渗碳热处理后18CrNiMo7–6合金钢表面变质层J–C损伤失效参数研究

合金钢在经过渗碳热处理后会在表面形成变质层。在表面变质层内,材料的力学性能沿深度方向发生变化。针对渗碳热处理后的18CrNiMo7-6合金钢的表面变质层,提出了确定Johnson-Cook损伤参数分层测试方法。通过对材料变质层进行分层线切割,得到不同变质层深度下的薄板试样;为获得不同应力三轴度下的拉伸结果,预制了不同断裂方向的拉伸剪切试样,通过试验与仿真相结合的方法,确定了考虑应变累积效应的应力三轴度并测定了材料失效应变与应力三轴度的关系;采用宽脉冲拉伸系统测定了拉伸试样的失效应变与应变率的关系。研究结果表明,同一层材料的失效应变随应力三轴度的增大而减小,在同一应力三轴度水平下,失效应变随层深增大而增大;不同层深处的试样均具有明显的应变率弱化效应,且在同一应变率水平下,失效应变随层深增大而增大;基于测量参数的拉伸过程数值仿真与试验数据的对比验证了所测定参数的准确性。

渗碳工艺对18CrNiMo7-6合金钢缺口件疲劳性能的影响

为分析渗碳工艺对18CrNiMo7-6缺口构件疲劳性能的影响,对应力集中系数Kt=1.86的缺口试样进行渗碳热处理并测定其旋转弯曲疲劳性能,同时对试样表层组织、硬度以及应力场进行了表征。结果表明,渗碳热处理可以明显提升试样表面硬度并引入残余压应力,并且可以显著提升缺口试样的疲劳性能,相较于未渗碳试样疲劳极限提升超过100%;随着有效硬化层深度的增加,缺口试样的疲劳极限均呈现先增后减的趋势。未渗碳试样和渗碳试样的疲劳源均在缺口根部表面处,且均为多源断裂。疲劳过程中渗碳试样表面残余奥氏体在循环应力作用下诱导马氏体相变,其转变量存在一个临界值。

频率及应力比对18CrNiMo7-6合金钢疲劳性能的影响

通过旋转弯曲疲劳试验和轴向疲劳试验方法得到了不同试验条件下的S-N曲线,研究了不加载频率及应力比对18CrNiMo7-6合金钢疲劳性能的影响。使用扫描电镜观察了试样的断裂表面。结果表明:常规加载频率下存在频率效应,并且随加载频率的增加,材料的疲劳强度呈增加趋势,并且屈服强度随应变速率的增大逐渐增大,发现不同加载频率下的断裂机理并无明显差别。在最大应力相同时,随应力比的增大,18CrNiMo7-6合金钢疲劳寿命逐渐增大。利用有限元方法使用BrownMiller模型计算了不同应力比条件下18CrNiMo7-6合金钢的疲劳寿命,计算结果与试验结果匹配较好。

18CrNiMo7-6合金钢的动态本构参数确定

为了弥补18CrNiMo7-6合金钢动态力学性能及动态本构模型研究的不足,采用MTS伺服疲劳试验机、基于DIC的高温拉伸试验系统以及分离式霍普金森压杆(SHPB)装置,获取了该材料在不同应变率、温度下的应力-应变关系。结果表明:18CrNiMo7-6合金钢具有明显的应变率强化效应和温升软化特性。选用Johnson-Cook(J-C)本构模型描述18CrNiMo7-6合金钢的动态力学性能,基于试验数据,标定了该材料的J-C模型参数,并通过SHPB试验的有限元模拟验证了所得参数的可靠性。以应变硬化项和应变率强化项耦合的形式对J-C本构模型进行修正。修正后的模型与试验数据吻合程度更高,可为实际工程中的数值模拟问题提供参考。

基于多晶体模型的18CrNiMo7-6合金钢本构参数确定

近年来考虑材料微结构不均匀性的晶粒几何模型和晶体塑性有限元方法备受关注。为了获得18CrNiMo7-6合金钢的本构参数,基于晶体塑性有限元方法对材料的晶体塑性参数进行了研究,采用晶体率相关硬化模型,基于多晶体有限元方法对晶体的塑性参数进行了敏感性分析,确定了参数变化的范围,并给出了一个代价函数,对有限元仿真结果进行处理,确定了一组最优的塑性参数组合。利用拉伸试验对计算结果进行了校准,结果表明模拟得到的应力-应变曲线和试验曲线吻合得较好,可为后续微结构引起的不均匀应力集中分析提供必要的材料参数,具有重要的实际意义。

16MnR钢堆焊Stellite 6合金钢的焊接工艺

对16MnR钢堆焊Stellite 6合金钢的焊接性进行了分析,根据焊接工艺评定确定出合理的堆焊工艺,解决了实际的堆焊问题。

18CrNiMo7-6合金钢J-C损伤模型失效参数研究

针对高速冲击、机械成型加工等数值模拟中广泛应用的Johnson-Cook(J-C)损伤模型失效参数求取问题,对18CrNiMo7-6合金钢材料开展了3个系列的力学实验。通过缺口试样准静态拉伸实验和有限元模拟,确定了既考虑空间分布效应,又考虑应变累积效应的应力三轴度的计算方法。结果表明:失效应变随应力三轴度的增大而减小;通过10^(-3)、10、10^(3)s^(-1)应变率下的拉伸实验与霍普金森拉杆(SHTB)冲击实验,发现随着应变率的增大,材料屈服强度有所增加,表明了材料有明显的应变率强化效应,并且失效应变随着应变率的增大而增大;在25、200、300、400℃的拉伸实验中发现随着温度的升高,材料屈服强度逐渐降低,但材料的抗拉强度在300℃时要高于200℃下的结果,并且随着温度的升高失效应变逐渐减小。根据上述实验结果拟合得到了J-C损伤模型失效参数,从拟合优度可以看出拟合所得参数的可靠性。最后通过Taylor冲击实验与有限元模拟进行验证,结果表明,当冲击速度为430 m/s时,实验与仿真得到的冲击试样均发生了破坏,并且有限元模拟得到的试样破坏形态与实验结果最大误差为6.3%,结果吻合良好,验证了所选用的J-C损伤模型的合理性以及实验所得参数的有效性。

表面完整性对18CrNiMo7-6合金钢机械性能的影响

关键构件机械性能的影响因素有很多,如表面形貌、表面应力集中以及表面残余应力状态等。对18CrNiMo7-6合金钢同一工艺下的拉伸试样表面形貌和残余应力进行了测量,得到试样表面应力集中系数。通过拉伸试验,研究了表面形貌、应力集中系数和残余应力对18CrNiMo7-6合金钢拉伸试样机械性能的影响。试验结果表明:随着表面粗糙度、表面应力集中系数的增大,试样的屈服强度和抗拉强度降低;残余拉应力对试样的屈服强度影响不大。通过有限元ANSYS软件仿真分析,得到了拉伸试样的应力-应变曲线,仿真结果表明:残余应力并不影响材料的拉伸应力-应变曲线和机械性能。

18CrNiMo7-6合金钢Zerilli-Armstrong本构模型的建立及修正

采用Gleeble-3500热模拟试验机在应变速率为0.001~1s^(-1)、变形温度为700~1000℃的条件下,对18CrNiMo7-6合金钢实施等温压缩试验,获得18CrNiMo7-6合金钢在不同条件下的真实应力-真实应变曲线,分析其热变形行为。构建了18CrNiMo7-6合金钢的Zerilli-Armstrong(Z-A)本构模型,描述其热变形行为。通过对比分析Z-A本构模型的预测值与等温压缩试验的试验值发现,预测值与试验值的线性相关系数为0.9750,平均相对误差为8.1792%。为了进一步提高模型的预测精度,采用应变的5阶多项式描述Z-A本构模型中与应变有关的材料参数,实现对模型的修正,修正后的Z-A本构模型的预测值与试验值的线性相关系数为0.9853,平均相对误差为5.5358%,有效提高了本构模型的预测精度。

18CrNiMo7-6渗碳合金钢电解抛光参数研究

为提高18CrNiMo7-6渗碳合金钢表面变质层的电解抛光加工质量,开展18CrNiMo7-6渗碳合金钢表面变质层不同渗碳层深度下的电解抛光工艺分析与试验。结果表明,选择浓磷酸与浓硫酸混合溶液作为电解液,温度为40~45℃,首先研究18CrNiMo7-6渗碳合金钢表层试样在不同抛光电压、抛光电流及抛光时间工艺参数下电解抛光后的表面质量,得到18CrNiMo7-6渗碳合金钢表层的最佳电解抛光参数为10 V、1.8~1.9 A、70 s;再对得到的表层最佳参数进行微调,得到不同渗碳深度下试样的最佳电解抛光参数,次表层电解抛光参数为10 V、1.6~1.7 A、65 s,心部电解抛光参数为10 V、1.5~1.6A、60 s。

18CrNiMo7-6合金钢表面变质层循环特性

为了研究18CrNiMo7-6合金钢表面变质层在循环加载作用下的本构特性,对18CrNiMo7-6合金钢进行了渗碳热处理,通过化学腐蚀得到不同表面变质层厚度的圆棒试样,并分别进行单调拉伸试验和循环加载试验分析其力学性能、滞回性能、耗能能力及微观组织的区别。对不同表面变质层厚度18CrNiMo7-6合金钢在循环加载作用下的骨架曲线进行拟合,研究其与单调拉伸作用下的力学性能区别。基于Chaboche循环本构模型标定了不同表面变质层厚度试样在循环加载作用下的循环本构参数,并通过有限元软件ABAQUS进行了仿真验证。结果表明,在单调拉伸作用下,随着表面变质层厚度的增加,试样的硬度、屈服强度及抗拉强度也随之提高。在相同的应变幅值加载下,表面变质层越厚,其响应应力越大,能量耗散系数越低,材料的耗能能力越弱;Ramberg-Osgood方程能够较好地拟合不同表面变质层厚度的试样在循环加载作用下的骨架曲线;18CrNiMo7-6合金钢的主要组成成分为马氏体,随着表面变质层厚度的增加,位错密度增高;18CrNiMo7-6合金钢基体材料在循环加载作用下表现出循环硬化特征,而随着表面变质层厚度的增加,试样逐渐由没有循环软硬化现象到表现出循环软化特征;Chaboche循环本构模型对不同表面变质层厚度的18CrNiMo7-6合金钢均具有较好的适用性,能准确拟合其在循环加载作用下的力学响应。

超声滚压对18CrNiMo7-6合金钢抗氢渗透性能的影响

为了改善18CrNiMo7-6合金钢的抗氢渗透性能,对18CrNiMo7-6合金钢进行了不同静压力的超声滚压强化处理,对超声滚压加工处理的试样进行显微硬度表征、表层残余应力检测,并对不同静压力超声滚压强化处理后的试样进行氢渗透试验,分析了超声滚压对18CrNiMo7-6合金钢表面完整性和氢渗透性能的影响规律。为了进一步探究超声滚压产生的残余应力对氢渗透的影响规律,在ABAQUS中进行超声滚压强化过程和应力耦合氢扩散过程的数值模拟。试验结果表明,随着静压力的提升,超声滚压获得的表面显微硬度和表面残余压应力逐渐增加,抗氢渗透性能呈增加趋势;当超声滚压的静压力为100、200、300、400 N时,与未进行超声滚压的试样相比表层硬度分别提升了14%、15%、19%、27%、表面残余压应力分别提升了513%、943%、1013%、1063%、氢扩散系数分别下降了30%、32%、36%、55%。数值模拟结果表明,超声滚压引起了梯度分布的残余压应力,并且残余压应力的影响深度及最大值与静压力呈正相关;氢在在浓度梯度的驱动下在材料中扩散,经过超声滚压处理的区域内部氢质量分数沿深度方向急速降低,在距离表面约100μm处降幅最大,氢质量分数的分布与静水应力的分布趋势相同,存在静水压应力的地方氢质量分数低,存在静水拉应力的地方氢质量分数高,超声滚压产生的残余压应力对氢渗透有抑制作用。

G10MnMoV6-3低合金钢索盖铸造及调质处理质量控制

介绍了大型体育场屋面G10MnMoV6-3低合金钢索盖铸件的欧标规范要求。通过索盖首件铸造及热处理试验,发现了索盖铸造及热处理工艺难点,优化了索盖的化学成分,调整索盖与试块的淬火、回火热处理工艺及操作规程。结果表明,索盖力学性能合格,满足欧标规范对大型体育场的要求。

WC6铸造合金钢的热处理工艺

WC6铸造合金钢要达到要求的力学性能,需进行合适的热处理,如正火加高温回火、淬火加高温回火等。试验表明,对于高温下使用、尺寸较小的WC6钢铸件,其最合适的热处理工艺为930℃正火然后680℃回火;而对于低温下使用的WC6钢铸件,其最合适的热处理工艺为930℃水淬然后710℃回火。经上述工艺热处理的WC6钢铸件均达到了要求的力学性能。

13MnNi6-3低温镍合金钢板焊接性能与组织研究

采用埋弧自动焊,焊接线能量控制在22~25 kJ/cm范围内,试验研究厚度30 mm的13MnNi6-3低温镍合金钢板的焊接性能。试验结果表明,13MnNi6-3低温镍合金钢板焊接后强韧性能良好,接头抗拉强度在536 MPa以上,焊缝位置-60℃冲击吸收能量均值137 J,热影响区位置-60℃冲击吸收能量均值198 J,韧脆转变温度不高于-71℃;焊接接头经580℃SR处理后,综合性能良好,强度和韧性没有发生明显变化;焊缝区金相组织为铁素体+珠光体,铁素体的形态有块状和针状两种;热影响区位置金相组织为多边形铁素体和珠光体组成,组织相对均匀细小。

06VTi微合金搪瓷钢析出相的研究

利用透射电镜和能谱仪等近代显微分析手段对06VTi搪瓷钢在轧态和搪烧工艺处理后,钒钛微合金元素的析出相成分、形态特征及其晶体结构进行了研究。对轧态和搪烧前后合金相析出的规律及其对合金综合性能的影响进行了讨论,得出了一些有意义的初步结论。

喷丸对18CrNiMo7-6钢硬度影响的有限元分析

目前喷丸强化的数值研究工作大多集中于喷丸参数对表面形貌和残余应力分布规律的影响,缺少对表面硬度影响规律的研究。针对这一现状,基于随机多丸粒有限元模型以及屈服强度和维氏硬度之间的经验关系,开展喷丸工艺参数对18CrNiMo7-6合金钢强化层硬度分布影响的研究。数值结果表明随着覆盖率的增大,靶材的表层硬度逐渐增大;随丸粒半径和速度增加,靶材的硬化层深度逐渐增加。

表面变质层硬度的压痕表征方法

为了解决关键构件经表层改性后产生的表面变质层硬度参数难以测量的问题,提出了一种表面变质层硬度的压痕表征方法。根据硬度与深度的关系,使用连续压痕加载表征表面变质层硬度。只要压入深度超过表面变质层深度就能提取整个表面变质层的硬度信息。通过ANSYS有限元仿真建立表面变质层-基体梯度模型,施加连续压痕,验证发现,表征出的硬度和真实硬度很接近。对18CrNiMo7-6合金钢进行渗碳热处理,并用该方法表征了热处理后的18CrNiMo7-6合金钢的表面变质层硬度。将测量结果与沿表面变质层侧面表征的显微硬度结果进行比较,发现2种方法得到的表面变质层硬度最大误差不超过6%。该方法能用来表征材料表面变质层的真实硬度场,具有一定的工程应用价值。

一种低碳合金渗碳钢轧辊的失效行为

采用光学显微镜、扫描电镜、显微硬度计和有限元分析,对在汽车飞轮冷轧成型中失效的低碳合金渗碳钢轧辊进行断面观察、显微组织观察、硬度分布测试及基本受力分析。结果表明,失效轧辊渗碳层主要由针状回火马氏体、细小碳化物和少量残留奥氏体组成。从失效轧辊槽口表面到心部,硬度逐渐降低。失效轧辊槽口附近的显微硬度分布不均匀,渗碳层厚度低于设计要求且内部存在低硬度微区。多条微裂纹在轧辊槽口底部萌生,并汇合成主裂纹,沿着槽口底部向内扩展,其扩展方向与有限元分析基本一致。轧辊的早期失效主要与热处理工艺以及复杂的服役载荷有关。

G10MnMoV6-3大型索夹消失模铸造关键技术和质量控制要点

介绍了卡塔尔2022年世界杯体育场屋面G10MnMoV6-3低合金钢大型索夹的化学成分和力学性能要求,通过采用消失模铸造工艺制造了索夹,发现了浇注过程中的难点,提出了制模和造型、冶炼与浇注、热处理等重要环节的质量控制措施。结果表明,消失模铸造索夹化学性能成分和力学性能合格,满足欧标相关要求。