42CrMo鋼車輪鍛件在淬火過程中的殘余應(yīng)力研究

我國目前擁有百萬千瓦級核電站環(huán)形起重機(jī)，其在核電站設(shè)備安裝及檢修過程中起著非常重要的作用，如反應(yīng)堆壓力殼及蒸汽發(fā)生器等大型部件的搬運都需要起重機(jī)來完成，起重機(jī)車輪及水平輪等關(guān)鍵連接結(jié)構(gòu)在運行過程中 受力相對復(fù)雜，環(huán)形起重機(jī)位于工程安裝和機(jī)組大修的關(guān)鍵路徑上，如果發(fā)生失效，將引起放射性物質(zhì)泄漏，導(dǎo)致核電站的重大事故。因此，其對于吊裝定位的精確度、可靠性和安全性都有很高的要求，所用結(jié)構(gòu)材料具有高強(qiáng)度的同時還應(yīng)具有良好的塑性和韌性。目前，國內(nèi)第三代核電站環(huán)形起重機(jī)用車輪和水平輪鍛件主要采用42CrMo耐熱鋼，該鋼屬于中碳低合金結(jié)構(gòu)鋼，具有良好的淬透性、高溫強(qiáng)度及蠕變性能，此外42CrMo耐熱鋼淬火后變形小，調(diào)質(zhì)后綜合力學(xué)性能較好。

　　盡管42CrMo耐熱鋼具有許多優(yōu)點，但應(yīng)用于核電站環(huán)形起重機(jī)車輪和水平輪上時經(jīng)常出現(xiàn)強(qiáng)度與韌性不匹配的問題，即在強(qiáng)度滿足要求的條件下，沖擊性能不能達(dá)標(biāo)，類似此類問題在42CrMo鋼的其他重要零件制造過程中也普遍存在。因此，研究熱處理工藝對42CrMo鋼組織和力學(xué)性能的影響具有重要的理論和現(xiàn)實意義。42CrMo鋼在工程中使用狀態(tài)通常是調(diào)質(zhì)態(tài)，研究表明，熱處理工藝特別是回火熱處理對低合金高強(qiáng)鋼的組織和性能具有顯著影響，是提高低合金高強(qiáng)鋼綜合力學(xué)性能的重要手段之一。目前，42CrMo鋼的研究工作主要集中在工藝試驗，旨在制定合適的熱處理制度以滿足材料的使用性能要求，對回火過程中組織演變對力學(xué)性能的影響機(jī)理的研究也認(rèn)為水淬熱處理工藝在平衡42CrMo鋼的韌性和強(qiáng)度方面有積極的作用。

　　然而，材料在進(jìn)行淬火熱處理過程中，由于結(jié)構(gòu)厚大及復(fù)雜等原因，內(nèi)外表面及各區(qū)域冷卻速率差別明顯，致使結(jié)構(gòu)溫度分布不均勻，進(jìn)而產(chǎn)生殘余應(yīng)力。車輪鍛件屬于厚結(jié)構(gòu)，淬火過程中外表面與內(nèi)部冷熱速率差異較大，因此殘余應(yīng)力的存在不容忽視，淬火殘余應(yīng)力在車輪中的分布狀態(tài)需要精確說明。此外，車輪經(jīng)過鑄造過程有可能產(chǎn)生疏松缺陷，車輪內(nèi)部結(jié)構(gòu)不均勻，在淬火過程中車輪殘余應(yīng)力的分布也會變得更加復(fù)雜，故疏松缺陷對車輪在淬火過程中殘余應(yīng)力的影響如何，也急需進(jìn)一步闡明。由于疏松缺陷多位于結(jié)構(gòu)內(nèi)部，所以很難測得其周圍應(yīng)力場，而采用有限元法模擬淬火熱處理過程能夠有效地估算其影響范圍，獲得的車輪淬火件應(yīng)力場可用于研究車輪失效過程，是解決其內(nèi)部裂紋擴(kuò)展及表層脫落問題的關(guān)鍵步驟。

　　中國科學(xué)院金屬研究所沈陽材料科學(xué)國家（聯(lián)合）實驗室研究人員針對42CrMo鋼車輪內(nèi)部裂紋及表面剝落問題，進(jìn)行了成分測試、裂紋宏觀及微觀的觀察和分析，建立了無缺陷和含疏松缺陷的車輪鍛件淬火過程的熱力學(xué)耦合有限元模型，獲得了車輪在淬火過程中產(chǎn)生的殘余應(yīng)力場。結(jié)果表明：

　　（1）42CrMo鋼車輪鍛件的疏松缺陷是鍛件內(nèi)部產(chǎn)生裂紋的主要原因。

　?。?）淬火熱處理導(dǎo)致車輪鍛件疏松區(qū)域產(chǎn)生應(yīng)力集中，淬火殘余應(yīng)力大值與疏松宏觀尺寸關(guān)系不大，相比徑向和軸向，軸向殘余應(yīng)力約為1300MPa，是裂紋在車輪內(nèi)部疏松區(qū)域萌生并擴(kuò)展的主要驅(qū)動力；在疏松區(qū)域內(nèi)形成的裂紋，經(jīng)過回火處理后繼續(xù)向外擴(kuò)展的可能性不大。

　?。?）車輪鍛件疏松缺陷區(qū)域存在應(yīng)力集中，在內(nèi)外載荷疊加作用下，產(chǎn)生裂紋，并將終導(dǎo)致表面部分脫落。

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