30Cr3钢形变热处理工艺研究

30Cr3SiNiMoVA(以下简称30Cr3钢)是超高强度合金钢,主要作为某型号发动机壳体(以下简称壳体)材料,传统的工艺方法是壳体先旋压成形,然后整体淬火强化,壳体的最终性能主要靠热处理强化获得。该工艺过程的缺点是壳体经整体淬火后变形较大,尤其对大长径比、薄壁壳体更为突出。通过工艺研究,采用先调质后旋压形变热处理工艺方法,取得了很好的效果,为相似超高强度钢的簿壁细长筒体的精密成型,提供了一种更合理的工艺途径。

30Cr3超高强度钢淬火态激光焊接接头组织及性能分析

为了分析淬火态30Cr3超高强度钢激光焊接接头的微观组织特点、力学性能及断口特征,采用碟式激光发生器和KUKA机器人进行激光自熔焊接,工艺参数为:激光功率4 200 W、焊接速度1.45 m/min、离焦量+5 mm、保护气流量25 L/min。利用光学显微镜、金相显微镜、显微硬度计和拉伸机等对焊接接头进行分析检测。结果表明,在优化的激光焊接工艺下,焊缝成形良好,无裂纹、咬边等缺陷;焊缝区组织为树枝晶状,热影响区组织为粗大的马氏体,部分相变区为回火屈氏体+回火马氏体;显微硬度测试显示焊缝熔池处硬度最高,平均值为589 HV,部分相变区硬度最低,平均值为482 HV;焊接接头的平均抗拉强度为1 727 MPa,达到母材的96.7%,平均延伸率为5.6%;断裂位置集中在热影响区,断裂方式为韧性断裂。试验证明,30Cr3超高强度钢在淬火状态下通过激光焊接可以获得接近母材性能的焊接接头,尽管存在部分相变区的软化现象,但焊接接头的整体力学性能良好,为固体火箭发动机壳体等承压件的制造提供了一种可行的焊接工艺方法。

30Cr3MoV钢热压缩流变应力行为研究

利用Gleeble-3500进行热模拟压缩实验,对低合金钢30Cr3MoV在1 173~1 473 K变形温度以及0.1~10 s-1应变速率条件下的高温流变应力行为进行了研究。通过对真应力-真应变曲线进行分析得到该材料的形变激活能、流变应力本构方程以及峰值应变和峰值应力与变形温度、应变速率之间的关系方程。

奥氏体化温度对30Cr3SiMnNiWMo钢组织性能的影响

试验研究了860～980℃奥氏体化处理对30Cr3SiMnNiWMo钢(%:0.28C、0.74Mn、1.04Si、2.70Cr、1.15Ni、0.45Mo、1.04W、0.07V、0.05Al)组织以及260℃回火后钢的力学性能的影响。结果表明,30Cr3SiMnNiWMo钢860～920℃淬火组织中存在大量M_6C碳化物,对回火钢的韧性不利;950℃淬火后,钢中M_6C碳化物基本溶解,原奥氏体晶粒开始长大,回火后钢的强度降低;30Cr3SiMnNiWMo钢经920℃1h油淬+260℃2h回火可以获得具有少量残余奥氏体和未溶碳化物的板条马氏体组织,并具有优良的强韧性(R_m=1680 MPa,R_p0.2=1330 MPa,A=13%,Z=58.5%,A_(KU)=85 J)。

30Cr3SiMnNiW钢中未溶碳化物的研究

通过扫描电镜(SEM)、透射电镜(TEM)及物理化学相分析等实验手段研究了不同奥氏体化温度处理状态下30Cr3SiMnNiW钢的微观组织。针对高温平衡相的稳定性及其合金成分与温度的关系,采用热力学及固溶度积经验公式进行了计算,结果表明,860～950℃淬火后,马氏体板条束间弥散分布少量未溶M6C相,富集W、Mo、Fe等元素,950℃时完全溶解;完全奥氏体化处理时,由于VC相的固溶度积较大,并未沉淀析出,完全固溶于基体。

30Cr3Si2Mn2NiNb钢中未溶相的热力学计算及分析

采用Thermo-Calc热力学软件模拟了30Cr3Si2Mn2NiNb钢奥氏体化时平衡相的演化规律以及非平衡态相的演化规律,研究了合金元素C,Mo,Nb和V对实验钢中未溶相的影响。通过SEM,XRD对30Cr3Si2Mn2NiNb钢淬火态组织进行实验观察及分析。结果表明：常规奥氏体化处理后,钢中未溶相主要有富Nb的MC相及富Mo的M6C相;当奥氏体化温度高于950℃时,M6C相完全溶解,MC相显著减少;30Cr3Si2Mn2NiNb钢适宜的奥氏体化温度为950~1000℃。计算结果指出,C,Nb抑制MC未溶相的溶解,V,Mo促进MC未溶相的溶解。

形变热处理对30Cr3SiNiMoVA钢组织的影响

为减小热处理导致超高强度钢30Cr3SiNiMoVA壳体变形,提出了形变热处理(调质→成型→中温回火)工艺。发现材料抗拉强度随二次回火温度的升高出现先增加后减小的现象,有必要从微观尺度分析其原因。利用透射电子显微镜研究该材料在调质、变形、中温回火后的微观组织及析出碳化物的结构、形貌、尺寸、位置等。研究发现调质后的组织为回火索氏体,其中铁素体保持板条马氏体形貌,内部有M23C6合金碳化物析出。中温回火后,铁素体板条开始长大合并,M23C6型碳化物迅速长大。大变形产生的畸变及位错促使中温铁素体基体开始析出M6C型高温合金碳化物,随着升高回火温度析出数量增多,产生弥散强化作用。当回火温度超过400℃时,合金碳化物迅速长大,弥散效果减弱导致材料强度急剧下降。

回火温度对30Cr3SiNiMoV钢组织和性能的影响

通过拉伸、冲击和断裂韧性等力学试验方法以及扫描电镜对低合金超高强度钢30Cr3SiNiMoV的力学性能和组织进行了研究,并采用热力学平衡计算(Thermo-Calc软件)方法,得到该钢的平衡相图。结果表明:在实验条件下,随回火温度的升高,30Cr3SiNiMoV钢的抗拉强度和屈服强度逐渐升高,达到最大值后又逐渐降低;而冲击韧度随温度的升高总体上呈现下降的趋势,冲击断口形貌随回火温度的升高逐渐由韧窝型断口向准解理型断口过渡;30Cr3SiNiMoV钢最佳的回火温度为240℃。

热处理对30Cr3MoV钢力学性能的影响

研究了热处理工艺参数对30Cr3MoV钢力学性能的影响规律。结果表明:30Cr3MoV钢在940~1180℃油冷淬火,开始时硬度逐渐增大,并在1060℃时达到最大值51.1 HR(,之后逐渐减小。试验钢在400~660℃空冷回火,开始时硬度稍有增大,并在500℃时达到最大值47.7 HRC,之后迅速减小。在940℃油冷淬火+600℃空冷回火的力学性能得到很大程度改善,相比H13芯棒钢,30Cr3MoV钢的屈服强度和抗拉强度分别提高261 MPa和198 MPa,冲击韧度提高9 J/cm^2,伸长率和断面收缩率相应提高4%和14%。

激光清洗对30Cr3超高强度钢表面及焊接质量的影响

为了研究激光清洗预处理对30Cr3超高强度钢焊接质量的影响,通过扫描电镜分别对清洗前后的表面形貌、元素组成及基体组织进行对比观察。结果表明,合适的激光清洗工艺可有效去除30Cr3超高强度钢待焊表面氧化层,使表面更加光滑平整,且不损伤基体材料。将激光清洗后的试验件进行电子束焊接,焊后观察其焊缝表面成形良好,无咬边、凹陷等缺陷,焊缝内部质量及力学性能均能达到要求。将焊接接头制成金相试片观察其显微组织形貌,激光清洗预处理后的焊接接头在低倍扫描电镜下焊缝成形饱满,没有出现裂纹、咬边等缺陷;通过高倍扫描电镜观察焊缝中心区域晶粒细小均匀。因此,30Cr3超高强度钢焊前采用激光清洗进行预处理可以有效清除待焊表面污染层,且焊接质量满足要求。

高温均质工艺改善30Cr3MoV芯棒材料的冲击韧性

为降低材料成本,研发出一种经济型低合金空心芯棒用钢30Cr3MoV,研究了高温均质化对30Cr3MoV钢液析碳化物及冲击韧性的影响。结果表明,通过高温均质化处理有效地消除了钢中液析碳化物VC,提高芯棒冲击韧性,合理的高温均质化温度为1 230℃,同时芯棒横纵比提高了约0.18,等向性能大大提高。

基于满意度函数的强力旋压壁厚偏差稳健设计优化

为提高强力旋压筒体成形质量的稳定性、得到整体尺寸精度更稳定的旋压筒体,在Simufact.forming有限元软件中进行强力旋压数值模拟,选择30Cr3高强度钢作为旋压材料,筛选优化工艺参数为减薄率、进给速率与轴向错距,并以旋压筒体壁厚偏差为优化目标。通过引入熵权理论对传统的双响应曲面进行改进,设计了一种更优的满意度函数对强力旋压筒体壁厚偏差进行稳健优化设计。应用GRG法对得到的满意度函数进行求解,得到壁厚稳定的强力旋压优化参数。结果表明:减薄率为57.8%、进给速率为1.232 mm·s^(-1)、轴向错距为3.57 mm时,得到的旋压筒体壁厚偏差均值为0.051 mm、标准差为0.0172 mm,得到的满意度函数值为0.8218,此时旋压筒体的壁厚更接近名义值,整体壁厚也更均匀。在对有限元仿真的试验验证中,其相对误差较小、可靠性表现良好,对旋压成形工艺有较大的指导意义。