40CrNi2MoE钢挤压工艺的动态再结晶动力学模型分析

为明确40CrNi2MoE钢在挤压工艺下的动态再结晶状态和高温流变特征,研究对该材料实施高温挤压处理,并通过台式场发射电镜和电液伺服动态疲劳试验机对其应变状况和结晶状态进行观测。在获得40CrNi2MoE钢应力-应变曲线的基础上,基于Arrhenius函数建立该材料的热变形方程,发现其热变形激活能Q为343.887 kJ/mol,当应变速率在0.1~10 s^(-1)之间且温度达到1 000℃以上时,才能够实现完全动态再结晶。40CrNi2MoE钢的峰值应变:ε_(p)与其Z参数之间的关系为:ε_(p)=0.028lnZ-0.35。以上数据对于40CrNi2MoE钢在加工过程中的组织晶粒细化具有一定的借鉴意义。

40CrNi2MoE钢奥氏体晶粒长大的数学模型

利用金相实验方法,基于实验数据,应用Beck、Hillert、Sellars数学模型研究了40CrNi2MoE钢在加热温度850~1200℃和保温时间30~480 min下的奥氏体晶粒长大规律。结果表明,随加热温度升高和保温时间延长,40CrNi2MoE钢奥氏体晶粒逐渐长大,当加热温度超过1050℃或保温时间超过120 min时,试验钢奥氏体晶粒开始粗化。通过对Beck、Hillert和Sellars 3种晶粒长大数学模型对比分析,Sellars模型对40CrNi2MoE钢的奥氏体晶粒尺寸预测具有较高的精度,其奥氏体晶粒长大模型方程为:当温度为850℃≤T≤1050℃时,D5.49Sellars=7.64×1021texp(-390081/(RT));当温度为1050℃≤T≤1200℃时,D8.13Sellars=8.04×1041texp(-771322/(RT))。

40CrNi2MoE钢的高温塑性变形特征

采用Gleeble-3800型热力模拟试验机,在温度为1 123~1 423K、应变速率为0.01~10 s-1的条件下,对40Cr Ni2Mo E钢进行了高温轴向单道次压缩变形试验,根据压缩试验结果绘制了高温塑性流变曲线,并观察了变形后的显微组织。结果表明：该钢的流变应力和峰值应变随着变形温度的升高和应变速率的降低而减小;在真应变为0.9,应变速率为0.01~10 s-1的条件下,随着应变速率的提高,其发生完全动态再结晶的温度也逐渐升高;当应变速率为10 s-1,变形温度高于1 323 K时,该钢才会发生完全动态再结晶;计算得到40Cr Ni2Mo E钢的热变形激活能为333.726 k J·mol-1,并建立了该钢动态再结晶条件下峰值应变与Zener-Hollomon因子的定量关系以及高温塑性变形本构方程。

冲蚀角度对40CrNi2Mo材料冲蚀磨损性能的影响

采用自主研发的冲蚀磨损试验机对40CrNi2Mo合金钢试样进行冲蚀磨损试验,讨论在不同冲蚀角度下40CrNi2Mo合金钢材料的冲蚀磨损机制,采用电镜分析材料冲蚀磨损后的形貌特征。结果表明:该合金钢的磨损量随冲蚀角度的增大先增大后减小,最后出现小幅回升,最大磨损量出现在30°左右,小角度冲蚀磨损特征表现为微切削,大角度冲蚀磨损特征表现为塑性变形,符合典型的塑性材料的冲蚀磨损规律。

不同强度的40CrNi2Mo钢抗弹性能研究

为了研究抗拉强度对钢板抗弹性能的影响,利用12.7mm穿甲燃烧弹对18mm厚不同抗拉强度的40CrNi2Mo钢板进行抗弹性能测试。观察不同弹速下钢板出现的损伤形貌,弹坑周围裂纹和绝热剪切带的形成位置和数量,评定背面强度极限。分析不同抗拉强度钢板的穿甲机理。结果表明:抗弹性能随着抗拉强度的提高,呈现非单调变化的趋势;抗拉强度在1270MPa以下,钢板出现塑性扩孔破坏,弹坑周围基本不形成绝热剪切带与裂纹;抗拉强度在1270MPa至1700MPa之间,由于绝热剪切带的形成与扩展,钢板损伤形式由塑性扩孔向冲塞破坏转变;抗拉强度超过1700MPa,由于板内裂纹的形成与扩展,钢板出现崩落。

洁净度对40CrNi2Mo钢冲击韧性的影响

通过不同冶炼方法得到了分别含有0.001S%、0.004S%和0.016S%的试验钢,利用定量金相、扫描电镜和能谱分析等方法,获得了夹杂物特征参数,研究了该试验钢的冲击韧性。结果表明,随着硫含量地降低,夹杂物体积分数和尺寸减小,夹杂物间距增加;夹杂物类型和体积分数对高温回火钢板冲击韧性影响较大,对低温回火钢板冲击韧性影响较小;400℃以下回火时,该试验钢的冲击吸收功区别不大;回火温度超过400℃时,随着夹杂物体积百分数地增加,冲击吸收功明显降低。

40CrNi2Mo钢绝热剪切带的微观特征

通过金相显微镜、扫描电子显微镜和透射电子显微镜的观察,对不同回火温度下40CrNi2Mo钢在弹丸侵彻下产生的绝热剪切带的微观特征进行研究。结果表明:此试验条件下的绝热剪切带宽为10～40μm,可分为过渡区和中心区;过渡区为严重形变后拉长的马氏体板条,而中心区发生了相变,形成了细小的等轴晶结构。

回火温度对亚温淬火40CrNi2Mo钢组织和性能的影响

研究了回火温度对原始组织分别为退火态、回火马氏体以及调质态的40CrNi2Mo钢经亚温淬火后的组织和力学性能的影响。结果表明,三种原始组织40CrNi2Mo钢亚温淬火后的强度、硬度、塑性和韧性随回火温度的变化规律一致,且在400℃均出现回火脆性,其中调质态40CrNi2Mo钢经亚温淬火后在400～600℃回火的综合力学性能最好。

调质态40CrNi2Mo钢的低温力学性能

为了确定调质态40CrNi2Mo钢在不同应变速率下的低温力学性能及其相互关系,采用静拉伸、系列冲击及分离式霍普金森压杆试验对40CrNi2Mo钢低温力学性能进行了研究。结果表明,随温度降低,40CrNi2Mo钢静拉伸强度提高,而塑性下降;其韧脆转变温度出现在-40～-51℃。在高速应变条件下,钢的屈服强度和加工硬化指数均随着试验温度的降低而降低;而压缩率主要随应变速率的增大而增加。高速应变产生的绝热剪切效应降低了钢在低温状态下的强度,也促进了冲击韧性的急剧下降。

弹丸倾斜入射时40CrNi2Mo钢抗弹性能研究

为了研究弹丸倾斜入射时抗拉强度对钢板抗弹性能的影响,利用12.7mm穿甲燃烧弹对18mm厚不同抗拉强度的40CrNi2Mo钢板进行抗弹性能测试。观察钢板以不同倾斜角度放置时出现的损伤形貌,评定了安全角,并测量背凸高度,弹坑长度和深度,分析不同抗拉强度钢板在倾斜入射时的穿甲机理。结果表明,安全角随着抗拉强度的升高,呈现非单调变化的趋势。抗拉强度在1470MPa以下的钢板被倾斜击穿时,弹丸动能的大部分消耗在开坑和塑性扩孔阶段,安全角随抗拉强度升高而减小。抗拉强度超过1700MPa的钢板,其击穿弹坑仅有开坑区和冲塞破坏区,安全角再次随着抗拉强度的升高而减小。

40CrNi2Mo钢中厚靶板的抗枪弹行为研究

利用卵形尖头弹丸垂直撞击40CrNi2Mo钢中厚靶板,观察不同弹速下钢板出现的损伤形貌,评定背面强度极限,分析了穿甲机制与抗弹性能的关系。结果表明,抗拉强度小于1 270 MPa时,钢板以塑性扩孔形式穿甲。利用两阶段塑性扩孔模型计算出的钢板塑性扩孔耗能与实验吻合较好。由于强度是影响塑性扩孔耗能的主要因素,因而钢板的抗弹性能随着强度升高而单调递增。强度进一步升高后钢板因产生与绝热剪切相关的损伤而失效,因而抗弹性能下降。

不同洁净度40CrNi2Mo钢抗弹性能研究

为研究洁净度对钢板抗弹性能的影响,用12.7 mm穿甲燃烧弹对厚度为18 mm、抗拉强度为2000 MPa、洁净度不同的40CrNi2Mo钢板进行抗弹性能测试。通过观察不同弹速下钢板出现的损伤形貌,评定背面强度极限,分析穿甲机理。结果表明:高洁净度钢板抗弹性能显著高于低洁净度钢板;高洁净度钢板穿甲机理为脱痂,与洁净度关系较小;超高强度钢板较低的绝热剪切临界失稳应变是产生绝热剪切和裂纹,进而产生脱痂破坏的主要原因,在脱痂破坏前,钢板仍以塑性扩孔方式消耗较多弹丸动能,抗弹性能相对较高;低洁净度钢板穿甲机理为崩落,与洁净度关系较大;较低的平面应变断裂韧度降低临界裂纹尺寸,导致崩落裂纹优先形核和扩展,消耗更低弹丸能量,提前终止了塑性扩孔,因此抗弹性能相对较低。

回火参数对40CrNi2Mo材料性能与组织的影响

研究了不同回火参数对40Cr Ni2Mo钢组织和性能的影响。结果表明,40Cr Ni2Mo钢在850℃淬火后,再经过不同回火参数热处理,组织均为回火索氏体+残余奥氏体+碳化物;并且回火后碳化物的形态和尺寸随回火温度而改变。在其它参数相同的条件下,随着回火参数的增加,40Cr Ni2Mo钢的硬度和强度降低,而冲击功增加。

回火温度对40CrNi2Mo钢力学性能和干摩擦性能的影响

对40CrNi2Mo钢进行200~575℃回火处理,采用X射线衍射仪(XRD)、扫描电镜(SEM)、激光共聚焦扫描显微镜、维氏硬度计、万能试验机和磨损试验机等研究了回火处理后40CrNi2Mo钢微观组织演化对其力学性能和干摩擦性能的影响。结果表明:随着回火温度的升高,40CrNi2Mo钢板条马氏体中固溶的过饱和C原子逐渐析出,微观组织逐渐向粗大的铁素体、球化渗碳体和粗化的碳化物转变;压缩屈服强度、弯曲强度和硬度降低;325℃和425℃回火处理后析出层状渗碳体导致40CrNi2Mo钢的加工硬化能力和冲击韧性先下降后升高;硬度降低导致耐磨性降低,磨损机制由磨粒磨损逐渐向氧化剥层磨损转变。

40CrNi2Mo钢中频淬火后组织和性能的研究

研究了40CrNi2Mo钢经不同工艺热处理后,再对其表面进行中频淬火并测定其组织及性能。结果表明,以调质工艺为基本工艺并对其表面进行中频淬火后,40CrNi2Mo钢表面的组织为均匀细小的马氏体,强度和耐磨性显著提高,心部组织为回火索氏体,并呈弥散分布,塑韧性没有明显下降,从而提高了40CrNi2Mo钢表面的耐磨性、疲劳抗力和承载能力,使40CrNi2Mo钢具有良好的综合力学性能。

热处理工艺对40CrNi2Mo钢性能的影响

采用试验的方法,研究热处理工艺对40CrNi2Mo钢性能的影响。结果表明:通过在快速淬火油中850℃淬火+550℃回火的热处理工艺,40CrNi2Mo钢的组织为均匀回火索氏体,屈服强度大于1100 MPa,平均冲击功大于60 J,达到良好强韧性配合,获得最佳综合性能。

40CrNi2Mo钢阶梯轴残余应力的数值模拟

阶梯轴是离心压缩机的重要零件,如果精加工后残余应力过大或分布不均匀,装配时会弯曲。测定和采用Marc软件模拟了经过调质处理和稳定化处理的40CrNi2Mo钢阶梯轴的残余应力值及其分布。结果表明:实测的与模拟的阶梯轴残余应力值和分布基本一致,即调质的阶梯轴残余应力高达829.7 MPa,经530~560℃稳定化处理后,消除了70%~80%,且分布均匀。这说明,采用Marc软件模拟阶梯轴的残余应力值及其分布是可行的,可用于实际生产。

夹杂物特征参数对40CrNi2Mo钢塑性的影响

用定量金相、扫描电镜和能谱分析等方法获取了用2种工艺冶炼的40CrNi2Mo钢中夹杂物尺寸特征参数,研究了这些参数对钢塑性的影响。结果表明:由于夹杂物的体积分数和尺寸比较小,夹杂物间距的增大,在塑性断裂时由夹杂物形成的微孔洞很难以内颈缩形式聚合,微孔洞间的局部剪切也不容易扩展。由此判断,真空自耗重熔钢的断面收缩率比电渣重熔钢的高。钢中的夹杂物对其均匀延伸率、形变硬化指数和拉伸强度没有影响。

硫、磷晶界偏聚对40CrNi2Mo钢冲击性能的影响

通过不同冶炼方法得到了硫、磷含量有明显差异的40CrNi2Mo钢,研究了硫、磷在钢中的存在和偏聚行为,及其对冲击性能的影响。试验结果显示,硫、磷在晶界发生偏聚,随着钢中硫、磷含量的增加,硫、磷的晶界偏聚量升高。夹杂物对高温回火试验钢冲击吸收能量影响较大,而硫、磷的晶界偏聚是影响低温回火试验钢冲击性能的重要因素。

亚温淬火40CrNi2Mo钢的低温力学性能

研究亚温淬火+高温回火处理40CrNi2Mo钢的低温力学性能。结果表明,随着温度的降低,亚温淬火+高温回火处理的40CrNi2Mo钢强度增加,塑性降低,韧性先降低后出现平台,与常规调质处理相比,亚温淬火+高温回火工艺保证了40CrNi2Mo钢良好的低温力学性能,且具有节能、减少工件畸变和开裂等优点。亚温淬火+高温回火处理与常规调质处理的40CrNi2Mo钢韧脆转变温度(FATT)均为-55℃。