42CrMo钢车轮锻件在淬火过程中的残余应力研究

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我国目前拥有百万千瓦级核电站环形起重机，其在核电站设备安装及检修过程中起着非常重要的作用，如反应堆压力壳及蒸汽发生器等大型部件的搬运都需要起重机来完成，起重机车轮及水平轮等关键连接结构在运行过程中受力相对复杂，环形起重机位于工程安装和机组大修的关键路径上，如果发生失效，将引起放射性物质泄漏，导致核电站的重大事故。因此，其对于吊装定位的精确度、可靠性和安全性都有很高的要求，所用结构材料具有高强度的同时还应具有良好的塑性和韧性。目前，国内第三代核电站环形起重机用车轮和水平轮锻件主要采用42CrMo耐热钢，该钢属于中碳低合金结构钢，具有良好的淬透性、高温强度及蠕变性能，此外42CrMo耐热钢淬火后变形小，调质后综合力学性能较好。
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0 {+ Z1 ~2 [8 L  C! d, v尽管42CrMo耐热钢具有许多优点，但应用于核电站环形起重机车轮和水平轮上时经常出现强度与韧性不匹配的问题，即在强度满足要求的条件下，冲击性能不能达标，类似此类问题在42CrMo钢的其他重要零件制造过程中也普遍存在。因此，研究热处理工艺对42CrMo钢组织和力学性能的影响具有重要的理论和现实意义。42CrMo钢在工程中使用状态通常是调质态，研究表明，热处理工艺特别是回火热处理对低合金高强钢的组织和性能具有显著影响，是提高低合金高强钢综合力学性能的重要手段之一。目前，42CrMo钢的研究工作主要集中在工艺试验，旨在制定合适的热处理制度以满足材料的使用性能要求，对回火过程中组织演变对力学性能的影响机理的研究也认为水淬热处理工艺在平衡42CrMo钢的韧性和强度方面有积极的作用。
然而，材料在进行淬火热处理过程中，由于结构厚大及复杂等原因，内外表面及各区域冷却速率差别明显，致使结构温度分布不均匀，进而产生残余应力。车轮锻件属于厚结构，淬火过程中外表面与内部冷热速率差异较大，因此残余应力的存在不容忽视，淬火残余应力在车轮中的分布状态需要精确说明。此外，车轮经过铸造过程有可能产生疏松缺陷，车轮内部结构不均匀，在淬火过程中车轮残余应力的分布也会变得更加复杂，故疏松缺陷对车轮在淬火过程中残余应力的影响如何，也急需进一步阐明。由于疏松缺陷多位于结构内部，所以很难测得其周围应力场，而采用有限元法模拟淬火热处理过程能够有效地估算其影响范围，获得的车轮淬火件应力场可用于研究车轮失效过程，是解决其内部裂纹扩展及表层脱落问题的关键步骤。
2 r) p* s" I( A3 H1 X7 W中国科学院金属研究所沈阳材料科学国家（联合）实验室研究人员针对42CrMo钢车轮内部裂纹及表面剥落问题，进行了成分测试、裂纹宏观及微观的观察和分析，建立了无缺陷和含疏松缺陷的车轮锻件淬火过程的热力学耦合有限元模型，获得了车轮在淬火过程中产生的残余应力场。结果表明：
9 U  B5 }1 t5 E0 R1 Z* n1 x（1）42CrMo钢车轮锻件的疏松缺陷是锻件内部产生裂纹的主要原因。
    （2）淬火热处理导致车轮锻件疏松区域产生应力集中，淬火残余应力最大值与疏松宏观尺寸关系不大，相比径向和轴向，轴向残余应力约为1300MPa，是裂纹在车轮内部疏松区域萌生并扩展的主要驱动力；在疏松区域内形成的裂纹，经过回火处理后继续向外扩展的可能性不大。
    （3）车轮锻件疏松缺陷区域存在应力集中，在内外载荷叠加作用下，产生裂纹，并将最终导致表面部分脱落。