42CrMo鋼車輪鍛件在淬火過程中的殘余應力研究

我國目前擁有百萬千瓦級核電站環形起重機，其在核電站設備安裝及檢修過程中起著非常重要的作用，如反應堆壓力殼及蒸汽發生器等大型部件的搬運都需要起重機來完成，起重機車輪及水平輪等關鍵連接結構在運行過程中 受力相對復雜，環形起重機位于工程安裝和機組大修的關鍵路徑上，如果發生失效，將引起放射性物質泄漏，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還應具有良好的塑性和韌性。目前，國內第三代核電站環形起重機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，調質后綜合力學性能較好。

　　盡管42CrMo耐熱鋼具有許多優點，但應用于核電站環形起重機車輪和水平輪上時經常出現強度與韌性不匹配的問題，即在強度滿足要求的條件下，沖擊性能不能達標，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鋼組織和力學性能的影響具有重要的理論和現實意義。42CrMo鋼在工程中使用狀態通常是調質態，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影響，是提高低合金高強鋼綜合力學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，材料在進行淬火熱處理過程中，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，進而產生殘余應力。車輪鍛件屬于厚結構，淬火過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，淬火殘余應力在車輪中的分布狀態需要精確說明。此外，車輪經過鑄造過程有可能產生疏松缺陷，車輪內部結構不均勻，在淬火過程中車輪殘余應力的分布也會變得更加復雜，故疏松缺陷對車輪在淬火過程中殘余應力的影響如何，也急需進一步闡明。由于疏松缺陷多位于結構內部，所以很難測得其周圍應力場，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力場可用于研究車輪失效過程，是解決其內部裂紋擴展及表層脫落問題的關鍵步驟。

　　中國科學院金屬研究所沈陽材料科學國家（聯合）實驗室研究人員針對42CrMo鋼車輪內部裂紋及表面剝落問題，進行了成分測試、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耦合有限元模型，獲得了車輪在淬火過程中產生的殘余應力場。結果表明：

　　（1）42CrMo鋼車輪鍛件的疏松缺陷是鍛件內部產生裂紋的主要原因。

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

　　（3）車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，產生裂紋，并將終導致表面部分脫落。

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