（材料学专业论文）铌微合金化h13钢的热疲劳行为.pdf

摘要 a i s ih 1 3 钢是目前应用极为广泛的一类热作模具钢，主要应用于压铸模、 热挤压模和热锻模等。热疲劳是这类钢的主要失效形式。本文研究了微量n b 对 川3 钢热疲劳行为的影响，初步探明了n b 微合金化h 1 3 钢的热疲劳裂纹萌生、 扩展的主要方式及其热疲劳循环软化的表现形式，并提出相应的热疲劳寿命预测 模型；同时对热疲劳过程中多元合金钢的碳化物粗化动力学行为也进行了初步探 讨。主要结论如下： 1 、借助t h e r m o c a l c 热力学计算软件和t e m & e d s 等手段，研究了微量铌 对h 1 3 钢的显微组织结构、碳化物的类型、大小和分布的影响。研究表明，在 相同的奥氏体化温度下，添加微量的n b 可以有效细化h 1 3 钢的奥氏体晶粒，甚 至添加0 0 7 w t n b 的h 1 3 钢在1 1 2 0 奥氏体化后的晶粒大小与普通h 1 3 钢 1 0 3 0 奥氏体化时的晶粒大小相当；同时碳化物细小且更加弥散。 2 、对铌微合金化h 1 3 钢的室温及高温力学性能研究表明，添加微量n b 对 h 1 3 钢的抗拉强度和屈服强度的贡献不显著，而且对塑韧性的改善也有限。回火 软化抗力和热稳定性的研究结果表明，微量铌的添加改善了h 1 3 钢的回火软化 抗力和热稳定性，其中添加0 0 7 w t n b 的效果好于添加0 0 1 4 w t n b 的效果。 3 、添加微量的n b 使h 1 3 钢的热疲劳裂纹萌生细小、均匀，裂纹扩展缓慢； 热疲劳后的硬度梯度下降缓慢，软化层较浅，从而显著提高了h 1 3 钢的热疲劳 性能。其中含o 0 7 w t n b 的h 1 3 钢热疲劳性能最好。奥氏体化温度对所研究钢 的热疲劳性能有明显的影响。随奥氏体化温度升高，钢的热疲劳性能先增加后降 低，在1 0 8 0 奥氏体化时钢具有最好的热疲劳性能。 4 、对n b 微合会化h 1 3 钢和普通h 1 3 钢热疲劳后的表层硬度测试发现，在 热疲劳过程中的表层硬度随循环次数的增加呈类震荡周期变化。在热疲劳循环起 始阶段，表层硬度急剧下降，类震荡频率较快；在热疲劳后期，类震荡频率趋缓， 表层硬度总体表现为循环软化特性。t e m & e d s 分析显示，热疲劳初期表层硬度 的急剧下降与m 2 3 c 6 碳化物的迅速粗化有关；而表层硬度的类震荡周期变化与位 错密度的变化密切相关。 5 、对几种h 1 3 类钢的碳化物形念和弥散分布程度的比较分析发现，热疲劳 裂纹的萌生与其碳化物的弥散分布程度有关。n b 微合会化h 1 3 钢的碳化物分布 较细小且弥散分布，其萌生的裂纹较多，但细小均匀；而普通h 1 3 钢的碳化物 较粗大且碳化物聚集明显，因而萌生的裂纹较少但粗大。萌生的热疲劳裂纹几乎 是垂直于试样表面向内以突进方式在扩展，显示出裂纹扩展是以穿晶方式进行 的。基于c o f f i n m a n s o n 公式，并计及热应变并不完全转变为机械应变这个因素， 导出一个适用于自约束热疲劳寿命的预测模型，即 s ， 跳7 1 ( 1 - v 2 ) o 2 ( 1 - 一t ) i ) o i 一 e ，e ， 6 、对m 2 3 c 6 碳化物在等温时效过程中与热疲劳过程中的粗化行为的对比研 究发现，热疲劳过程加速了碳化物的粗化，表明碳化物粗化与合金元素在热应力 作用下的较快扩散有关。在此基础上，运用d i c t r a 动力学软件模拟了7 0 0 。c 时 效过程中的m 2 3 c 6 的粗化行为；同时也模拟探讨了v m o 值的变化和添加微量 n b 对m 2 3 c 6 碳化物粗化速率的影响，认为在h 1 3 钢中添加o 0 7 w t 的n b 以及 增加v m o 值均可降低m 2 3 c 6 碳化物的粗化速率。 7 、基于经典的碳化物羊r 化模型，计及应力作用下的合金元素扩散行为，推 导出多元合金钢中的球状碳化物在应力作用下的粗化速率公式，其表达式为： 一dr：堑+鲁(巩训。dt l k t 钾忙。一k 。) r 胛智“”1 “ 关键词：h 1 3 钢，n b 微合金化，热疲劳行为，循环软化，碳化物粗化，n l e m o c a l c & d i c t r a 软件 i l a b s t r a c t a i s i h l 3h o tw o r kt o o ls t e e li sw i d e l yu s e df o rh o tf o r g i n g ，h o t - e x t r u s i o na n d d i e c a s t i n gb e c a u s eo fi t sh i 曲t e m p e r a t u r es t r e n g t h ，i m p a c tt o u g h n e s s ，h e a tc h e c k i n g r e s i s t a n c ea n dw e a rr e s i s t a n c ee t c t h et h e r m a l l yi n d u c e ds u r f a c ed a m a g e ，i e t h e r m a lf a t i g u e ，i sb e l i e v e dt ob ec o n t r o l l e db yt h em a g n i t u d eo ft h ei m p o s e dc y c l i c s t r a i n t h et h e r m a lf a t i g u eo nt h es u r f a c eo fh o tw o r k i n gd i e ，w h i c hi sr e s p o n s i b l et o t h ei n i t i a t i o no ft h ec r a c k s ，i sr e p o r t e dt or e s u l ti nm o r et h a n8 0 o ft h ef a i l u r eo f d i e s i nt h i sp a p e r , a i m e dt os u p p r e s st h ec r a c kg e n e r a t i o na n di m p r o v et h eh e a t c h e c k i n gr e s i s t a n c e ，n i o b i u mi sa d d e di n t ot h eh 1 3s t e e l t h em e c h a n i c a lp r o p e r t i e s ， t h er e s i s t a n c et ot e m p e rs o f t e n i n g ，t h e r m a ls t a b i l i t y , t h ec y c l i cs o f t e n i n ga n dt h e t h e r m a lf a t i g u el i f ep r e d i c t i o nf o rh 1 3s t e e lw i t h a n dw i t h o u tn i o b i u ma r ei n v e s t i g a t e d t h ec o a r s e n i n gk i n e t i c so fm 2 3 c 6c a r b i d ei nh 13s t e e ld u r i n gt h e r m a lf a t i g u ei sa l s o s t u d i e d a n dt h em a i nr e s u l t sa r es u m m a r i z e da sf o t l o w s 1 t h ei n f l u e n c eo ft h en i o b i u mo nt h em i c r o s t r u c t u r ea n dt h et y p e ，s i z ea n d d i s t r i b u t i o no fc a r b i d e si na i s ih 1 3s t e e lh a v eb e e ni n v e s t i g a t e db ym e a n so f t h e r m o c a l cs o f t w a r ea n dt e m & e d s i ti ss h o w nt h a ta u s t e n i t i cg r a i n so fh 13s t e e l c o n t a i n i n gn i o b i u ma r es m a l l e rt h a nt h o s ew i t h o u tn i o b i u m e x p e r i m e n t a lr e s u l t s i n d i c a t et h a tt h e0 0 7p e tn i o b i u mi nh 1 3s t e e li ss u f f i c i e n tt os u p p r e s sg r a i ng r o w t ha t t h ea u s t e n i t i z i n gt e m p e r a t u r eu pt o1 1 2 0 c a f t e rm i c r o a l l o y e db yo 0 7 p e tn i o b i u m ， t h ec a r b i d e sb e c o m es m a l l e ra n di t sd i s t r i b u t i o nb e c o m em u c hm o r ed i s p e r s i v ei nt h e 1 1 1 h 1 3s t e e l 2 t h ea d d i t i o no fn i o b i u mi nh 1 3s t e e lc a ni m p r o v et h er e s i s t a n c et ot e m p e r s o f t e n i n ga n dt h e r m a ls t a b i l i t y h o w e v e r , i td o e sn o tl e a dt os i g n i f i c a n te n h a n c e m e n t f o rt h er o o mt e m p e r a t u r ea n dm e c h a n i c a lp r o p e r t i e sa th i g ht e m p e r a t u r e 3 t h es e l f - r e s t r i c t e dt h e r m a lf a t i g u et e s t sa r ep e r f o r m e db ym e a r l so fah i g h f r e q u e n c yi n d u c t i o nh e a t i n gs y s t e m c o m p a r e dt ot h eh 1 3s t e e lw i t h o u tn i o b i u m ，t h e g e r m i n a t i o no ft h ec r a c k si nh i 3 s t e e ld o p e db ym i c r o - n i o b i u mi sf o u n dt ob ef i n e a n dh o m o g e n e o u s c o n s e q u e n t l y , t h ea d d i t i o no f0 0 7p c tn i o b i u mi nh 1 3s t e e l c o n t r i b u t e st oas l o w e rc r a c kg r o w t h t h eh a r d n e s sp r o f i l e sm e a s u r e m e n t so nt h e s p e c i m e ns e c t i o ns h o w st h a tt h ed e c r e a s eo nt h eh a r d n e s so f t h eh 1 3s t e e lw i t h o u tn b i sm o r er a p i dt h a nt h a td o p e db yn b ，a n dt h ed i s t a n c eo fs u r f a c es o f t e n i n gb e c o m e s l o n g e ra f t e rm i c r o a l l o y e db yn b t h i si n d i c a t e st h a tt h ea d d i t i o no fn i o b i u mc a n i n c r e a s et h et h e r m a lf a t i g u er e s i s t a n c eo f t h eh 1 3s t e e l m e a n w h i l e ，t h ea n s t e n t i z i n g t e m p e r a t u r ep l a y sas i g n i f i c a n tr o l eo nt h et h e r m a lf a t i g u er e s i s t a n c eo ft h eh 1 3s t e e l i ti sf o u n dt h a tt h et h e r m a lf a t i g u ec r a c kg r o w t hi st h es l o w e s tw h e na u s t e n i t i z e da t 1 0 8 0 ca n dt h et h e r m a l f a t i g u ep r o p e r t yo ft h e h 1 3s t e e lw i t h0 0 7 w t n b a u s t e n i t i z e da t1 1 2 0 i s b e t t e r t h a n t h a t a u s t e n i t i z e da t1 0 3 0 4 t h es u r f a c eh a r d n e s si nh 1 3s t e e li sf o u n dt op o s s e s sac y c l i cv i b r a t i o nw i t ht h e n u m b e ro ft h et h e r m a lc y c l e s i nt h eb e g i n n i n go ft h et h e r m a lc y c l e ，t h es u r f a c e h a r d n e s sd e c r e a s e ss h a r p l yw i t ha h i g h f r e q u e n c yv i b r a t i o n i nc o n t r a s t ，t h ef r e q u e n c y o f t h ec y c l i cv i b r a t i o no f t h es u r f a c eh a r d n e s sb e c o m e sl o w e ra tt h ef i n a l l ys t a g e a sa w h o l e ，t h eh a r d n e s so f t h es u r f a c el a y e rs o f t e n sw i t ht h ep r o g r e s si nt h et h e r m a lc y c l e i v b yt h ea n a l y s i so ft e m & e d s ，i ti sc l e a rt h a tt h es h a r ps o f t e n i n ga n dt h ec y c l i c v i b r a t i o no nt h es u r f a c eh a r d n e s sa r ec l o s e l yr e l a t e dt ot h ec o a r s e n i n go fm 2 3 c 6 c a r b i d e sa n dt h ec y c l i cv i b r a t i o no f t h ed i s l o c a t i o nd e n s i t y , r e s p e c t i v e l y 5 t h en u c l e a t i o no ft h et h e r m a lf a t i g u ec r a c k si sr e l a t e dt ot h ed i s p e r s i o no f c a r b i d e sb o t ht h ec a r b i d e sa n dt h en u c l e a t e dm i c r o c r a c k si nh 1 3s t e e ld o p e dw i t l l n i o b i u ma r ef i n ea n dh o m o g e n e o u s i nc o n t r a s t ，t h el a r g ea n dc o a r s e n i n gc a r b i d e si n o r d i n a r yh 1 3 s t e e lr e s u l ti ns o m eh u g ec r a c k s t h eg r o w t ho ft h et h e r m a lf a t i g u e c r a c k si sr a p i da n dn o r m a lt ot h es u r f a c eo ft h es a m p l e ，s u g g e s t i n ga ni n t r a c r y s t a i l i n e p r o p a g a t i o nm o d e t a k i n ga c c o u n tt h a tt h et h e r m a ls t r a i nc a nn o tb et r a n s l a t ei n t ot h e m e c h a n i c a lo n e ，am o d e li sc o n s t r u c t e dt op r e d i c tt h el i f eo f t h es e l f - r e s t r i c t e dt h e r m a l f a t i g u e o nt h e b a s i so fc o f f i n m a n s o n e q u a t i o n ， ，一 二a 罨享年卜删m e 础u ，a t e a r e s u n si 幽a t em a t t i m e sl o n g e rt h a nt h el i f ef o rt h eo r d i n a r yh 1 3s t e e l 6 f r o ma n a l y s i so nt h ec o a r s e n i n gb e h a v i o r so ft h em 2 3 c 6c a r b i d e sd u r i n gt h e p e r i o d so fa g e i n ga n dt h et h e r m a lf a t i g u ec y c l e ，t h er a p i dc o a r s e n i n gv e l o c i t yo ft h e c a r b i d e si nt h ed u r a t i o no ft h et h e r m a lf a t i g u ec y c l ea r ef o u n dt ob ec o r r e l a t e dw i t i l t h ed i f f u s i o no ft h ea l l o y i n ge l e m e n tu n d e rt h es t r e s s t h ec o a r s e n i n gb e h a v i o ro ft h e m 2 3 c 6c a r b i d e si nt h ea g e i n gp e r i o d sa t7 0 0 ci ss i m u l a t e db ym e a n so f t h ed i c t r a s o f t w a r ea n dt h ei n t e r f a c i a le n e r g yb e t w e e nt h em 2 3 c 6c a r b i d e sa n dt h em a t r i xi s c a l c u l a t e da sa b o u t0 7 j m t h ei n f l u e n c e so ft h ev m ov a l u ea n dt h ea l l o y i n g v e l e m e n tn i o b i u mo nt h ec o a r s e n i n gv e l o c i t yo ft h em 2 3 c 6c a r b i d e sa r ee v a l u a t e d i ti s b e l i e v e dt h a tb o t ht h ea d d i t i o no fo 0 7 w t n i o b i u mi n t ot h eh 1 3s t e e la n dal a r g e r v m ov a l u e sc a r ll o w e rt h ec o a r s e n i n gv e l o c i t yo f t h em 2 3 c 6c a r b i d e s 7 b a s e do nt h et y p i c a lc o a r s e n i n gm o d e lf o rt h ec a r b i d e s ，an e we q u a t i o nt o e v a l u a t et h ec o a r s e n i n gv e l o c i t yu n d e rt h es t r e s si sd e r i v e df o rt h es p h e r i cc a r b i d e si n m u l t i a l l o y i n g 毗i e f d r 等善尚嚼莓( d 属) ，c o a t ot h eg e n e r a ll s wm o d e l k e yw o r d s ：a i s ih 1 3s t e e l ，n i o b i u mm i c r o a l l o y e d ，t h e r m a lf a t i g u eb e h a v i o r , c y c l i cs o f t e n i n g ，c o a r s e n i n go f c a r b i d e s ，t h e r m o - c a l c & d i c t r a s o f t w a r ep a c k a g e 原创性声明 本人声明：所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作。 除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已发表 或撰写过的研究成果。参与同一工作的其他同志对本研究所做的任何 贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名：兰盘坚当日期：! ! ：艺! 本论文使用授权说明 本人完全了解上海大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学 校有权保留论文及送交论文复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可 以公布论文的全部或部分内容。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名：蝉师签名： ：海人学博1 论文第一章绪论 第一章绪论 1 1 引言 减轻车身重量，减少能源消耗如今已成为汽车工业发展的主流。铝合金压铸 件由于重量轻，性能好，因而在汽车工业上获得极为广泛的应用。据统计，一辆 轿车上铝合金零部件的重量可达3 0 公斤左右，且大部分是压铸件。 二十世纪三十年代中期，为适应铝合金压铸工艺的发展，美国开发了一系列 中合金铬系热作模具钢，其中以h 1 3 钢应用最为广泛。h 1 3 ( 4 c r 5 m o s i v l ) 钢 由于其具有优良的韧性和热强性，因而已逐步取代了因韧性和热疲劳抗力不足而 引起失效的3 c r 2 w 8 v 来制造有色金属压铸模【1 4 】；与传统的热锻模用钢 5 c r n i m o 、5 c r m n m o 钢相比，h 1 3 钢具有更好的热强性【1 ，m j 。 现代制造业的发展不断地对热作模具钢性能提出新的要求。目前世界各国主 要采用如下两种途径提高模具钢的性能以满足工业发展的要求：一是优化模具钢 的成分，二是改进模具生产流程和工艺控制技术。 日本是近年来开发热作模具钢新钢种最多的国家，如在5 c r n i m o 钢基础上 提高n i 、m o 含量，同时添加一定量的v ，使大截面模具中心也能淬硬，提高了 其使用寿命。在h 1 3 钢基础上提高m o 含量至2 发展的新钢种s k d 6 1 ，在h 1 0 钢基础上提高s i 、v 、m n 的量发展的d h 7 1 钢等【3 一。欧洲许多国家的热作模具 钢钢种的开发也采用了类似的思路，如通过调整h 1 3 钢中c r 、m o 、v 、c 的含 量，以及增加n i 、n b 的量，发展了许多新钢种，较典型的有瑞典的q r 0 9 0 和 d i v a r 钢【5 】 与h 1 3 钢相比，q r 0 9 0 钢含较低的c r ，同时增加钢中的m o 含量 从而推迟了高温稳定性较好的m c 型碳化物向稳定性较差的m 2 3 c 6 型碳化物转 变，其综合性能如高温屈服强度、韧性、耐热性及热疲劳抗力均优于h 1 3 钢【7 8 】。 我国许多科研单位在发展热作模具钢方面也作了大量工作。如在3 c r 3 m 0 3 v 基础上推出的g r 和h m l ( 2 c r 3 m 0 3 w 2 v ) 钢【9 】，在保持该钢较好的强韧性条件 下提高其热稳定性，适用于制造高温、高速、高载荷、急冷条件下工作的热作模 具钢；通过调整m o 和v 的含量，加入1 n i 和0 5 n b ，研制成h d 钢【1 0 l ，提高 了钢的室温和高温韧性及热稳定性，使用寿命比原钢种有显著提高。另外，在 h 1 3 钢基础上【2 ”，通过添加合金元素或调整合会元素的含量成功地推出了许多改 l 海人学博i 论文 第章绪论 良钢种，如y 4 、h d 2 、t m 钢等，在某些性能方面优于h 1 3 钢。 虽然如此，但是国内外目前仍普遍采用h 1 3 钢作为铝合金( 或其他有色金 属) 压铸模用钢，主要在于其具有强韧性兼顾、工艺稳定性好、生产成本相对较 低、适用范围较广的特点。 表1l 所示为常用铝合金压铸模用钢的化学成分。 表1 l 常j _ ； 铝合金压铸模用钢的化学成分 1 2 热作模具的主要失效形式及热作模具钢的性能要求 热作模具一般工作在高温下且模具表面经常要承受急冷急热的温度变化， 工作条件恶劣。热作模具的主要失效形式有：热疲劳失效( 即热裂) 、整体开裂、 热冲蚀、热磨损以及焊合旧。 据统计，约8 0 上的铝合金压铸模具都是因热裂而失效【1 3 - 1 4 】：即模具表 面因热疲劳产生的粗、深、密的裂纹，裂纹扩展使铝合金零件的表面质量和尺寸 精度不能达到要求而导致模具的最终失效。热疲劳抗力与韧性和高温屈服强度密 切相关 1 5 - 1 8 】。随着钢中非金属夹杂物和共晶碳化物的数量以及微观偏析程度的 降低，韧性和抗热裂能力均提高，从而延缓热疲劳裂纹的萌生和扩展。此外，高 的高温屈服强度也能提高抗热裂能力。如d i e v a r 钢和8 4 0 7 钢在4 4 h r c 的硬 度下，在6 0 0 时的高温屈服强度分别是5 6 0 m p a 和5 1 0 m p a ，d i e v a r 6 0 0 时 热屈服强度比8 4 0 7 高1 0 左右，高的高温屈服强度就意味着好的热疲劳性能， 再加上d i e v a r 在相同韧性水平下硬度比8 4 0 7 高出2 - 3 h r c ，而较高的硬度也 有助于改善热疲劳性能【i9 1 。所以，在相同冷热循环次数下，d i e v a r 的裂纹数 目比8 4 0 7 少，主裂纹深度也比8 4 0 7 浅，即具有较好的热疲劳性能。因此考核材 料的热疲劳性能时，应注意区分材料的疲劳形式，并据此确定模具合适的强韧性 海大学博i 论文 第一章绪论 配合。 对于压铸模，模具表面还受到熔融会属的冲蚀1 2 0 i ，即熔体运动引起模具表 面的热机械磨损。同时，压铸时模具表面暴露在金属熔体中，如铝合金压铸时， 铝原子将从熔融铝合会中扩散到模具钢表面，在模具表面接触处生成脆性的铁铝 化合物，成为热疲劳裂纹的萌生源。对模具表面进行表面渗氮或氧化处理，在模 具表面形成一层保护层，可以延缓冲蚀。 整体丌裂通常是由于偶然的机械过载或热过载而导致模具灾难性断裂【2 1 】， 其物理机制是处于拉应力状态下的脆性裂纹失稳扩展。模具存在应力集中是导致 整体开裂的主要因素。高的断裂韧性可以提高裂纹扩展抗力，防止整体开裂。但 韧性提高又会降低硬度，削弱热疲劳抗力。所以防止整体开裂的有效措施是在保 证足够硬度的前提下尽可能提高材料的韧性。 因此，鉴于热作模具的恶劣的工作环境，作为热作模具钢来说必须具有以 下特点： 高的热强度可以减少热疲劳裂纹和延长使用寿命 好的回火稳定性可避免软化 好的韧性与延展性可避免热裂、减少热疲劳裂纹 较低的热膨胀系数降低模具表面的应力与应变，以减少热疲劳裂纹 高的导热系数降低温度梯度和热应力，减少热疲劳裂纹 好的化学稳定性避免与熔融金属液及空气反应 1 3 影响热作模具钢热疲劳性能的主要因素 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。因而热作 模具工作时必定承受循环热应力的作用，从而使得模具表面逐步形成细小的网状 裂纹，经过一定周次的循环，裂纹将扩展、变粗，从而影响被加工零件的表面质 量，使得模具失效。 热疲劳性能是热作模具钢应具有的重要性能之一，特别是压铸过程中，热疲 劳性能是限制模具使用寿命的主要因素，它是一个综合性能指标，影响因素复杂， 即有外部环境因素和模具结构因素，也有模具钢自身的如力学性能和显微组织结 构因素。下面简要介绍之。 1 ) 力学性能的影响 3 海人学博 。论文 第章绪论 目前，热作模具钢的强度和塑性对热疲劳抗力的影响众说纷纭，不同的实验 方法得到不同的结论。采用恒应力控制热疲劳实验的认为 2 2 - 3 3 】：强度愈高，寿命 愈高，因为高的屈服强度可以抵抗热循环产生应力，只要热循环产生的应力不超 过材料的屈服强度，模具就不会开裂。而恒应变控制热疲劳实验的结论却认为强 度愈高，寿命愈低【2 4 1 ，因为强度愈低，其塑性愈好，而较好的塑性可以使局部应 力集中松弛。应该来说，高的屈服强度和好的塑韧性对热疲劳抗力均有贡献。有 研究认为【2 5 】，在双对数座标上某些合金的热疲劳抗力与强度和塑性之积成线性关 系。但对于同一种材料而言，强度和塑韧性很难兼顾，也有研究表明，在某些情 况下，压铸模表面热疲劳裂纹的形成是由材料的蠕变抗力控制的【2 6 1 ，蠕变抗力越 高，裂纹越不易扩展，其热疲劳抗力就越高。 材料的各向同性对热疲劳性能的影响也很大【2 ”。特别是韧性的各向同性，韧 性的各向同性越好，其热疲劳抗力越高。因为韧性各向同性越好，其所受的热应 力也越均衡，不易造成应力集中现象，裂纹形成及扩展就相对缓慢。 2 ) 淬火与回火温度的影响 热作模具钢在工作中受冷热循环的作用将进一步发生回火转变1 2 引，通过相变 应力松弛使压应力大幅度减少，拉应力上升，使热疲劳驱动力增加，热疲劳抗力 下降。因此，模具钢组织稳定性越好越有利于提高材料的热疲劳抗力。 在相同的回火温度下，提高奥氏体化温度有利于提高钢的热疲劳抗力 2 9 - 3 0 1 。 第一，随着淬火温度提高，未溶碳化物数量减少，提高了基体中合金元素和碳的 固溶度，提高了钢的初始强度和回火稳定性。同时也提高了高温强度，使得热疲 劳裂纹萌生较困难。第二，高的淬火温度，使得孪晶马氏体减少，板条马氏体数 量增多，基体中位错密度增加，且高的奥氏体化温度减少了未溶碳化物的尺寸和 体积百分数，使碳化物粒子问距增加。根据l 渤位公式【3 l 】，k i c = e 坩( 2 础) 1 2 , 当 第二相颗粒平均间距出增大时，断裂韧性提高，可以提高热疲劳裂纹扩展抗力。 另外，虽然奥氏体化温度提高，奥氏体晶粒会粗大，高温冲击韧性降低，但位错 型板条马氏体增加，使回火析出碳化物的弥散度增加，微细碳化物可以阻碍疲劳 裂纹的扩展；第三，未溶碳化物的减少及外形细小圆滑，减少了热疲劳裂纹在粗 大碳化物与基体的相界面处形核几率与优先扩展路径。 热疲劳抗力随回火温度的变化并不是单调的。回火温度低时钢的高温强度 i ：海人学博| + 论文第一章绪论 高，但高温塑、韧性较差，冷热循环后硬度衰减大，且组织稳定性较低，故热疲 劳抗力差。但如果回火温度过高，则钢的高温塑、韧性和组织稳定性虽有提高， 但高温强度下降较大，热疲劳抗力也不会增加，反而会降低。 3 ) 碳化物类型和形态的影响 有研究表明【3 2 3 3 1 ，h l l 钢表面产生循环软化的主要原因在于m 2 3 c 6 ( 或m 7 c 3 ) 型c r 碳化物粒子的聚集和粗化，因为m 2 3 c 6 ( 或m 7 c 3 ) 的晶面间距和基体值一 f e 差距很大，处于非共格状态，只能在位错或晶界析出，同时m 2 3 c 6 ( 或m t c 3 ) 型c r 碳化物具有较大的长大驱动力3 4 1 ，因而使材料表面产生软化。 q r 0 9 0 钢比h 1 3 钢热疲劳性能好的主要原因【3 5 】在于q r 0 9 0 含有较低的c r ， 同时增加了m o 含量，从而推迟了高温稳定性较好的m c 型碳化物向稳定性较差 的m 2 3 c 6 型碳化物转变。李健等人3 6 1 通过对钨系热作模具钢热疲劳性能的研究， 认为材料中存在较多的细小弥散分布的m c 型碳化物时，热疲劳抗力较高；当 m c 碳化物数量减少，m 2 c 型碳化物数量增加时，碳化物在热循环作用下迅速聚 集长大，引起强度剧烈下降，热疲劳抗力变差。进一步的研究证实【3 7 】，伴随着 m 2 c 型碳化物的粗化，有m 2 3 c 6 型碳化物析出，表明m 2 c 向m 2 3 c 6 转化，这是 造成合会钢性能下降的原因之一。 碳化物的形态对热疲劳性能也有一定的影q l 3 2 - 3 3 , 3 8 。一般尖角状、方形和一 些不规则形状的碳化物与基体共格能力差，共格应力大，这些地方容易引起应力 集中，成为裂纹的策源地，导致材料热疲劳性能下降。而弥散、细小的碳化物与 基体间共格界面能小，共格应力也小，同时还可以钉扎位错，阻止位错密度下降， 以及延缓碳化物粗化等，因而有利于提高材料热疲劳抗力。 因此增加细小、弥散分布的m c 型碳化物，减少m 2 3 c 6 型碳化物的量，有利 于延缓热循环过程中硬度下降，提高材料的热疲劳抗力。 4 ) 循环温度的影响 热作模具钢工作温度不同，热疲劳行为也应有所不同。在三维状态下，热应 力可近似表达为f 2 4 】： k eg c t 盯2 而 式中k 一约束比e _ 一杨氏模量疆一热膨胀系数，t - 一上下限温度差v 一泊桑 5 r 海大学博i + 论文第一章绪论 比。对于一定的材料和实验条件，k 、e 、q 、v 变化不大，热应力主要取决于循 环温差t 。提高循环上限温度，材料承受的热应力增加，同时温度升高，材料 的强度也会下降，因而材料的热疲劳抗力下降。 李国彬等人 3 7 】从经典的m a n s o n - c o f f i n 4 0 1 公式出发，导出了描述热作模具钢 热疲劳起始寿命( t f c i ) 的表达式： n i = ；( k 。叩口) 。【丁一瓦r 2 式中：s ；( k 。r a ) - 2 是与材料和缺口几何形状有关的常数，称为热疲劳裂纹起始 抗力系数。显然，t 越大，材料的热疲劳裂纹起始寿命越低。并且认为，模具 材料的热疲劳存在一个t o 值，当a t a t o 时，热疲劳趋向无穷大，即不发生热 疲劳破坏，t o 是材料的常数。如果材料的a t o 越大，则材料的热疲劳性能越好。 5 ) 冶金质量的影响 如果钢种存在较多的夹杂物3 8 1 ，由于夹杂物与基体的膨胀系数不同，如果夹 杂物在冷却期间收缩得较少，那么与夹杂物交界的基体处于拉伸状态，从而加剧 了夹杂物与基体的分离，促进了裂纹的形成。另外，脆性夹杂物的存在促进了热 疲劳裂纹的萌生。 钢中杂质分布4 ”、亚稳定共晶碳化物、碳化物带状偏析和网状的二次碳化物 都会降低材料的热疲劳抗力4 2 1 。 6 ) 模具结构及其他影响因素 大多数金属材料的高周疲劳都对缺口十分敏感【4 3 1 ，即缺口降低材料的疲劳强 度，缩短疲劳寿命。实际生产中也发现 1 】，热疲劳裂纹常优先从园角、截面过渡 处形成。文献报道，增加过渡园角的半径，热疲劳寿命增加。 此外，表面光洁度、高温保持时间、加热速度、环境气氛 3 8 】，截面厚度【2 4 1 等都对热疲劳性能有影响。 1 4 热疲劳机理及研究现状 在经循环加热与冷却过程中，由于模具截面上存在温度梯度，心部对型腔表 面的自由热胀冷缩有约束作用，使表层在加热时受压应力，冷却时受拉应力，如 果交变热应力的幅值超过钢的屈服强度，就在型腔表层引起往复塑性变形，逐渐 造成损伤积累，最终导致裂纹的萌生和扩展，这种现象即为热疲劳州。抵抗不同 r 她 学博 + 论文 第一奄绪论 比。对于一定的材料和实验条件，k 、e 、d 、v 变化彳i 大，热应力主要取决于循 环温差t 。提高循环上限温度材料承受的热应力增加，同时温度升高，材料 的强度也会下降，因而材料的热疲劳抗力下降。 李国彬等人口7 1 从经典的m a n s o n c o f f i n 4 0 l 公式出发，导出了描述熟作模具钢 热疲劳起始寿命( t f c i ) 的表达式： n i = g ；( 臣。口a ) j a r a r o 】1 式中：s ；( k 。，l a ) - 2 是与材料和缺口几何形状有关的常数，称为热疲劳裂纹起始 抗力系数。显然，t 越大，材料的热疲劳裂纹起始寿命越低。并且认为，模具 材料的热疲劳存在一个t o 值，当a t t 1 ) 两温度区间循环加热冷却时 的循环次数。采用这种试验方法，其应力应变情况与实际冷热疲劳循环时有很 大不同。 2 ) 根据热疲劳过程中的最低、最高温度，计算出低周疲劳、高周疲劳的疲 劳界限，用热疲劳机制图比较不同模具材料的热疲劳性能。但无法预测各种不同 使用情况下的模具寿命。 3 ) 在温度循环的同时加载循环机械应力进行热疲劳模拟。这种试验方法最 接近模具真实使用情况，但试验设备复杂，费用高。 4 ) u d d e h o l m 法f s 】：属于自约束型热疲劳实验。在上、下限温度之间循环加 热一冷却试样，并按照试样表面的裂纹情况评定热疲劳性能。试验设备简单、易 操作，试样加工方便。但试验费时，工作强度大。 上述几种热疲劳试验方法各有优缺点。而且影响热疲劳的因素众多，采用不 同的试验方法可能得出截然不同的结论，为准确比较不同材料的热疲劳性能，试 海人学博i + 论立第三章铌微合金化h 1 3 钢的热疲劳性能研究 验必须在相同的条件下进行，即采用相同的试验装簧，控制相同的试验参数，尽 量减少外部因素对试验结果的影响。 本论文采用u d d e h o l m 热疲劳试验法，自行设计安装热疲劳试验装置，并结 合计算机辅助评价系统研究了铌微合金化h 1 3 钢经不同热处理工艺后的热疲劳 性能。 3 2 热疲劳性能测定方法 3 2 1 实验装置 本论文采用的热疲劳实验装置示意图如图3 1 所示，该装置利用美国因达公 司的5 k w 固态高频电源，而后自制控制器，以实现自动控制加热、冷却、自动 记录循环次数并可调节加热和冷却时间。其主要包含三个组成部分：高频感应加 热系统、水冷却系统和加热一冷却自动控制系统。 3 2 2 热疲劳实验材料及试样 材料的化学成分见表2 2 。热疲劳试样加工成如图3 2 所示的尺寸，为消除机 加工刀痕对热疲劳抗力的不利影响，需对所要观察面进行碾磨、抛光，以达到镜 面。如2 2 4 所述，用作铝合金压铸模时，h 1 3 钢常采用1 0 2 0 1 0 5 0 淬火+ 6 0 0 6 1 0 。c 回火2 次的热处理工艺。为探讨添加微量n b 对h 1 3 钢热疲劳性能的影响， 实验采用表3 1 所示三种热处理工艺，对比研究三种钢的热疲劳性能。热处理后 的硬度亦列入表3 1 。 3 2 3 循环上限温度的测定 在热疲劳试样的观察面上点焊上镍铬一镍铝热电偶，热电偶的另一端接x y 记录仪，这样由控制器控制不同的感应加热时间，x y 记录仪就得到不同的试 样表面温度，然后根据所需的循环上限温度可以找到合适的加热时间。即图3 3 中的t l 。经试验，可以得到感应加热时间与热疲劳试样表面温度的对应关系， 如表3 2 所示。 【：海人学博 1 论文 第兰章铌微台金化h 1 3 钢的热疲劳性触研究 图3 1 热