(xiàn)。在32～36 J的脈沖能量范圍內(nèi),激光沖擊強(qiáng)化的該鋼的表面硬度和耐磨性顯著提高,并在表面形成了厚度0.75 mm的硬化層。激光沖擊強(qiáng)化沖擊能量越高,42CrMo鋼硬度越高,耐磨性越好。
目的探究二次噴丸工藝參數(shù)對(duì)42CrMo鋼零件表面完整性的影響規(guī)律。方法建立三維隨機(jī)噴丸有限元模型,并通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證有限元模型預(yù)測(cè)殘余應(yīng)力的準(zhǔn)確性。將一次噴丸后零件的表面形貌和應(yīng)力應(yīng)變結(jié)果作為初始狀態(tài)導(dǎo)入到二次噴丸模型中,構(gòu)建出二次噴丸預(yù)測(cè)模型。分析二次噴丸參數(shù)對(duì)42CrMo鋼零件表面殘余應(yīng)力場(chǎng)、表面粗糙度以及等效塑性形變場(chǎng)的影響情況。
結(jié)果二次噴丸后,42CrMo鋼板零件近表層（0～100μm）的殘余壓應(yīng)力值均比初始狀態(tài)有所增加。增加二次噴丸覆蓋率對(duì)表面殘余應(yīng)力的作用為明顯, 可比初始狀態(tài)提高63.3%,而增加二次噴丸直徑對(duì)殘余應(yīng)力的改善效果42crmo鋼板不明顯。過(guò)度增加二次噴丸速度會(huì)導(dǎo)致表面粗糙度明顯增加,提高二次噴丸覆蓋率可顯著降低表面粗糙度,覆蓋率為300%時(shí),粗糙度比初始狀態(tài)減小了14.4%。表層PEEQ值隨著二次噴丸速度、彈丸直徑和覆蓋率的增加而增加,但當(dāng)二次噴丸速度、彈丸直徑和覆蓋率增加到一定程度后,表層PEEQ值會(huì)趨于飽和。
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基于深冷處理提供的溫度場(chǎng)和永磁體提供的勻強(qiáng)磁場(chǎng),對(duì)42CrMo鋼板合金鋼進(jìn)行磁場(chǎng)深冷處理,并與常規(guī)工藝和深冷處理工藝進(jìn)行了對(duì)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(guò)飽和馬氏體析出大量碳生成碳化物;深冷處理中磁場(chǎng)的存在對(duì)α-Fe晶格的作用使過(guò)飽和馬氏體析出碳的方向得到優(yōu)化,回火屈氏體在磁場(chǎng)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(guò)程中的溫度變化,采用硬度檢測(cè)和顯組織分析對(duì)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(duì)42CrMo鋼激光淬火過(guò)程中溫度場(chǎng)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(guò)設(shè)定激光工藝參數(shù)模擬試樣的溫度場(chǎng)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(duì)42CrMo鋼進(jìn)行激光淬火實(shí)驗(yàn),用熱電偶測(cè)溫儀對(duì)試樣測(cè)溫并與模擬的溫度歷史曲線進(jìn)行對(duì)比,用光學(xué)顯鏡對(duì)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(cè)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。
42crmo鋼板具體的研究結(jié)果如下:（1）采用電脈沖處理地實(shí)現(xiàn)了鋼材的晶粒細(xì)化,明確了脈沖電流誘導(dǎo)晶粒細(xì)化的具體機(jī)理。瞬時(shí)的高能量輸入顯著降低了奧氏體相變能障,極大地提高了奧氏體的形核率,短時(shí)間的作用以及隨后快速的水冷處理抑制了奧氏體晶粒的長(zhǎng)大。電脈沖處理后,淬火態(tài)42CrMo鋼的晶粒細(xì)化了56.3%,固溶態(tài)T250鋼的晶粒尺寸下降了74.6%。
（2）揭示出電脈沖處理提高鋼材中殘余奧氏體穩(wěn)定性的具體機(jī)制:i)若處理前鋼材中的合金元素是不均勻分布的,則電脈沖處理的瞬時(shí)性也就決定了處理后的元素?zé)o法充分均勻化,奧氏體穩(wěn)定化元素濃度高的區(qū)域?qū)闅堄鄪W氏體的形成提供足夠的化學(xué)驅(qū)動(dòng)力;ii)晶粒的細(xì)化以及電脈沖處理過(guò)程中界面處大量晶體缺陷的形成,使馬氏體與奧氏體的界面能得到提高,這將使馬氏體的生長(zhǎng)提前停滯,同時(shí)馬氏體轉(zhuǎn)變起始溫度也會(huì)顯著下降;iii)奧氏體向馬氏體轉(zhuǎn)變是一個(gè)體積膨脹的過(guò)程,電脈沖處理過(guò)程中存在的熱壓應(yīng)力可有效地抑制馬氏體轉(zhuǎn)變。
（3）脈沖電流特定的物理場(chǎng)分布及物理效應(yīng)可明顯改變亞結(jié)構(gòu)及第二相的形態(tài)和分布。受熱壓應(yīng)力的影響,原本在高層錯(cuò)能鋼材中難以形成的堆垛層錯(cuò)在電脈沖處理中得以形成,而堆垛層錯(cuò)的形成又為回火態(tài)42CrMo鋼板中超細(xì)珠光體類組織的形成奠定了基礎(chǔ);合金元素貧瘠區(qū)與富集區(qū)之間的應(yīng)力可促進(jìn)孿晶或殘余奧氏體的形成;電子風(fēng)強(qiáng)烈沖擊界面形成大量的晶體缺陷,可使第二相主動(dòng)地浸潤(rùn)晶界,而若使界面處的缺陷得到回復(fù),第二相則被動(dòng)浸潤(rùn)其他界面;多個(gè)物理場(chǎng)的重疊可使亞結(jié)構(gòu)的分布具有方向性,如42CrMo鋼中沿電流方向分布的位錯(cuò)、T250鋼中沿電流方向分布的Ni3（Ti,Al）團(tuán)簇;電遷移效應(yīng)可促進(jìn)位錯(cuò)形成具有小角度取向差的亞晶界。
（4）研究發(fā)現(xiàn)脈沖電流對(duì)優(yōu)滑移系上原子或位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的促進(jìn)42crmo鋼板,可使沿電流方向的特定取向強(qiáng)度增強(qiáng),形成了沿電流方向（ED）的織構(gòu)。如固溶態(tài)T250鋼中{112}//ED織構(gòu)、TS+EPA態(tài)T250鋼中殘余奧氏體{111}//ED及EPS+EPA態(tài)T250鋼中小角度{110}//ED織構(gòu)的形成。
