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42crmo钢板先进高强度钢凭借其优异的力学性能、良好的成型性能以及较低的制造成本,在汽车制造、军工以及航天等领域有着十分广阔的应用前景。纵观 代到第三代先进高强钢的发展历程,以“复相、多尺度”为基础的调控理论研制具有“亚稳相、超细晶基体”等特点的超级钢逐渐受到青睐。现今,在轻量化和智能制造等一些列工业背景下,如何更快速高效且低能耗地开发更轻质、高性能的钢材也成为了材料加工领域的研究热点。
高能瞬时电脉冲处理,自电致塑性效应被发现以来,就备受材料研究人员的关注。42crmo钢板近些年来,伴随着对非平衡固态相变机理、多物理场作用下观结构的演变规律以及相应伴生现象的深入研究,电致强化这一概念也逐渐受到重视,电脉冲处理在钢铁材料的强韧化等方面也实现了一定程度的工程化应用。此外,基于电子风冲击、电迁移效应对快速相变以及再结晶的影响,采用脉冲电流对钢材进行细化及强韧化处理完全符合第三代先进高强钢的开发宗旨和组织性能要求特点。但以往的工作多集中在对电脉冲处理诱发的组织细化以及强塑性同时提升等方面的浅层研究,而缺乏对位错组态、界面迁移、晶体取向以及析出行为等方向的实质性深入探索。因此,研究脉冲电流作用下钢材的亚结构演化及强韧化机理,对进一步丰富和完善钢的非平衡相变理论以及开发新型的强韧化工艺有着重要的实际意义。
本文采用高能瞬时电脉冲处理对两种强化类型完全不同的钢材（42CrMo钢板及T250钢）进行了增强、增韧处理。同时,结合相应的传统热处理,规律性地研究了脉冲电流对不同钢材显组织及亚结构的影响、定量地分析了脉冲电流作用下钢材的强韧化机理、归纳概括了不同处理方式对钢材具体作用机制的差异。
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对磨煤机减速机齿轮进行失效分析,结果表明:齿轮齿根弯曲疲劳强度不足,轮齿断裂属于多次累积损伤产生的疲劳断裂42crmo钢板,而且齿轮内部不仅存在魏氏体组织,还存在较大的偏析区,因而在材料内部产生较大的组织应力,该组织应力与工作应力叠加,容易诱发裂纹的形成及扩展.分析结果还发现齿轮表面并没有经过表面热处理,表面硬度未达到设计要求.
利用激光熔覆技术在42CrMo钢板表面制备了Stellite-6钴基涂层,然后在不同的温度下对涂层进行热处理,探究了热处理温度对涂层显组织、硬度、耐蚀性和摩擦学性能的影响。结果表明:热处理能有效减小涂层内部的残余应力,消除裂纹、孔洞等缺陷;在900℃下进行热处理后,FCC结构的钴演变为HCP结构的钴,亚稳态M7C3型碳化物演变为稳态M23C6型碳化物;经过900℃×1 h的热处理后,涂层的近表面硬度是未热处理涂层的1.5倍,
约为1300 HV;未热处理涂层的摩擦因数为0.42,磨损机理主要表现为塑性变形、犁沟及脆性剥落;热处理后,涂层的摩擦因数降至0.29,磨损机理主要为磨粒磨损和黏着磨损;热处理后生成的稳态M23C6型碳化物具有强化合金、提升涂层力学性能的作用;未热处理涂层与热处理涂层的自腐蚀电流密度均约为3.3×10-3 A·cm-2,自腐蚀电位均在-0.29 V左右,单个容抗弧特征近乎重合。热处理过程中发生的再结晶和晶粒尺寸变化、马氏体相变对钴基涂层耐蚀性的影响不大。
制造水平的不断提升,对复杂精密的机械装备、零件的品质要求也越来越高,而塑性加工技术和热处理技术作为材料成型及改善材料性能的关键手段,在制造加工工业中发挥着关键性作用。42crmo钢板材料处理过程中,材料的最终性能受多方面因素的影响,如塑性加工过程中的加载速度、几何形状、摩擦与接触条件,热处理过程中的温度分布、组织分布和应力分布等,如果仅通过试验来摸索设计工艺参数,费时费力,无法满足实际生产需求。现阶段,可以通过计算机进行塑性加工和热处理过程的数值模拟,辅助工艺设计和工艺优化,缩短研发周期,提高产品质量,降低成本。因此,研究如何提高数值模拟的准确性具有十分重要的意义。
用同轴送粉的方式在42CrMo钢板表面激光熔覆Fe-WC合金粉末,通过扫描电镜、光学显镜、能谱仪观察分析熔覆层的显组织特征、WC陶瓷颗粒对熔覆层组织性能的影响、WC陶瓷颗粒分布特征及WC周围块状共晶物的组成成分;用显硬度计、摩擦磨损试验仪、高精度电子天平测量基体与熔覆层的性能及质量损失,分析了引起性能曲线变化的原因。结果表明,熔覆层底部到顶部的组织变化为平面晶、晶界明显的胞状晶、交错生长的柱状树枝晶、排列紧密的胞状晶、方向均一的柱状树枝晶; WC陶瓷颗粒具有细化枝晶、阻断枝晶生长,增强熔覆层性能的能力; WC陶瓷颗粒在熔覆层中聚集分布,形成较宽的陶瓷带; WC陶瓷颗粒周围的块状共晶物是由WC部分分解得到的,其组成元素包括C、W、Fe、P、Cr。熔覆层平均硬度达到850 HV0.3,是基体平均硬度的3.4倍。摩擦因数为0.275左右,比基体小0.525。基体的质量损失是熔覆层的11倍多。说明Fe-WC合金熔覆层能够有效提升基体的硬度及其抗磨损能力。
在42CrMo钢板基础成分中配合添加Al-Ti和Al-B元素,通过末端淬火实验和截面硬度实验对比分析3种42CrMo钢淬透性的差异,并通过OM、SEM等手段观察晶粒形貌以及不同部位淬火后显组织,利用三维原子探针（3DAP）分析元素分布,通过常规力学性能实验检测其常温拉伸和低温冲击性能。结果表明,AlTi、Al-B的添加均使42CrMo钢淬透性提高,Al-B钢增加淬透性作用更大,淬火后距淬火端25 mm处的硬度增加6 HRC,直径42、48和56 mm截面的心部硬度分别增加7、10和14 HRC,并且使钢的抗拉强度Rm≥1200 MPa,-40℃下冲击吸收功KV2≥27 J,力学性能满足低温环境下螺栓用钢的使用要求。42crmo钢板通过化学相分析实验和TTT曲线测定,表明Al-Ti配合添加,Ti发挥固氮作用形成TiN,使Al固溶于铁素体中,抑制贝氏体产生;Al-B配合添加,一部分Al发挥固氮作用,另外一部分Al与B共同固溶于钢中,
42crmo钢板具体的研究结果如下:（1）采用电脉冲处理高效地实现了钢材的晶粒细化,明确了脉冲电流诱导晶粒细化的具体机理。瞬时的高能量输入显著降低了奥氏体相变能障,极大地提高了奥氏体的形核率,短时间的作用以及随后快速的水冷处理抑制了奥氏体晶粒的长大。电脉冲处理后,淬火态42CrMo钢的晶粒细化了56.3%,固溶态T250钢的晶粒尺寸下降了74.6%。
（2）揭示出电脉冲处理提高钢材中残余奥氏体稳定性的具体机制:i)若处理前钢材中的合金元素是不均匀分布的,则电脉冲处理的瞬时性也就决定了处理后的元素无法充分均匀化,奥氏体稳定化元素浓度高的区域将为残余奥氏体的形成提供足够的化学驱动力;ii)晶粒的细化以及电脉冲处理过程中界面处大量晶体缺陷的形成,使马氏体与奥氏体的界面能得到提高,这将使马氏体的生长提前停滞,同时马氏体转变起始温度也会显著下降;iii)奥氏体向马氏体转变是一个体积膨胀的过程,电脉冲处理过程中存在的热压应力可有效地抑制马氏体转变。
（3）脉冲电流特定的物理场分布及物理效应可明显改变亚结构及第二相的形态和分布。受热压应力的影响,原本在高层错能钢材中难以形成的堆垛层错在电脉冲处理中得以形成,而堆垛层错的形成又为回火态42CrMo钢板中超细珠光体类组织的形成奠定了基础;合金元素贫瘠区与富集区之间的应力可促进孪晶或残余奥氏体的形成;电子风强烈冲击界面形成大量的晶体缺陷,可使第二相主动地浸润晶界,而若使界面处的缺陷得到回复,第二相则被动浸润其他界面;多个物理场的重叠可使亚结构的分布具有方向性,如42CrMo钢中沿电流方向分布的位错、T250钢中沿电流方向分布的Ni3（Ti,Al）团簇;电迁移效应可促进位错形成具有小角度取向差的亚晶界。
（4）研究发现脉冲电流对优滑移系上原子或位错运动的促进42crmo钢板,可使沿电流方向的特定取向强度增强,形成了沿电流方向（ED）的织构。如固溶态T250钢中{112}//ED织构、TS+EPA态T250钢中残余奥氏体{111}//ED及EPS+EPA态T250钢中小角度{110}//ED织构的形成。
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