摘要
截齿是装配于采掘类工程机械上的截割类刀具，在服役过程中，截齿需要承受摩擦磨损、冲击载荷和剪切应力，服役环境恶劣，损耗量巨大，其使用寿命直接影响采掘相关工程的生产效率与经济效益。为提高截齿性能，延长其使用寿命，本文对截齿齿体常用金属材料42CrMo的热变形行为和热处理工艺进行了研究。 首先，利用Gleblee-3500热模拟试验机在变形量为50%、变形温度范围为860~1160℃和应变速率为0.01~10s-1的条件下对锻态42CrMo钢进行等温压缩实验，得到了材料的应力应变曲线，分析了压缩试样的微观组织，建立了材料的本构方程和加工图。其次，对热锻后的42CrMo截齿齿体利用多种热处理工艺进行处理，包括Q-T工艺（Quenching-Tempering）、A-Q-T（Austempering-Quenching-Tempering）、A-Q-P-T（Austempering-Quenching-Partitioning-Tempering）、QC-A-Q-T（Quickcooling-Austempering-Quenching-Tempering）和感应加热淬火工艺，分析了热处理工艺对材料微观组织、力学性能以及冲击断口形貌的影响。最后，利用有限元软件Deform对上述热压缩与热处理实验进行仿真模拟，分析了热压缩模拟结果中压缩试样的尺寸、载荷-行程曲线和变形温度对等效应力和等效应变的影响，分析了热处理模拟结果中试样的温度场、组织场、硬度场、应力场和应变场，并与实验结果相对照。结果表明： （1）在热压缩实验中，变形温度和应变速率对流变应力的影响显著，流变应力的大小随着变形温度的降低和应变速率的升高而升高。在较高的变形温度和较低的应变速率条件下，材料的动态再结晶程度越高，再结晶晶粒越容易长大。分析基于Prasad准则绘制的热加工图，确定了锻态42CrMo的最佳热加工区间：860-960℃，0.01-0.05s-1；1060-1160℃，0.1-1s-1。 （2）Q-T工艺处理后的微观组织为回火马氏体（temperedmartensite，M’）；A-Q-T、A-Q-P-T和QC-A-Q-T工艺处理后的试样组织均为下贝氏体（lowerbainite，LB）和马氏体（M）的复相组织（LB/M复相），还含有少量残留奥氏体（retainedaustenite，AR），其体积分数小于3%，且QC-A-Q-T工艺的组织更加细小（M等级为5级）；感应加热处理的试样齿头为M’，齿柄为回火索氏体（temperedsorbite，S’）。 （3）感应加热处理的试样的冲击韧性最好，其次是QC-A-Q-T，其它工艺的冲击韧性从大到小依次为A-Q-P-T、A-Q-T和Q-T，A-Q-P-T略高于A-Q-T。感应热处理后的齿头硬度最高（55.8HRC），齿柄硬度最低（34.7HRC），整体硬度变化较大；其余四种工艺处理的截齿整体硬度变化不大，齿头心部比表面硬度略低，四种工艺硬度从高到低依次排序为Q-T、QC-A-Q-T、A-Q-T和A-Q-P-T。 （4）复相强化和细晶强化使得QC-A-Q-T工艺处理后的截齿在保持高的平均硬度（52.1HRC）的同时获得了较高的冲击韧性（Akv=22.6J），可适用于水泥混凝土和硬岩掘进等服役条件严酷的工况。 （5）热压缩模拟结果与实验结果较吻合，压缩试样各部位等效应变和应力分布不均匀。热处理模拟结果与实验结果较吻合，模拟结果中齿头心部LB体积分数略高于其它部位；模拟结果中在零件约束的位置应力和应变较大。模拟结果可为实际生产提供参考依据。
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