连接柴油机凸轮轴与正时齿轮的42CrMo钢板螺栓在试机过程中断裂。对断裂螺栓进行了宏观检验、化学成分分析、硬度测定、金相检验和能谱分析。结果表明:螺栓的化学成分、显组织和硬度均正常但氧化物夹杂的含量较高且 直径达350μm大大降低了螺栓的有效承载面积导致其断裂。
为调控离子渗氮渗层特性获得少脆性化合物层、厚韧性扩散层的渗氮层提高离子渗氮渗层抗冲击性和重载下的耐磨性对42CrMo钢板进行了添加量钛的创新离子渗氮处理。利用光学显镜、SEM、XRD和显硬度计对渗层的截面显组织、表面形貌和成分、物相和截面硬度进行了测试和分析。结果表明:添加量钛离子渗氮可显著改善渗层特性获得少化合物层的高硬高韧渗氮层同时显著提高离子渗氮效率。
在540℃×4h工艺条件下添加量钛可使离子渗氮有效硬化层厚度显著增加由常规离子渗氮的225μm增加到380μm即渗氮效率提高近70%;有效硬化层厚度提高的情况下化合物层厚度反而减薄由常规离子渗氮的19μm降低到10μm即化合物层厚度降低了约50%;渗层中化合物层与有效硬化层之比值由常规离子渗氮的8.5%降低到2.6%。同时添加量钛离子渗氮渗层中形成了高硬度强化相Ti N使渗层表面硬度由703HV0.05提高至895HV0.05。42crmo钢板添加量钛离子渗氮获得了薄化合物层、高硬高韧、厚有效硬化层的优良渗氮层特性该渗层特性对改善离子渗氮零部件抗冲击性和重载下的耐磨性具有重要研究和应用价值。
对42CrMo钢板首先锻造后淬火再分别进行常规热处理、浅冷处理和深冷处理之后进行中温回火然后测试试样的硬度和冲击韧性并采用扫描电子显镜观察冲击试样的断口形貌和试样的观组织探索浅冷处理和深冷处理对42CrMo硬度和冲击韧性及观组织的影响。结果表明相比于常规热处理42CrMo经浅冷处理和深冷处理后硬度略下降冲击韧性有所提升并且试样经深冷处理后的冲击韧性提升程度高于浅冷处理的冲击韧性。冲击试样断口呈准解理断裂属于脆性断裂。观组织分析表明浅冷处理和深冷处理均能促进试样组织中细小碳化物弥散分布析出。
利用光学显镜、扫描电镜和电子探针对热处理后开裂的42CrMo钢板制大型风电主轴进行观组织形貌及区成分分析。结果表明主轴裂纹附近存在大量的硫化物及氮化物夹杂且夹杂物与基体存在明显的间隙面易以界面脱粘开裂机制产生裂纹同时夹杂处的区成分偏析及裂纹附近的缩松缺陷共同作用最终导致主轴开裂。
用光学显镜、42crmo钢板扫描电镜、透射电镜和显硬度研究了回火温度和时间对42CrMo钢显组织和硬度的影响并推导获得了回火后屈服强度的计算模型。结果表明:随着回火温度的升高和时间的延长马氏体的板条界面逐渐模糊或消失板条宽度增加位错密度显著减少析出相由针状的过渡性碳化物逐渐向球形的稳定渗碳体转变显组织从回火马氏体演变为碳化物弥散分布的回火屈氏体（400℃）和索氏体（600℃）同时硬度不断降低且在前2 h回火内降低显著而后趋于稳定。由于扩散控制的回火组织演变类同于单一相变过程基于JMAK方程建立的强度计算模型可以较好地预测42CrMo钢在200～600℃回火时的屈服强度变化。
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（TiAl）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。
刃口钝化及涂层工艺是提升刀具切削性能及加工质量的重要刀具后处理方法。本文对钝化未涂层、钝化且涂层以及无钝化涂层的硬质合金钻头钻削42CrMo钢板的钻削性能进行对比研究并分析了钝化且涂层钻头刃口的K因子及平均圆度随加工孔数变化情况。结果表明:刀具钝化与涂层后处理工艺对刀具寿命及其失效形式有决定性影响。在实验参数下未后处理钻头加工孔数仅10孔就发生崩刃失效;钝化未涂层钻头的寿命是钝化涂层钻头的10倍主要失效形式为粘结磨损与磨粒磨损;钝化且涂层钻头寿命为无钝化涂层的150倍主要失效形式为磨粒磨损。钝化且涂层钻头刃口在加工过程中的存在:"涂层破损—基体磨损—新刃口形成—刃口崩刃—刃口再形成"的变化趋势。
利用摩擦磨损试验探究不同激光功率下42CrMo钢板激光熔覆层的耐磨性采用SEM和OM观察了试样摩擦磨损前后的熔覆层组织形貌。结果表明:42CrMo钢基体的摩擦因数较大且在该摩擦磨损后出现了严重的脆性剥落现象激光熔覆层可以提升42CrMo钢的耐磨损性能;当激光功率为1600 W时摩擦因数可降低至0.28熔覆层表面SEM形貌较为光滑耐磨性优异熔覆层组织中的晶粒细化均匀主要表现为细小的等轴晶组织较为致密从而提高了熔覆层的耐磨损性能。
在42CrMo钢的基础成分上增加Al、Ti元素通过末端淬火试验和截面硬度试验对比分析Al对42CrMo钢淬透性的影响差异通过常规力学性能检测对比其与42CrMo钢的力学性能差异。42crmo钢板结果表明Al、Ti元素添加可进一步提高淬透性并且使钢的强度达到1200 MPa级-40℃下KV2≥27 J满足低温环境下螺栓用钢的使用要求。采用化学相分析方法对钢中析出相进行了定性、定量分析结果表明Ti在钢中添加发挥明显固氮作用提高了Al元素的固溶量利用热膨胀法对比测定试验钢的等温转变曲线证明了增加Al含量降低了奥氏体临界转变温度使C曲线右移明显改善了钢的淬透性。
