42CrMo鋼車(chē)輪鍛件在淬火過(guò)程中的殘余應力研究

我國目前擁有百萬(wàn)千瓦級核電站環(huán)形起重機，其在核電站設備安裝及檢修過(guò)程中起著(zhù)非常重要的作用，如反應堆壓力殼及蒸汽發(fā)生器等大型部件的搬運都需要起重機來(lái)完成，起重機車(chē)輪及水平輪等關(guān)鍵連接結構在運行過(guò)程中 受力相對復雜，環(huán)形起重機位于工程安裝和機組大修的關(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，所用結構材料具有高強度的同時(shí)還應具有良好的塑性和韌性。目前，國內第三代核電站環(huán)形起重機用車(chē)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構鋼，具有良好的淬透性、高溫強度及蠕變性能，此外42CrMo耐熱鋼淬火后變形小，調質(zhì)后綜合力學(xué)性能較好。

　　盡管42CrMo耐熱鋼具有許多優(yōu)點(diǎn)，但應用于核電站環(huán)形起重機車(chē)輪和水平輪上時(shí)經(jīng)常出現強度與韌性不匹配的問(wèn)題，即在強度滿(mǎn)足要求的條件下，沖擊性能不能達標，類(lèi)似此類(lèi)問(wèn)題在42CrMo鋼的其他重要零件制造過(guò)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實(shí)意義。42CrMo鋼在工程中使用狀態(tài)通常是調質(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鋼的組織和性能具有顯著(zhù)影響，是提高低合金高強鋼綜合力學(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(mǎn)足材料的使用性能要求，對回火過(guò)程中組織演變對力學(xué)性能的影響機理的研究也認為水淬熱處理工藝在平衡42CrMo鋼的韌性和強度方面有積極的作用。

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

　　中國科學(xué)院金屬研究所沈陽(yáng)材料科學(xué)國家（聯(lián)合）實(shí)驗室研究人員針對42CrMo鋼車(chē)輪內部裂紋及表面剝落問(wèn)題，進(jìn)行了成分測試、裂紋宏觀(guān)及微觀(guān)的觀(guān)察和分析，建立了無(wú)缺陷和含疏松缺陷的車(chē)輪鍛件淬火過(guò)程的熱力學(xué)耦合有限元模型，獲得了車(chē)輪在淬火過(guò)程中產(chǎn)生的殘余應力場(chǎng)。結果表明：

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

　?。?）淬火熱處理導致車(chē)輪鍛件疏松區域產(chǎn)生應力集中，淬火殘余應力大值與疏松宏觀(guān)尺寸關(guān)系不大，相比徑向和軸向，軸向殘余應力約為1300MPa，是裂紋在車(chē)輪內部疏松區域萌生并擴展的主要驅動(dòng)力；在疏松區域內形成的裂紋，經(jīng)過(guò)回火處理后繼續向外擴展的可能性不大。

　?。?）車(chē)輪鍛件疏松缺陷區域存在應力集中，在內外載荷疊加作用下，產(chǎn)生裂紋，并將終導致表面部分脫落。

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