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上海大学硕士论文 1 1 13 类钢的各向异性及热疲劳损伤因子的研究 摘要 本论文研究了同属h 1 3 类钢的国产4 c r 5 m o s i v l 钢和进口8 4 0 7 钢的力学性 能，采用u d d e h o l m 自约束热疲劳试验法进行热疲劳试验，比较了两种钢的热 疲劳性能，观察分析了疲劳裂纹形貌和深度，并探讨热疲劳裂纹萌生和扩展过程， 同时针对u d d e h o l m 图谱法不能定量评判的局限性，提出了全新的热疲劳损伤 因子的概念，并用v i s u a lb a s i c 语言编制热疲劳裂纹图象分析软件，对 4 c r 5 m o s i v l 钢和8 4 0 7 钢进行热疲劳损伤定量分析，揭示了这两种钢的热疲劳 性能的变化规律，实现了损伤因子的计算机辅助分析计算，结果如下： 1 、总的损伤因子d = d s d d ，d 值越大，表明热疲劳性能越差； 其中：d s = a w l 为表面因子，与热疲劳循环次数成正比，反映了热疲劳 裂纹的表面的损伤程度： d d = p d m a x d 铀为深度因子，同样与热疲劳循环次数成正比，它是在 裂纹深度上考虑了其损伤程度： 2 、在同样热处理条件下，4 c r 5 m o s i v l 钢和8 4 0 7 钢的硬度、强度几乎相等，但 8 4 0 7 钢试样的塑性和冲击韧性较4 c r 5 m o s i v l 钢高。而且8 4 0 7 钢较 4 c r 5 m o s i v l 钢表现出更小的各向异性； 3 、4 c r 5 m o s i v l 钢和8 4 0 7 钢的心部纵横向试样经3 0 0 0 次热疲劳试验后，在6 1 0 回火时热疲劳性能最好，而且8 4 0 7 钢的热疲劳性能优于4 c r 5 m o s i v l 钢。 经扫描电镜分析发现，8 4 0 7 钢比4 c r 5 m o s i v l 钢的碳化物颗粒较小，而且分 布均匀，从而表现出较好的热疲劳性能，显微硬度梯度显示6 1 0 。c 回火具有 最好的回火抗力： 4 、4 c r 5 m o s i v l 钢的横纵向热疲劳性能差异较8 4 0 7 钢大，即8 4 0 7 钢的各向同 性要优于4 c r 5 m o s i l 钢，与两种钢的横纵向冲击韧性的比值相对应。 关键词：h 1 3 钢热疲劳性能损伤因子 上海大学硕士论文 h 1 3 类钢的各向异性及热疲劳损伤因子的研究 a b s t r a c t t h ei m p o s e d8 4 0 7s t e e la n dd o m e s t i c4 c r 5 m o s i v ls t e e lb e l o n g st oh 1 3s e r i e s s t e e l s t h em e c h a n i c a lp r o p e r t i e so ft h et w os t e e l sw e r ei n v e s t i g a t e di nt h ea r t i c l e w i t ht h es e l f - r e s t r i c t i n gt e s tm e t h o do fu d d e h o l m ，t h et h e r m a lf a t i g u eb e h a v i o ro f 4 c r 5 m o s i v1s t e e la n d8 4 0 7 s t e e lw a si n v e s t i g a t e du n d e rt h es a m eh e a tt r e a t m e n t c o n d i t i o n t h ep a r e ma n d d e p t ho f t h e r m a lc r a c k w a so b s e r v e d ，a n dt h ei n i t i a t i o na n d p r o p a g a t i o n o ft h e r m a lc r a c kw a sa l s o a n a l y z e d b e c a u s e o ft h eu d d e h o l m h e a t - c h e c k i n gs c a l e f o rt h e r m a lf a t i g u ee v a l u a t i o ni sn o tp e r f e c te n o u g h ，i ti s d i f f i c u l t yt oe v a l u a t et h ed e g r e eo f t h e r m a lf a t i g u ea c c u r a t e l y s or e l e v a n ts o f t w a r e w a sw o r k e do u t ，a n dt h et h e r m a lf a t i g u ed a m a g ep a r a m e t e rw a si m p r o v e d t h e t h e r m a lf a t i g u eb e h a v i o ro fb o t hs t e e l sw e r ea n a l y z e dq u a n t i t a t i v e l yb yt h i ss o f t w a r e ， a n dt h ed i f f e r e n tt h e r m a lf a t i g u ep r o p e r t i e so ft h et w os t e e l sw a su n v e i l e d t h e m e t h o do fc o m p u t e r - a i d e de v a l u a t i o nf o rt h e r m a lf a t i g u ec r a c kw a sa c h i e v e d t h e r e s u l t sw e r es h o w n ： 1 、t h et o t a ld a m a g e p a r a m e t e rm a y b es h o w na sf o l l o w i n g e q u a t i o n ： d = d s d a ，t h ev a l u eo f d i sh i g h e r , t h e r m a ln t i g u eb e h a v i o ri sw o r s e ； w h e r e ：d s = a xw li ss u r f a c ed a m a g e p a r a m e t e r , i ti si nd i r e c tp r o p o r t i o nw i t h t h et h e r m a lf a t i g u ec i r c l e s ，a n di ta l s os h o w st h es u r f a c ed a m a g e d e g r e eo f t h et h e r m a lc r a c k s ； d d = p d m a x d 鲰i sd e p t hd a m a g ep a r a m e t e r , i ti n c r e a s e sw i t ht h et h e r m a l f a t i g u ec i r c l e s ，t h ed a m a g ed e g r e ei nt h ed e p t ho ft h et h e r m a lc r a c k sc a n b es h o w n b y d d ； 2 、t h et w os t e e l sw i t ht h es a l l eh a r d n e s sa n di n t e n s i o nu n d e r t h es a m eh e a tt r e a t m e n t c o n d i t i o n b u tt h e p l a s t i c i t ya n di m p a c tp r o p e r t i e so f 8 4 0 7s t e e li sh i g h e rt h a nt h a t o f4 c r 5 m o s i v l s t e e l ，t h ea n i s o t r o p y o f8 4 0 7s t e e li sl o w e rt h a nt h a to f 4 c r 5 m o s i v ls t e e l 3 、a f t e r3 0 0 0c i r c l e st h e r m a lf a t i g u et e s t ，t h et h e r m a lf a t i g u eb e h a v i o ro f b o t hs t e e l s i st h eb e s ta t6 1 0 。c t e m p e r e d t h et h e r m a lf a t i g u ep r o p e r t i e so f8 4 0 7s t e e li s b e t t e rt h a nt h a to f4 c r 5 m o s i v ls t e e l s o m et y p i c a ls p e c i m e n sa r ea l s oo b s e r v e d i i 圭堂查堂堡主堡苎 ! ! ! 娄塑塑鱼旦墨堡垦垫堡墨塑堂堡堑竺! 堕里 b vs e m i ti ss h o w nt h a t ，c o m p a r e d t o4 c r 5 m o s i v ls t e e l ，8 4 0 7 s t e e lh a sf i n e ra n d m o r ed i s p e r s e dc a r b i d e ，t h e r e f o r eb e t t e rt h e r m a lf a t i g u er e s i s t a n c e t h eh a r d n e s s o f g r a d i e n t a f t e rt h e r m a lf a t i g u et e s ts h o w n t h a t ：a f t e r6 1 0 。c t e m p e r e d ，b o t hs t e e l w i t ht h eb e s tr e s i s t a n c et ot e m p e r i n g 4 、t h ed i f f e r e n c ei nt h e r m a lf a t i g u eb e h a v i o rb e t w e e n t r a n s v e r s a la n dl o n g i t u d i n a l d i r e c t i o n si n8 4 0 7 s t e e li ss m a l l e rt h a nt h a ti n4 c r 5 m o s i v ls t e e l ，c o r r e s p o n d i n g t o t h ed i f f e r e n tr a t i oo fi m p a c tp r o p e r t i e s i nt h e l o n g i t u d i n a l d i r e c t i o nt ot h e t r a n s v e r s a id i r e c t i o nb e t w e e n b o t hs t e e l s k e y w o r d s ：h 1 3s t e e lt h e r m a lf a t i g u eb e h a v i o rd a m a g ep a r a m e t e r 1 1 1 上海大学硕士论文 h 1 3 类钢的各向异性及热疲劳损伤因于的研究 第一章前言 模具在现代制造业中占据了举足轻重的地位，据不完全统计，在汽车制造中 7 5 以上的零件是采用模具成型加工制造的。但是，我国的模具钢无论在产量上、 还是在质量上与国外先进国家相比，还存在着不小的差距，尤其在热作模具钢方 面。h 1 3 钢是目前世界上应用最多的一种热模钢，国内压铸模用h 1 3 钢 ( 4 c r 5 m o s i v l ) 的使用寿命一般在4 5 万次，而进口h 1 3 钢( 如u d d e h o l m 产 8 4 0 7 钢) 的使用寿命可达2 0 万次，存在着较大的差距，因此有必要对比研究国 产与进口h 1 3 热作模具钢的失效机理，为国产4 c r 5 m o s i v l 钢的生产和使用提 供早期失效原因的理论依据，以提高我国热作模具钢的的使用寿命，因而本课题 具有重要的理论及实际使用价值。 1 1 热作模具钢及其发展 模具是零件产品的主要成型工具，模具制造在工业发达国家已经成为一种重 要行业，在电子、汽车、电机、电器、仪器、仪表、家电和通讯等产品中，6 0 8 0 的零部件都要依靠模具成型i l - 2 】。用模具生产零件所表现出来的高精度、 高形状复杂程度、高一致性、高生产率和低消耗，是其他加工制造方法所难以比 拟的。用模具生产的最终产品的价值，往往是模具自身价值的几十倍、上百倍。 目前全世界的模具年产值，约有6 0 0 6 5 0 亿美元【1 】【3 1 。日、美等工业发达国家， 其模具工业产值已超过机床工业的产值。如日本1 9 9 8 年模具工业产值达1 4 6 0 7 亿日元，比机床产值高2 0 左右【2 】。美国、e 1 本、法国、瑞士等国一年出口的模 具约占本国模具总产值的1 ，3 ，从1 9 9 7 年开始，我国模具工业产值也超过了机 床工业产值。模具生产技术水平的高低，已成为衡量一个国家产品制造水平高低 的重要标志，在很大程度上决定着产品的质量、效益和新产品的开发能力。据国 际生产技术学会统计，机器零件粗加工的7 5 ，精加工的5 0 是用模具成型【2 】o 这表明工业产品质量的提高、成本的降低在很大程度上受模具性能、质量和使用 寿命的制约。因此，模具钢的研究开发一直受到各国的重视，国外近年来相继开 发出高纯度模具钢、等向性模具钢、超细晶模具钢等。 模具钢的成本占模具成本的l o 一2 0 t ”，表明在进行选材时，模具钢的 海大学硕士论文h 1 3 类钢的各向异性及热疲劳损伤因子的研究 质量是应考虑的重要因素之一。 随着机械制造业的发展，对模具的使用越来越广泛，热作模具作为金属加工 的成型工具，广泛应用于各类压铸模、热挤压模、锤锻模等。全世界每年工具钢 的产量约为5 0 万吨，其中仅铝合金压铸模用钢的产量有4 5 万吨。其中，瑞典 的工具钢产量占全世界的1 0 。1 5 l ”。 热作模具是在高温下加压、强迫金属在型腔中流动成型的工具。为适应热作 模具恶劣的工作环境，提高使用寿命，要求优质的热作模具钢应具有高的热强度、 良好的回火稳定性、高的韧性和塑性、抗氧化性及优良的耐热疲劳性能、小的热 膨胀系数和好的导热性等优异的力学性能和使用性能【6 】。这就对材料的均匀度、 纯净度、各向同性、韧性以及微观组织有很高的要求。 当模具钢被应用于一些关键的场合( 有复杂形状或需要很高的抗热疲劳性) 时，纯净度是一个重要的因素。较好的纯净度将改善模具整体的韧性水平，特别 是横向的机械性能。现在，可以通过真空电弧重熔( v a r ) 和电渣重熔( e s r ) 技术能够得到很高的纯净度要求，也是冶炼热作模具钢的趋势，特别是要模铸一 些铝合金大件时显得尤为重要。e l i a s s o n 和s a n g b e r g 指出，热开裂抗力随着模具 钢的硬度水平和纯净程度的提高而提高【7 】，见图1 1 。 呈 i - - 匿 笙 菩 岩 壶 型 m r d n e s s ( 限c ) 图l - 1 模具钢的热开裂抗力与硬度和纯净度的关系 用热作模具钢制作的大量工模具都承受着机械冲击载荷。因此，冲击韧性也 是热作模具钢的一项极为重要的性能指标。 热作模具钢的发展大致可以分为3 个阶段f 8 1 ： 上海大学硕士论文 h 13 类钢的各向异性及热疲劳损伤园子的研究 第1 代热作模具钢主要包括5 c r n i m o 、5 c r m n m o 和3 c r 2 w 8 v 钢，自3 0 年 代初在工业中应用后至今仍广为应用，已经积累了丰富的冶炼、锻造、机械加工 和热处理工艺经验。 第2 代热作模具钢则是以美国的a i s ih 1 0 、h 1 l 、h 1 2 、h 1 3 钢系列为代表， 尤其以h 1 3 钢最受欢迎，h 1 3 钢是应用广泛的中温热作模具钢，h 1 3 钢由于化 学成分的优化，含有较多的c r 、m o 、s i 、v 等合金元素，基本上能满足热作模 具所要求的使用性能。h 1 3 钢与高韧性的第1 代热作模具钢5 c r n i m o 、5 c r m n m o 相比，具有更高的热强性、耐热性和淬透性，因而可用于取代因热强性不足的 5 c r n i m o 、5 c r m n m o 钢来制造热锻模以提高使用寿命；与高热强性热作模具钢 3 c r 2 w 8 v 钢相比，具有高的韧性和抗热疲劳性，因此，它可以成功地取代因韧 性或热疲劳性不足引起失效的3 c r 2 w 8 v 钢来制造热挤压模、铝合金压铸模和热 冲模。 8 4 0 7 钢是瑞典u d d e h o l m 公司产品，其成分与h 1 3 、4 c r 5 m o s i v l 基本 相同，但其冶炼工艺更为精细、先进，尤其是含硫量降得很低( 含硫量为0 0 0 0 5 ) ，其组织均匀、纯净度高，尤其是钢材的纵横向性能较为一致，所以组织、 性能十分优良，具有较高的红硬性及耐热疲劳性。 第3 代热作模具钢是瑞典u d d e h o l m 公司研制的u h bq r o8 0 m 、q r o 9 0s u p r e m e 和o r v a rs u p r e m e 钢系列f 9 】， q r o8 0 m 、q r o9 0 s u p r e m e 钢和d i e v a r 钢被称之是2 0 世纪9 0 年代新型优质热作模具钢 1 0 】 1 1 1 ( q r o8 0 m 、q r o9 0s u p r e m e 钢和d i e v a r 钢的化学成分见表1 1 ) ， 其韧性及延展性和热疲劳性能较优质h 1 3 钢相比，要高出5 0 1 0 0 1 2 1 ， q r 0 9 0 钢的大致成分相当于中国的4 c r 3 m 0 2 v ，它是瑞典钢铁公司特别为高 温工作的模具设计的专利合金钢。其红硬性比h 1 3 更好。将成为热作模具的 主选钢种，己在美国、日本、德国、瑞典等发达国家得到广泛应用，q r o9 0 和d i e v a r 的铝含量显著高于8 4 0 7 。钼容易形成稳定的碳化物，即使在较 高的温度下也不易分解和聚集长大，因此提高了钢材的热稳定性。在相同硬 度的条件下，d i e v a r 比8 4 0 7 具有更高的韧性和延展性，因此在使用过程中 热疲劳性能优于8 4 0 7 。 与第2 代热作模具钢相比，q r 0 8 0 m 、q r 0 9 0s u p r e m e 钢和d i e v a r 钢具有更细的显微组织：更高的回火稳定性；更好的热强性和相 t 海大学硕士论文 i - 1 13 类钢的各向异性及热疲劳损伤因子的研究 同的常温力学性能。 表1 - 1q r o8 0 m 、q r o9 0s u p r e m e 钢和d i e v a r 钢的化学成分( ) 另外，各国研究者根据特殊要求，自行研制了一些特种热作模具钢 1 3 1 。 1 2 热作模具钢的热疲劳特性 热疲劳通常是指一块材料在没有承受外载荷而是处于变化温度条件下的开 裂【i4 1 。这是由热应力和塑性应变引起的开裂，在模具表面逐步形成的细小的网 状裂纹，经过一定次数的热冲击后，裂纹变粗，使得被加工零件表面光洁度不能 满足要求，模具也就报废了。热疲劳的物理机制是低周疲劳，它是由每次热冲击 时温度周期性变化引起反复的塑性变形所造成的模具表面的疲劳【”】。图1 2 为 典型的模具表面的热疲劳裂纹。 图l 一2 典型模具表面的热疲劳裂纹 热作模具钢被广泛地应用于热锻模具中。在加工时，模具与加热的坯料接触 零件脱模后又被润滑剂冷却，这样使它的表面承受着循环热应力的作用。因此 热作模具表面就会产生热裂纹。 上海大学硕士论文 h 13 类钢的各向异性及热疲劳损伤因子的研究 铝压模铸造提供了一种经济的大量生产形状复杂和高精度公差零部件的方 法。压铸工艺的持续发展在很大程度上是因为压铸在汽车工业中的大量使用。在 汽车工业中，减轻重量越来越重要，因此产品设计的趋势是壁厚更薄，形状更复 杂，公差精度更高，零件尺寸也越大，这些都将导致模具表面更易损坏。热作模 具钢，尤其是压铸铝合金用模具用钢正在不断地向前发展，而限制压铸模寿命的 主要因素有：热疲劳、整体开裂、冲蚀、腐蚀、焊台、压痕等】1 15 。模具钢最 常见的失效表现在模具表面，热裂一般是最主要的失效形式 1 6 - 1 9 】。 在压铸m g 、a i 和c u 合金时，模具要承受循环的热应力和机械应力，这就 对模具的材料提出了很高的要求。模具的寿命主要受到热疲劳裂纹的形成和扩展 的限制，最终在模具表面形成网状裂纹，就是所谓的“热裂纹”。表1 2 是一些 压铸模的正常使用寿命以及影响寿命的因素叽 表1 - 2 压铸模的使用寿命及影响寿命因素 热疲劳的研究历史可以追溯到二十世纪三十年代。当时t , m c d u h a r n e l 首 先研究了物体在均匀加热时的热应力，并提出了计算方程式：不过这一研究是很 不完善的，直到二十世纪五十年代l e c o f f o n ，s s m a n s o n 公式的问世【2 0 】，才为 上海大学硕士论文 h 1 3 类钢的各向异性及热疲劳损伤因子的研究 这一领域的研究奠定了基础。 竽( 2 n 叶 式中：8p 为塑性应变幅 n f 为材料断裂循环周次 ef 为静拉神断裂应变 c 为材料常数 近二十年来，由于工业技术进步的需要，热疲劳的研究更有了蓬勃的发展， 已从定性的研究进入到定量的研究。 m a i m 和n o r s t r o m 运用平面应力的h o o k c 定律，从理论上解释了热龟裂， 指出表面的塑性应变为2 1 t 。 占。= a ( t 2 一正) 一0 一屹p ：易一o y b 。e ， 式中：口为平均热膨胀系数 疋一五为热循环过程中材料表面的最大温差 ，为最低、最高温度下的泊松比 e 。为最低、最高温度下的弹性模量 矾，为最低、最高温度下的屈服强度 从公式中可以看出，影响塑性应变关键是热循环过程中的温差及在最低、最 高温度下材料的屈服强度，即维持高的高温强度的能力。当然，热膨胀、弹性模 量和泊松比也很重要，但它们几乎不受合金元素和热处理的影响。 模具钢的几个关键性能对热疲劳有强烈的影响，热作模具钢应具有高的热屈 服强度、良好的回火抗力和热传导性以及低的热膨胀系数。好的热作模具钢在压 铸过程中整个温度范围内，即每次冲击周期的最低和最高温度之间必须保持这些 性能。 因此，为提高压铸模对热疲劳裂纹的抗力，优化模具材料的综合性能和采取 合适的处理工艺，弄清热疲劳机制是十分有意义的。 6 上海大学硕士论文 h 1 3 类钢的各向异性及热疲劳损伤因子的研究 1 3 热疲劳试验方法 虽然模具钢的热疲劳性能近几十年来受到人们极大的重视，但是热疲劳性能 的测试至今国内外还没有规范的标准方法。 最早的材料热疲劳性能测试方法是c o f f i n 法，属于外约束型热疲劳试验， 于1 9 5 3 年提出，现以成为一种重要的测试方法。但是由于该法需要大型的成套 设备，试验成本高，而且这种方法以约束状态下，试样受热应力断裂的寿命来确 定材料的热疲劳性能，这与真实工件特别是各种热作模具钢的热疲劳损坏形式 ( 龟裂) 相差较远。另外c o f f i n 法要求试样在温度变化时各处没有温度梯度， 只是在外约束力方向上递加热应力，而实际模具中存在着陡峭的温度梯度，因此 用c o f f i n 法所得的结果代表模具材料的抗热疲劳性能是相当困难的【2 2 】。 目前较为常用的有板状试样法和u d d e h o l m 的热裂纹评级法 2 3 】，后者属于自 约束型热疲劳试验，这两种方法因试验成本低，且试样的应力状态与损坏形 式都与实际接近，故为较多的模具材料研究者所采用。板状试样法又可按试片形 状和加热方式不同而分为数种。 此外还有实验模拟的热疲劳试验法和有机械应变重叠的热机械疲 劳试验。 由于热疲劳是热作模具失效的主要形式之一，因此国内外许多研究人员曾相 继开展了热作模具钢热疲劳性能的评定工作，其中以瑞典研究者提出的 u d d e h o l m 热疲劳图谱最为流行【2 4 l 。 u d d e h o l m 法是将棒状试样反复经高频感应加热和冷却后，参考标准图谱对 表面开程度比较评级的方法，试样制作简单，试验条件便于控制。 当然，也有一些研究者根据自己的研究目的各自设计了装置并规定了试验条 件1 2 5 2 6 1 。 1 4 影响热作模具钢热疲劳性能的因素 影响热作模具钢热疲劳性能的因素有很多，主要有如下这些因素2 7 l 1 4 1 温度的影响 对于温度的影响，主要考虑四个参数：最高温度l 。最低温度t ，温度变 化幅度k t = ( t 。，一t 。：。) 和平均温度t 。= ( t 。，+ t 。) 2 。由于热应变一般正比于循 上海大学硕士论文i - 1 1 3 类钢的各向异性及热疲劳损伤因子的研究 环温度幅，所以当t 。，。不变，t 。，升高，形成一定长度裂纹的循环次数减少；因而 当t 。不变，l 。升高，即t 降低时，形成一定长度裂纹的循环次数增加，即热 疲劳强度增加。若t 不变，平均温度提高，也即t 。，及t 一同时提高，则热疲劳 强度降低。 文献【2 即通过c o l 弧n 型热疲劳试验得出，热疲劳裂纹扩展驱动力为循环下限 温度时的拉应力，驱动力的产生起源于循环上限温度时的压缩塑性应变，主要受 钢的组织循环稳定性和钢的高温屈服强度所控制。 也有研究者根据修正后的m a n s o n - c o f f i n 公式以及热应力引起的热应变范 围，导出描述热疲劳裂纹起始寿命的的表达式【2 9 - 3 0 】。 m = 占；伍。，7 d ) 。 a t 一瓦】_ 2 式中：占；( 节口) _ 2 是与缺口几何和材料常数有关，称为热疲劳裂纹起始抗 力系数。并且认为，模具材料的热疲劳存在一个t 0 值，当t 4 2 0 4 2 0 4 1 4 u 型缺口样 4 c r 5 m o s i v l1 2 72 4 9 3 9 84 1 2 8 4 0 7 2 5 74 2 14 2 0 4 0 9 注： x 指试样未冲断 1 9 上海大学硕士论文h 1 3 类钢的各向异性疆热疲劳损伤园子的研究 图3 - 44 c r 5 m o s i v l ，8 4 0 7 钢淬、回火态试样的冲击韧性 上海大学硕士论文 h 1 3 类钢的各向异性及热疲劳损伤园子的研究 表3 4 冲击韧性的横纵比( a k ，蚰) 然而，在4 c r 5 m o s i v l 钢中，模块表面试样冲击韧性的横纵i ：e ( a k s a k l ) 为0 6 0 到0 9 0 ，模块心部试样冲击韧性的横纵l t ( a k s a k l ) 为0 1 5 到0 3 6 ，这表明该钢 具有明显的各向异性，如纵向冲击韧性值远高于横向冲击韧性值。比较这二种钢 可知，8 4 0 7 钢的冲击韧性比4 c r s m o s i v l 钢更高，并具有更小的各向异性。 3 2 2 冲击断口特性 图3 - 5 退火态4 c r 5 m o s i v l ，8 4 0 7 钢u 型试样宏观冲击断口对比 图3 - 6 淬、回火态4 c r 5 m o s i v l 、8 4 0 7 钢u 型试样宏观冲击断口对比 上海大学硕士论文h 1 3 类钢的各向异性及热疲劳损伤园子的研究 4 c r 5 m o s i v l ，8 4 0 7 钢u 型冲击试样的宏观断口如图3 5 ，3 - 6 所示。在8 4 0 7 钢的退火态冲击断口上显示高的塑性变形和大的剪切唇区，在所有位置和取向的 4 组试样上剪切唇大小类似。相反，在退火态的4 c r 5 m o s i v l 钢的冲击断口上出 现宏观的平面，在该钢的横向冲击试样的断口上没有明显的塑性变形出现，随试 样位置的不同，断口上平面区域、塑性变形和断口形貌而变化。在淬、回火后， 两种钢的u 型缺口试样冲击断口均未显示出较明显的塑性，但在8 4 0 7 钢的断口 上塑性变形程度大于4 c r 5 m o s i v l 钢。这些观察结果与冲击韧性的测试数据一 致。 图3 - 74 c r 5 m o s i v i 淬、回火态无缺口冲击试样断口上的碳化物形貌及能谱分析 用s - 5 7 0 扫描电镜对4 c r 5 m o s i v l 钢的试样断口分析证实，显示脆性的试 样断口表面有大块的一次碳化物，如图3 7 所示的是模块心部冲击试样的断口 面，而在模块表面的试样上未发现大块的一次碳化物。断口表面的一次碳化物分 析为是含v o m o c r 的碳化物。在8 4 0 7 钢中几乎未发现大块的一次碳化物，而一 次碳化物降低熟作模具钢的延性和韧性，这些观察结果验证了冲击试验的数据。 3 2 3 拉伸性能 二个取样方向不同位置各试样的拉伸性能如表3 - 5 、3 - 6 和图3 _ 8 、3 - 9 所示。 从表3 - 5 和图3 8 可发现，尽管8 4 0 7 钢的硬度高于4 c r 5 m o s i v l 钢，但8 4 0 7 钢 的韧性优于4 c r 5 m o s i v l 钢。在淬、回火后，这两种钢的强度几乎相等，但不同 上海大学硕士论文 h 1 3 类钢的各向异性爱热疲劳损伤因子的研究 取样部位的8 4 0 7 钢的韧性均优于4 c r 5 m o s i v l 钢，如表3 - 6 和图3 - 9 所示。通 过比较纵横向的强度和韧性可发现8 4 0 7 钢具有低的各向异性。 表3 - 54 c r 5 m o s i v l 和8 4 0 7 钢退火态拉伸性能 硬度 抗拉强度 延伸率断面收缩率 编号 h b m p a 点o a o 1 7 35 9 0 2 3 14 6 7 b o 1 7 85 9 52 5 16 4 1 c o 1 7 46 0 22 4 86 2 8 d o 1 7 95 9 22 4 16 2 6 a 1 1 9 96 6 42 3 16 3 8 b l 2 0 46 8 32 3 06 4 2 c l 1 9 76 6 82 4 66 5 4 d 1 1 9 96 7 02 4 26 5 9 图3 - 84 c r s m o s i v l 和8 4 0 7 钢退火态拉伸性能 上海大学硕士论文h 1 3 类钢的各向异性及热疲劳损伤因子的研究 表3 - 64 c r 5 m o s i v l 和8 4 0 7 钢淬、回火态拉伸性能 屈服强度抗拉强度延伸率断面收缩率 编号 盯o2 ，m p a盯6 ，m p a占l o a o 1 2 3 8 1 5 2 05 51 0 _ 3 b o 1 2 8 61 5 6 37 14 1 2 c o 1 2 0 91 5 5 08 44 2 4 d o 1 2 8 61 5 3 19 1 4 5 5 a i 1 2 8 61 5 2 07 6 3 9 3 b 1 1 3 0 41 5 4 68 7 4 2 1 c l 1 2 7 71 5 5 78 7 5 1 8 d 1 1 2 8 91 5 1 89 65 2 8 图3 - 94 c r 5 m o s i v l 和8 4 0 7 钢淬、回火态拉伸性能 3 2 4 金相组织 退火的目的是为获得在等轴状的铁素体基体上均匀分布着球状碳化物的组 织，图3 一1 0 所示为4 c r 5 m o s i v l 和8 4 0 7 钢的退火组织，在4 c r 5 m o s i v i 钢中碳 化物不均匀分布，在局部地方出现较严重的碳化物分布于晶界的现象，如图3 - 1 0 中的a 0 所示。这种微观组织结构使4 c r 5 m o s i v l 钢心部的横向冲击韧性低下，如 上海大学硕士论文 h 13 类钢的各向异性及热疲劳损伤因子的研究 表3 2 ，3 3 和图3 3 ，3 4 所示的室温冲击韧性的结果。在淬、回火后，相当 数量的晶界碳化物保留下来，低的横向冲击韧性没法避免。图3 一l l 所示是 4 c r 5 m o s i v l 和8 4 0 7 钢的回火组织，在4 c r 5 m o s i v l 钢中仍可看到这种不均匀的 微观组织结构。 图3 - l o 退火态的金相组织，4 硝酸洒精，5 0 0 x 图3 - i i 回火组织4 硝酸洒精。5 0 0 x 8 4 0 7 钢中碳化物是相当均匀和细小，如图3 - 1 0 中的a l 所示，而得到的回 火马氏体也十分均匀，如图3 - 1 1 中a l 所示。热处理后8 4 0 7 钢的表面和心部呈 现类似的微观组织，因此也有教接近的冲击韧性值。 3 2 5 宏观低倍 宏观酸浸试验结果表明，8 4 0 7 钢的宏观组织的致密度高于4 c r 5 m o s i v l 钢。 根据a s t me 4 5 标准，这两种钢中的非金属夹杂物量均低于标准所允许的最大 上海大学硕士论文h 1 3 类钢的各向异性及热疲劳损伤园子的研究 值，在磨抛后的试样截面上呈现很少的夹杂物，但4 c r 5 m o s i v l 钢中的非金属夹 杂物的量略高于8 4 0 7 钢的水平，如表3 7 所示。 表3 - 7h 1 3 夹杂物评级 s s ：硫化物；o a ：分散形氧化物；o s ：条状氧化物：0 ( 3 ：球状不变形氧化物 3 3 本章小结 3 3 1 8 4 0 7 钢的冲击韧性较4 c r 5 m o s i v l 钢高。4 c r 5 m o s i v l 钢退火及淬回火态 表面横纵向冲击韧性的比分别为o 6 0 o 9 0 ，心部横纵向冲击韧性的比分 别为0 1 5 o 3 6 ；8 4 0 7 钢退火及淬回火态表面横纵向冲击韧性的比分别为 o 8 3 1 0 3 ，心部横纵向冲击韧性的比分别为0 6 1 0 8 5 。8 4 0 7 钢较 4 c r 5 m o s i v l 钢表现出更小的各向异性。 3 3 2 淬、回火后二种钢的u 型缺口冲击均未显示明显的塑性，但在8 4 0 7 钢断 口表面的塑性程度较4 c r 5 m o s i v l 钢高。 3 3 3 在同样的硬度条件下，这二种钢的强度几乎相等，但不同位置的8 4 0 7 钢 试样的塑性均高于4 c r 5 m o s i v l 。 3 3 4 在8 4 0 7 钢中的球状碳化物分布相当均匀且细小，相比较4 c r 5 m o s i v l 钢 的碳化物分布不均匀，有沿晶分布。8 4 0 7 钢的宏观组织较4 c r 5 m o s i v l 钢致密，后者的非金属夹杂物量稍高于前者。 上海大学硕士论文 h 1 3 类钢的各向异性及热疲劳损伤因子的研究 第四章热作模具钢热疲劳损伤因子的研究 4 1u d d e h o l m 热疲劳评判方法的局限性 传统的热疲劳的评定方法是采用u d d e h o l m 的图谱法1 4 5 l ，将棒状试样反复经 高频感应加热和冷却后，参考标准图谱对表面龟裂程度比较评级的方法。这套评 定图谱最大的优点在于它的直观性，考虑了裂纹局部的宽度与整体的广度，但这 套图谱最大的缺点在于它难以定量化，热疲劳裂纹的评定受主观因素的影响较 大，所以有必要进行修正，给出定量化的图谱评级标准。国内有学者已提出热疲 劳损伤因子来评定热疲劳裂纹【4 6 4 7 】，编制了相应软件对u d d e h o l m 热疲劳图谱进 行分析与定量评定，引入了损伤因子( 裂纹面积主裂纹平均宽度) 来表明热疲 劳的损伤程度，但其没有考虑到总裂纹长度和裂纹深度，故也有其不足之处。国 外还有学者根据裂纹深度面积、宽度和长度等来评定热疲劳损伤【4 8 4 9 ，但其方法 是通过手工计算，人为影响因素较大，而且工作量很大。 4 2u d d e h o l m 图谱的定量分析 u d d e h o l m 热疲劳图谱包括a ，b 标准，其中a 标准为网状裂纹，b 标准为 主裂纹，各分为1 0 级，用自编的软件将其分别定量计算，包括裂纹的面积，最 宽裂纹尺寸和裂纹的总长度，表4 - 1 、4 - 2 和图4 - 1 、4 - 2 分别为网状裂纹和主裂 纹的计算后的结果( 图中圆圈表示最宽裂纹尺寸) 。 表4 - 1u d d e h o l m 网状裂纹的定量分析结果 裂纹级别 a，446 4 1 59 4 3 8 0 8 w，m m o 5 3 30 5 3 30 6 6 6 0 5 3 3o 7 9 90 6 6 60 7 9 91 0 6 61 8 6 6 6 2 6 6 l m m1 8 012 1 3 17 9 2 ，73 6 7 26 3 3 4 5 2 6 95 3 273 0 212 2 3 73 0 13 2 7 上海大学硕士论文8 13 类钢的各向异性及热瘟劳损伤因子的研究 图4 - 1u d d e h o l m 网状裂纹级别 表4 2u d d e h o l m 主裂纹的定量分析结果 上海大学硕士论文 h 1 3 类钢的各向异性及热疲劳损伤园子的研究 图4 - 2u d d e h o l m 主裂纹级别 根据计算结果作图，图4 3 、4 - 4 、4 - 5 分别为网状裂纹级别与裂纹面积、裂 纹最宽尺寸、裂纹总长度关系。 m ” ，i g 扣 g 。 5 0 图4 - 3 网状裂纹级别与裂纹面积关系图4 - 4 网状裂纹级别与裂纹最宽尺寸关系 lv、*#g 上海大学硕士论文 h 1 3 类钢的各向异性及热疲劳损伤因子的研究 唾一 图4 5 网状裂纹级别与裂纹总长度关系 可以看出，图4 3 中裂纹面积总体上是随着级别的增加而增加，但在3 - 4 级 间数据较为离散，5 9 级又较为接近，难以评判；而图4 - 4 的裂纹最宽尺寸与 级别虽然有一定的递增关系，但是在3 - 6 级变化不明显，很难判断；图4 5 中的 裂纹总长度在3 级处有一峰值，1 。3 级呈递增关系，3 1 0 级大致呈递减关系，但 数据跳跃较大，给热疲劳裂纹的评判带来很大的困难。 图4 - 6 、4 - 7 、4 - 8 分别为主裂纹级别与裂纹面积、裂纹最宽尺寸、裂纹总长 度关系。 l i ： _ 2 1 图4 - 6 主裂纹级别与裂纹面积关系图4 7 主裂纹级别与裂纹最宽尺寸关系 上海大学硕士论文 h 13 类钢的各向异性及热疲劳损伤因子的研究 彻 o e 瑚 曼埘 日蛳 w 抽 1 * o 图4 - 8 主裂纹级别与裂纹总长度关系 图4 - 6 中裂纹面积总体上呈递增关系，但在4 8 级间与裂纹级别没有对应关 系：图4 + 7 的裂纹最宽尺寸与级别虽然有一定的递增关系，但是在1 - 5 级变化不 明显，很难判断；图4 8 中的裂纹总长度也在3 级处有一峰值，l _ 3 级呈递增关 系，但在3 1 0 级数据震荡较大，虽然有降低的趋势，但是在4 - 8 级的评判还是 有困难的。裂纹总长度( 都在3 级处出现峰值) 与热疲劳循环次数的关系有待于 进一步的研究。 因此，即使将根据u d d e h o l m 图谱的网状裂纹及主裂纹定量化，也很难来评 判热疲劳性能的好坏。而且光从单一的裂纹面积、裂纹最宽尺寸或裂纹总长度来 评判热疲劳性能的优劣是不完全的，必需几者兼顾，而且不但要根据裂纹的表面 形貌，还应从裂纹的深度形貌去考虑，这就势必要提出一种新的热疲劳损伤因子 的概念。 4 3 热疲劳裂纹表面和深度参数与热疲劳循环次数的变化规律 4 3 1 热疲劳裂纹表面参数与热疲劳循环次数的关系 为研究损伤因子中的面积百分比( a ) 、裂纹总长度( l ) 、最宽主裂纹尺寸( w ) 与热疲劳循环次数的关系，将4 c r 5 m o s i v l 钢经1 0 2 5 淬火6 1 0 回火( 2 次， 每次2 小时) 试样进行热疲劳试验，为观察裂纹形貌的发展规律，采用单个试样 经5 0 0 、1 0 0 0 、1 5 0 0 、2 0 0 0 、2 5 0 0 、3 0 0 0 、4 0 0 0 、5 0 0 0 次循环后，进行形貌分析， 借助自编的计算机图象分析软件，分别算出其裂纹的面积百分比、裂纹总长度和 最宽处尺寸。见图4 - 9 、表4 3 。 上海大学硕士论文 h 1 3 类钢的各向异性殛热疲劳损伤因子的研究 图4 - 94 c r 5 m o s i v l 钢经不同循环次数后热疲劳裂纹的计算机图象处理结果 上海大学硕士论文 h 1 3 类钢的各向异性及热疲劳损伤因子的研究 由于是同一个试样，不可能在每一次间断点破坏试样进行裂纹的纵向研究 因此在裂纹深度方面的研究将另外进行。 表4 - 3 裂纹面积百分比、最宽尺寸和总长度与循环次数的关系 分别以裂纹面积百分比、最宽主裂纹尺寸、裂纹总长度作图得到图4 1 0 、 4 1 1 、4 1 2 。 。3 0 。j 5 呈e 。” 弘 。1 。 00 5 01 0