（材料学专业论文）不同试验参数下3cr2w8v钢热疲劳性能研究.pdf

硕士论文 不同试验参数下3 c r 2 w 8 v 钢热疲劳性能研究 摘要 3 c r 2 w 8 v 钢是我国热作模具的传统用钢，热疲劳是其主要失效形式，但对热疲劳 性能测试时的试验参数一直没有明确规定。本文采用u d d e h o l m 自约束热疲劳试验方法， 通过改变热循环过程中的上限温度以及加热速度，对经过不同热处理工艺的3 c r 2 w 8 v 钢进行热疲劳试验；借助金相显微镜、扫描电镜等分析手段，研究了各试验参数对 3 c r 2 w 8 v 钢热疲劳性能的影响。试验结果表明： 3 c r 2 w 8 v 钢在热循环过程中，构成了加热时产生压应变，冷却时产生拉应变的热 疲劳循环过程：热循环上限温度是3 c r 2 w 8 v 钢热疲劳裂纹萌生、扩展的主要影响因素： 热循环上限温度的升高，缩短了3 c r 2 w 8 v 钢热疲劳裂纹萌生的时间，加速了热疲劳裂 纹沿晶界扩展的速度。当热循环上限温度超过3 c r 2 w 8 v 钢的回火温度时，热疲劳裂纹 扩展速度急剧增大，导致抗热疲劳性能显著降低。热应力分析及热疲劳裂纹形貌观察表 明：热循环上限温度升高，试样所受热应力增大；热疲劳裂纹首先沿圆柱试样表面轴向 形成，随着热循环次数的增加，轴向裂纹粗化、扩展并沿横向分枝，最终形成网状裂纹。 热循环加热速度决定热疲劳破坏的机制。高的热循环加热速度，试样因热应力作用 而以热疲劳裂纹过度扩展失效：当加热速度很低时，试样表面高温氧化占主导地位，其 失效形式主要是氧化腐蚀失效；当加热速度介于上述二者之间时，3 c r 2 w 8 v 钢受热应 力和氧化腐蚀的共同作用，因热疲劳裂纹扩展和氧化腐蚀的相互促进而导致失效。在高 的热循环加热速度下，上限温度的升高增大了热应力与氧化现象，两者共同促进热疲劳 裂纹的扩展速率，加速了试样以热疲劳裂纹的形式失效。 热循环加热速度的快慢影响了3 c r 2 w 8 v 钢在加热过程中热应力的大小以及热疲劳 裂纹的扩展速率，并对材料热疲劳性能的测定产生影响；加热速度的减小使得试样受到 的热应力减小，热疲劳裂纹的扩展速率下降，金属热变形率增大，氧化程度加重。 3 c r 2 w 8 v 钢的最终热处理组织决定了其热疲劳性能。在相同的热循环试验参数下， 经过高温淬火+ 高温回火后的试样，具有较高的热疲劳抗力。 关键词：3 c r 2 w 8 v 钢，热处理，上限温度，加热速度，热疲劳性能 a b s t r a c t 硕： ：论文 a b s t r a c t 3 c r 2 w 8 v ，w h i c hi so n e k i r l do fh o tw o r kt o o ls t e e l s ，h a sb e e nu s e df o ral o n gt i m ei no u r c o u n t r y t h e r m a lf a t i g u ec r a c k i st h em a i nf o r mo fi t sf a i l u r e ，b u tt h ee x p e r i m e n t a lp a r a m e t e r s o ft h e r m a lf a t i g u ep r o p e r t yt e s tm e t h o dh a v en o tb e e ns t a n d a r dy e t b yc h a n g i n gt h e m a x i m u mt e m p e r a t u r ea n dt h eh e a t i n gr a t ei nt h et h e r m a lc y c l e s ，t h i sw o r ku s eu d d e h o l m s e l f - c o n t r o l l e df a t i g u ee x p e r i m e n t a lm e t h o dt ot e s tt h et h e r m a lf a t i g u ep r o p e r t yo f3 c r 2 w 8 v ， w h i c hh a sb e e np r e t r e a t e dw i t hd i f f e r e n th e a tt r e a t m e n tm e t h o d s t h ei n f l u e n c e so fd i f f e r e n t e x p e r i m e n t a lp a r a m e t e r st o t h et h e r m a lf a t i g u ep r o p e r t yo f3 c r 2 w 8 va r es t u d i e d ，b yu s i n g t h e0 m s e ma n do t h e rm o d e mt e c h n o l o g i e s t h er e s u l t ss h o wl i k et h a t ： i nt h et h e r m a lc y c l e s ，t h ep r e s s u r es t r a i no c c u r sw h i l e3 c r 2 w 8 vi sh e a t e da n dt h et e n s i l e s t r a i no c c u i sw h i l ei ti sc o o l e d t h em a x i m u mt e m p e r a t u r ei nt h et h e r m a lc y c l e sh a st h em a i n i n f l u e n c eo nt h ei n i t i a t i o na n de x p a n s i o no ft h e r m a lf a t i g u ec r a c ko f3 c r 2 w 8 vs t e e l w h e n t h eh e a t i n gt e m p e r a t u r er i s e s ，t h ei n i t i a t i o nl i f eo ft h e r m a lf a t i g u ec r a c ks h o r t e n s ，a n dt h e e x p a n s i o nr a t eo ft h e r m a lf a t i g u ec r a c ka c c e l e r a t e s t h ee x p a n s i o np a t ho ft h et h e r m a lf a t i g u e c r a c ki sa l o n gt h eb o u n d a r y w h i l e3 c r 2 w 8 vi sh e a t e da tah i g ht e m p e r a t u r ei nt h e r m a l c y c l e sw h i c hb e y o n dt h et e m p e r i n gt e m p e r a t u r ei nh e a tt r e a t m e n t ，t h el i f eo f3 c r 2 w 8 v d e c r e a s e so b v i o u s l y b ya n a l y z i n gt h es t r e s si nt h es a m p l ea n do b s e r v i n gt h em o r p h o l o g yo f t h et h e r m a lf a t i g u ec r a c k ，t h er e s u l t ss h o wt h a t ：t h et h e r m a ls t r e s so ft h es p e c i m e ni n c r e a s e s w i t ht h eh e a t i n gt e m p e r a t u r ei n c r e a s e s ；t h e r m a lf a t i g u ec r a c k sf o r m e da l o n gt h ea x i so nt h e s u r f a c eo ft h es a m p l e ，a n dt h e nt h e ye x t e n dw i t ht h et h e r m a lc y c l et i m e si n c r e a s e i nt h ee n d ， t h e yf o r mn e tt h e r m a lf a t i g u ec r a c k t h ef a i l u r em e c h a n i s mo ft h e r m a lf a t i g u ei sd e t e r m i n e db yt h eh e a t i n gr a t ei nt h e r m a l c y c l e s w h e nt h es a m p l ei sh e a t e da tah i g hh e a t i n gr a t e ，i ti so u to f u s ei nt h ef o r mo ft h e r m a l f a t i g u ec r a c k ，w h i c hi sc a u s e db yt h e r m a ls t r e s s ；w h i l et h es p e c i m e ni sh e a t e da tav e r yl o w h e a t i n gr a t e ，t h es u r f a c eo fi ti sd o m i n a t e db yo x i d a t i o n a sar e s u l t ，t h ef a i l u r em e c h a n i s mo f i ti so x i d a t i o na n dc o r r o s i o n w h e nt h eh e a t i n gr a t ei sb e t w e e nt h et w om e n t i o n e db e f o r e ， t h e r m a lf a t i g u ec r a c ka n do x i d a t i o nf o r mo nt h es u f a c eo ft h es a m p l e ，w h i c hl e a dt h es a m p l e t of a i l u r e t h et h e r m a lf a t i g u ec r a c ka n dt h eo x i d a t i o na r ec a u s e db yt h ee f f e c to ft h e r m a l s t r e s sa n do x y g e n a t i o n ，w h i c hh a v em u t u a li n f l u e n c eo ne a c ho t h e r t h et h e r m a ls t r e s s i n c r e a s e sa n dt h eo x i d a t i o nb e c o m es e r i o u sw i t ht h eh e a t i n gt e m p e r a t u r ei n c r e a s e s ，w h e nt h e s p e c i m e ni sh e a t e da tav e r yh i 班h e a t i n gr a t e b o t ho ft h e mc a na c c e l e r a t et h ee x p a n s i o nr a t e i i 硕1 ：论文 不同试验参数下3 c r 2 w 8 v 钢热疲劳性能研究 o ft h e r m a lf a t i g u ec r a c k ，w h i c kc a na l s os h o r t e nt h el i f eo f3 c r 2 w 8 vs t e e l a tt h i st i m e ，t h e f a i l u r em e c h a n i s mo fi ti st h e r m a lf a t i g u ec r a c k n l eh e a t i n gr a t ec a ni n f l u e n c et h et h e r m a ls t r e s so f3 c r 2 w 8 vi nh e a t i n gc y c l e sa n dt h e e x t e n d i n gr a t eo ft h e r m a lf a t i g u ec r a c k , w h i c ha l s oh a sa no b v i o u si m p a c to nt h et e s tr e s u l to f i t st h e r m a lf a t i g u ep r o p e r t y t h ee x t e n d i n gr a t eo ft h e r m a lf a t i g u ec r a c kd e c r e a s e sw h e nt h e h e a t i n gr a t ed e c r e a s e s ，w h i l et h ew i d t h - i n c r e a s ev a l u eb e c o m e sl a r g e ra n dt h eo x i d a t i o n d e g r e eb e c o m es e r i o u s a l lt h e s er e d u c et h el i f e t i m eo f3 c r 2 w 8 v t h et h e r m a lf a t i g u ep r o p e r t yo f3 c r 2 w 8 vi sd e t e r m i n e db yt h ef i n a lh e a tt r e a t m e n t m e t h o d 。b e c a u s ed i f f e r e n th e a tt r e a t m e n tm e t h o d sd u et od i f f e r e n tm i c r o s t r u c t u r e s 。肋e l l 3 c r 2 w 8 vs t e e li st e s t e du n d e rt h es a m ee x p e r i m e n t a lp a r a m e t e r ，t h es a m p l ew h i c hi s q u e n c h e da tah i 曲t e m p e r a t u r ea n dt e m p e r e da tah i g l lt e m p e r a t u r et o o ，h a sag o o dr e s i s t a n c e o ft h e r m a lf a t i g u e k e yw o r d ：3 c r 2 w 8 vs t e e l ，h e a tt r e a t m e n t ，m a x i m u mt e m p e r a t u r e ，h e a t i n gr a t e ，t h e r m a l f a t i g u ep r o p e r t y i i i 声明 本学位论文是我在导师的指导下取得的研究成果，尽我所知，在本学 位论文中，除了加以标注和致谢的部分外，不包含其他人已经发表或公布 过的研究成果，也不包含我为获得任何教育机构的学位或学历而使用过的 材料。与我一同工作的同事对本学位论文做出的贡献均已在论文中作了明 确的说明。 研究生签名： “纩年月 e t 学位论文使用授权声明 南京理工大学有权保存本学位论文的电子和纸质文档，可以借阅或上 网公布本学位论文的全部或部分内容，可以向有关部门或机构送交并授权 其保存、借阅或上网公布本学位论文的全部或部分内容。对于保密论文， 按保密的有关规定和程序处理。 研究生签名： 埠卑 厶影年 月e 1 硕士论文 不同试验参数下3 c r 2 w 8 v 钢热疲劳性能研究 1 绪论 随着全球制造业的发展，模具工业在国民经济中所发挥的作用日益明显，中国的模 具工业每年以1 5 左右的速度增长。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难以比拟的。目前，7 0 以 上的汽车、电子、电器、电机、仪器仪表、家电等零件以及8 0 以上的塑料制品和金属 制品都是由模具加工制造的【l 羽。在不少行业中，模具费用已经占产品生产成本的 1 5 - , - 3 0 。因而模具制造业对模具钢的数量、质量的要求不断提高。因模具发展的水平 直接影响到产品的质量、成本及生产周期，所以模具技术已经成为衡量一个国家产品制 造水平高低的重要标志。 热作模具由于加工及材料成本高，导致价格昂贵，素有“黑色黄金”之称，在高速发 展的汽车、机械、农机等重要支柱产业中占有举足轻重的地位，需求量与日俱增。但是 热作模具的失效也给工业生产造成了巨大损失，尤其是对于体积较大或型腔较复杂的车 用零件模具。这不仅仅是因为热作模具本身价格昂贵，由模具失效导致的停工、替换以 及修复需要消耗大量的生产成本，并且严重影响产品质量【4 。7 1 。热作模具的主要失效形 式有以下三种：第一种，由于高温金属流动而导致模腔热蚀磨损；第二种，在机械应力 和热应力交互作用下而引起的模腔尺寸磨损超差而带来的失效；第三种，由于冲击载荷 和反复的加热与冷却而导致的冲击断裂和热疲劳裂纹【8 1 1 1 。其中，热疲劳是热作模具最 主要的失效形式和寿命限制因素。统计资料表明：由热疲劳而引起的铝合金压铸模失效 约占6 0 - - 7 0 ，铜合金压铸模占8 0 田o 【。1 5 1 。断裂是存在组织缺陷的热作模具在受到 冲击和热应力作用时，容易发生的早期快速失效。据统计资料表明，机械零件和工程构 件断裂主要是因为疲劳引起的，在机械零部件的断裂失效总数中，疲劳失效占5 0 9 0 ， 而在某些工业部门中，由疲劳失效导致的断裂事件甚至占到了总数的8 0 - 9 0 ，其中以 航空零件的疲劳失效所占的比例最高【l 6 1 。 1 1 热疲劳的研究历史与进展 疲劳的分类有多种方法，根据在疲劳过程中塑性应变和弹性应变所起的作用大小， 可将疲劳分为应力疲劳和应变疲劳：根据疲劳所经历失效循环周次的长短，可将疲劳分 为高周疲劳和低周疲劳；根据工作的环境，疲劳又可分为高温疲劳、常温疲劳和低温疲 劳等等 i l l s 】。 热疲劳是指材料经受温度变化时，因其自由膨胀、收缩受到了约束而产生循环应力 或循环应变，最终导致龟裂而破坏的现剔1 8 】。 国外对热疲劳的研究已有相当长的历史。最早可追溯到1 8 3 8 年d u h a m e l 的研究工 作。当时他通过物体不均匀加热时产生的热应力，发表了计算热应力的公式，但是他的 i 绪论 硕士论文 研究方式却很不完善。1 8 9 2 年，美国h o v e s t a n d 和e v e r h a i t 研究了快速冷却条件下玻璃 的热冲击问题。直到1 8 9 4 年，w i n k e l m a n 和s c h o a 在德国研究陶瓷材料的热冲击时才 将热裂和热应力联系在一起。德国的b o l l e n r a t h 和他的同事们最早研究了延性材料的热 冲击问题，并首次提出金属疲劳的概念。1 9 5 3 1 9 5 4 年s s m a n s o n 和l f c o f f i n 相继独 立发表了m a n s o n c o 伍n 公式，使热疲劳由定性研究进入定量研究阶段，为热疲劳研究 领域奠定了基础【1 9 圳】。 从2 0 世纪5 0 6 0 年代初，美、同、欧各国相继报道了热疲劳、热机械疲劳的研究 成果。人们对热机械疲劳的认识和研究已经逐步深入，但由于其涉及温度、蠕变、应力 和高温氧化等复杂因素，目前还处于实验总结规律和定性的对比分析阶段【2 2 】。 现在，国内外研究热机械疲劳正向定量研究的纵深发展。但由于热疲劳本身的复杂 性，对其机理的研究还欠深入。我国于2 0 世纪5 0 - 6 0 年代开展高温高周疲劳和热疲劳研 究，自7 0 年代后期又开展了高温低周疲劳、时间相关疲劳、蠕变裂纹扩展等方面的研究。 近年来，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。我国对热疲劳、 热机械疲劳的研究也日益深入。从1 9 8 4 年起至u 2 0 0 7 年止，我国已经成功召开了九次全国 热疲劳学术会议。 随着工业化规模的迅速扩大，服役于高温的材料应用范围也越来越大，且变温边界 向更高上限温度和更低下限温度发展，由此造成零件和结构由交变温度造成的热疲劳破 坏现象日益严重。为满足工业技术部门的需要，热疲劳研究开始了蓬勃发展。目前，热 疲劳已经发展成为包括测试方法、力学、金属学、计算数学等多学科交织在一起的一个 系统研究领域，研究对象涉及高温合金、耐热不锈钢、热作模具钢、铸铁、复合材料和 陶瓷材料等【2 3 弘】。 1 2 热疲劳影响因素 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。热疲劳性能的影响因素可分为材料内部因素( 化学成分、力学性能和热处理工艺、 材料微观结构等) 和材料服役的外部因素( 服役温度、保持时间、外部环境等) 。在特定 的工况下，外部因素是一定的。因此，了解材料内部因素对热疲劳抗力的影响后就可以 采用相应的措施来提高材料的热疲劳抗力。 1 2 1 化学成分的影响 热作模具钢中含有的碳和合金元素铬、钨、钼、钒，都对钢的抗热疲劳能力有一定 的影响。试验和生产实践均表明，模具钢的抗热疲劳能力由于其化学成分不同而有显著 的差别。 碳含量对抗热疲劳能力有很大的影响，合金元素c r 、m o 、v 、w 等可与碳结合成 2 硕士论文不同试验参数下3 c r 2 w s v 钢热疲劳性能研究 各种特殊的碳化物，这些特殊的碳化物对热作模具钢的抗回火能力、回火后硬度的热稳 定性都有很大的影响。一般说来，随着含碳量的增加，钢的硬度、强度增加，韧性下降。 碳含量对模具钢性能的影响，除通过形成碳化物外，还通过淬火时形成不同类型马氏体 影响钢的性能，碳含量低时，易获得板条状马氏体，其亚结构为位错；碳含量高时，易 获得片状马氏体，其亚结构为孪晶。孪晶对强度有一定贡献，而对韧性则不利。因此， 孪晶马氏体的硬度高于位错马氏体；而强度相同时，位错马氏体的断裂韧性显著高于孪 晶马氏体【2 5 1 。板条状马氏体具有较好的综合性能，既有高的强度，韧性又有良好的抗氧 化性、耐热疲劳等性能，在工程上有广泛的应用价值【2 6 1 。 合金元素对热疲劳性能的影响与其存在状念有关，合金元素与碳形成碳化物，其类 型、尺寸、形状、数量对热稳定性与热疲劳抗力都有一定的影响。合金元素之间对钢的 抗热疲劳能力是相互影响的。总的来说，钨、铬、钼、钒等合金元素含量在一定范围内 时有利于提高材料的热疲劳抗力，反之则有害。各种合金元素在钢中具有不同的作用， 它们各自对钢的不同性能的影响程度和趋势也不是单一的和同一的，某种元素对某一性 能有提高作用，可能对另一性能又有降低作用。在多元合金化的热作模具钢中，不能仅 限于考虑单一元素的含量和作用，而是应该深入研究多种合金元素的复合作用，并结合 模具的工作温度和环境，经过多次试验，确定各元素的最佳含量。 杂质元素对热作模具钢热疲劳性能也有很大的影响，其作用主要体现在其形成的夹 杂物上。硫对钢的热疲劳性能影响主要取决于硫化物的形态：单一球粒状态存在的硫化 物影响较小；但是，钢经高温强烈的热变形加工( 如热轧) ，硫化物会沿着轧制方向呈 纤维分布，导致模具表面产生高应力并为热疲劳裂纹提供扩展路径，从而使模具表面在 淬火冷却、热循环和热冲击等服役条件下产生热疲劳龟裂。此外硫化物断裂时形成的微 孔聚集长大，将降低断裂韧性，从而降低热疲劳性能。关于钢中主要硫化物夹杂m n s 对热疲劳性能的影响，不同研究者提出了不同的观点。一些人认为柔软的m n s 对热疲 劳影响不大，有时甚至是有利的；另一些人认为，m n s 是热疲劳裂纹主要发源地，且它 导致基体内部产生空洞并成为氧化向纵深发展的通道，促进热疲劳裂纹的扩展，其自身 也在热循环过程中碎裂 2 6 - 2 叭。 钢中存在较多的夹杂物，由于夹杂物与基体的膨胀系数不同，若夹杂物在冷却期间 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；如果夹杂物在冷却时以很大的速率收缩，在周围造成空隙，形成热 疲劳裂纹源，并且导致气体原子的聚集，这与基体的氧化机制交互作用，极大破坏了材 料的热疲劳性能。另外，脆性夹杂物的存在能促进热疲劳裂纹的萌生。所以钢中夹杂物 分布，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【2 8 】。 3 l 绪论 硕 ：论文 1 2 2 力学性能的影响 模具钢的韧性、塑性及断裂抗力对于热疲劳抗力有很大的影响。好的热作模具钢不 仅要有足够的强度，还应有高的塑性。塑性是金属材料断裂发生之前，材料累积不可逆 永久塑性变形的能力，高的塑性能延缓热疲劳裂纹的生成和扩展【3 0 1 。 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：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，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【1 9 3 1 。3 3 】。 事实上，材料在循环变温的过程中，由于温度梯度的存在，低温部分对高温部分的 膨胀有约束作用。约束所引起的热应力对高温部分的作用结果往往使高温部分发生压缩 塑性应变，并在循环的冷却阶段在同一部位引起拉应力。拉应力值的大小取决于加热时 的压缩塑性应变量。因此，提高室温拉伸屈服强度和高温压缩屈服强度有利于减小热疲 劳过程中的塑性应变幅，对提高材料的热疲劳抗力是有利的。另一方面，低周疲劳失效 可以看作是其组成相延性耗尽时出现的行为。热疲劳可以看作是一种特殊形式的低周疲 劳。故而塑性是决定热疲劳寿命的重要因素之一。好的塑性有利于局部应力的松弛，提 高延性对提高热疲劳抗力有利【1 7 3 3 彤】。 所以说，强度和塑性对热疲劳的不同阶段可能有不同的影响。热疲劳裂纹的萌生阶 段主要受强度控制，扩展阶段主要受塑性的控制。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，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【3 4 】。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，模具表面热疲劳裂纹的形成是由材料的蠕变抗力控制的，蠕变抗力越高，裂 纹越不易扩展，其热疲劳抗力就越蒯3 6 】。无论如何，只有良好的强度和塑性组合，才能 保证高的热疲劳断裂寿命。 此外，热疲劳抗力还与韧性密切相关。有研究表明，提高断裂韧性有利于提高热作 模具钢的疲劳裂纹扩展抗力和热疲劳丌裂抗力。一般认为，材料的韧性与强度是疲劳性 能的两个主要指标，但分别适用于不同的疲劳类型【3 7 1 。如果模具在使用过程中最大热应 力没有超过高温屈服强度，则模具表面不发生塑性变形或以弹性变形为主，此时模具使 用寿命较长，具有高周疲劳的特性，根据疲劳强度理论【3 8 】，在这种情况下，热疲劳性能 与强度的联系更为紧密；如果模具型腔表面的工作温度过高，或由于其他因素使模具表 面产生的热应力大于高温屈服强度，使应变幅大大超过材料的弹性应变范围，产生塑性 变形，具有低周疲劳的特性，此时韧性高的材料具有更好的热疲劳抗力。 材料的各向同性对热疲劳性能的影响也很大。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。这是由于高韧性能使模具在较高温度下工作而不牺牲抗 4 硕士论文 不同试验参数下3 c r 2 w s v 钢热疲劳性能研究 御开裂的安全系数，当热应力聚集将要超过模具的屈服强度而引起塑性变形时，韧性的 各向同性越好的材料，其所受的应力也较均衡，应力集中现象不明显，不利于裂纹的形 成及扩展；而韧性的各向同性差的，其横纵向所能承受的应力不均衡，容易造成应力集 中，裂纹在相对薄弱的方向上形成及扩展【3 7 】。 1 2 3 热处理工艺的影响 热处理工艺对热作模具钢的硬度、高温强度、韧性有很大的影响，因此，不同的热 处理工艺必然会影响钢的热疲劳性能。同时，化学成分和显微组织对热疲劳性能的影响 都是通过一定的热处理工艺来实现。合理的热处理工艺可使钢的强度和韧性得到最佳配 合，使材料的不均匀性及局部应力得以降低和消除，并能够保证钢的显微组织的热循环 稳定性达到最佳，进而提高其热疲劳性能。 1 2 3 1 预先热处理工艺的影响 预处理工艺对钢的热疲劳性能有一定影响。为了提高模具钢的性能及使用寿命，在 热处理时通过预先热处理与最终热处理的密切配合往往能收到事半功倍的效梨”】。热作 模具钢原来普遍采用的是球化退火或是等温球化退火预先热处理。在采取了预处理工艺 配合最终热处理工艺后，可以细化晶粒，减少成分偏析，获得细小、弥散的碳化物。研 究表明，通过对钢进行等温球化退火可获得球状珠光体加弥散分布的细颗粒碳化物的基 体组织，为淬火加热准备了大量的结晶核心，使淬火加热奥氏体进一步均匀化，同时可 明显细化淬火组织【4 0 4 1 1 。 1 2 3 2 奥氏体化温度的影响 合适的奥氏体化温度对钢的热疲劳抗力影响很大，这是由于奥氏体化温度对钢的晶 粒大小，合金元素的固溶程度和均匀程度有决定性的影响。提高奥氏体化温度，可加速 基体中碳化物的溶解，使淬火后马氏体中的碳和合金元素增加，基体淬火硬度提高【4 2 , 4 3 】。 这对于提高钢的强度，保证回火时二次硬化峰的出现并增强抗回火软化性非常重要。同 时，过剩碳化物的数量减少，尺寸变小，减少了碳化物与基体的界面，使热疲劳裂纹源 减少，尤其经细化处理后，消除了常规球化退火后可能存在的链状碳化物等缺陷，使碳 化物变得细小均匀，位错滑移阻力增大，起到强化作用，从而进一步提高其热疲劳性能。 另一方面，过高的奥氏体化温度将使晶粒粗化，从而降低钢的塑性和韧性，且随着淬火 温度的升高，残余奥氏体量将会逐步增加。虽然少量残余奥氏体利于韧性的提高【4 3 舯】， 但太多会在回火后析出晶界碳化物而导致脆化，反而对热疲劳性能不利。 1 2 3 3 回火温度的影响 热疲劳抗力随回火温度的变化并不是单调的，回火温度对钢的热疲劳性能也有明显 的影响【4 5 1 。由于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【蜘，通过 相变应力松弛使压应力大幅度减少，拉应力上升，从而使热疲劳驱动力增加，热疲劳抗 5 1 绪论硕士论文 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。 材料不同的回火温度对应着最终得到不同的硬度，提供了不同稳定程度的显微组织 和不同强度与塑性的配合。回火温度较低时，钢的强度较高但高温塑、韧性较差，显微 组织在热循环过程中的稳定性也较低，冷热循环后硬度衰减大，热疲劳抗力差。随着回 火温度的提高，钢的塑性和显微组织的热稳定性不断增加，热疲劳抗力随之增加。当回 火温度超过某一最佳温度时，钢的高温塑性、韧性和热稳定性虽然有所提高，但强度的 迅速下降占据了主导地位，使热疲劳抗力不增加，反而会降低热疲劳抗力【4 6 4 7 】。 所以不同的淬火温度产生的不同微观组织，需要不同的回火温度去配合改善。只有 合理的淬火回火工艺才能增强钢的热疲劳性能。 1 2 4 微观结构的影响 虽然一些以力学为基础研究热疲劳的学者认为材料的热疲劳性能与组织无关，可是 材料界学者己做过的研究表明，钢的热疲劳抗力受显微组织的影响非常明显，但这方面 的报道较少，也不系统，其内容主要集中于常温高周、低周疲劳领域。微观组织决定了 模具钢的性能，其组织特点决定了该钢种的热疲劳抗力的大小。基体组织的类型既影响 钢的力学性能又影响钢的物理性能，这是影响热疲劳性能的一个基本因素。对于同一种 钢，不同组织有着不同的力学性能。究竟组织的哪些力学性能对热疲劳抗力影响较大， 还有待于进一步研究。 1 2 4 1 微观组织对疲劳性能的影响 钢中奥氏体对疲劳行为的影响，一些人认为奥氏体在一定循环应力下将转变为脆性 的马氏体，这将加速裂纹扩展，降低疲劳抗力。一些人认为由于形变诱发奥氏体转变为 马氏体须吸收应变能，这将提高材料的疲劳抗力。最近几年，人们进行了一些两相钢低 周疲劳行为的研究。ei a c o v i e l l o 等人研究表明：奥氏体与铁素体双相钢达到了两相各 自最佳机械性能与抗蚀性能的综合时，使其与单相奥氏体钢相比具有更高的屈服极限、 拉伸强度、延展性与韧性，更有效地抑n t 裂纹的萌生与扩展【4 引。方健儒指出，铁素体、 马氏体等延性钢的疲劳行为是塑性应变累积以及裂纹萌生和扩展的结果。应变的分布和 开裂倾向多依赖于两相钢中的微观组织【4 9 1 。不同研究人员观察到的马氏体含量对两相钢 疲劳行为的影响的现象表明，马氏体的体积分数并非是影响疲劳行为的唯一参量，其它 因素如：晶粒和第二相的大小，相的形态以及组成相的应力应变行为都能对其构成影响。 1 2 4 2 晶粒尺寸的影响 由h a l l p a t c h 公式可知，材料的屈服强度随着晶粒尺寸的增加而降低。所以有人提 出晶粒尺寸的增大会降低材料的热疲劳抗力。而淬火温度过高会引起晶粒粗大，粗晶粒 对热处理硬化钢的延性和韧性是有害的，故细化晶粒和组织有利于热疲劳抗力的提高。 尽管晶粒尺寸对热疲劳性能影响的研究并不全面，但它对室温下疲劳性能影响的研究是 6 硕十论文 不同试验参数下3 c r 2 w 8 v 钢热疲劳性能研究 较为深入的。许多研究者发现，较小的晶粒尺寸对裂纹的萌生和扩展都具有较大的阻力， 晶界被看作是阻止裂纹扩展的障碍。当裂纹尖端到达晶界时，如果裂纹面的位向与裂纹 尖端下一晶粒的取向相差较大，则裂纹扩展将受到较大的阻力，裂纹就降低扩展速率或 停止扩展。故晶粒越细小，其抗疲劳性能越好。相反的，对于单晶或定向凝固材料来说， 晶界则是裂纹萌生与扩展的通道，晶粒越大，晶界越少，抗疲劳性能越好【矧。 1 2 4 3 碳化物类型和形态的影响 热疲劳性能与二次碳化物的弥散分布程度有密切关系。在热循环过程中，二次碳 化物发生急剧长大时，由于基体和第二相质点的力学性能及热物理性能不同，在热疲劳 过程中易产生应力集中导致局部塑性变形，这样夹杂物和基体交界处就会产生裂纹；当 第二相质点的强度很低时，第二相自身的开裂也导致裂纹的产生，这都使钢的抗热疲劳 性能变坏。当热循环过程中除二次碳化物积聚长大外，还有新的碳化物继续弥散析出时， 微细碳化物对晶粒长大及裂纹的扩展起阻碍作用。碳化物等沉淀物的析出还将引起钢的 循环硬化效应，提高钢的热疲劳抗力。所以，当碳化物阻碍晶粒长大，阻止裂纹扩展时 对热疲劳起有利作用，此时碳化物一般呈细小弥散分布；当碳化物作为裂纹形核的发源 地或成为裂纹扩展的低能量通道时，则降低钢的热疲劳抗力，此时碳化物一般粗大或沿 晶分布【5 i 】。 李健等人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【5 2 】。 进一步的研究证实，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，这是造成合金钢性能下降的原因之一【3 1 。 碳化物的形态对热疲劳性能也有一定的影响。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【5 l 】。 1 2 5 模具结构及其他影响因素 大多数金属材料对缺1 ：3 都十分敏感，即缺口降低材料的疲劳强度，缩短疲劳寿命【5 2 1 ， 如果模具材料中存在有缺口，将促进应力集中造成模具寿命的缩短。实际生产中也发现， 热疲劳裂纹常优先从园角、截面过渡处形成 5 3 , 5 4 1 。郭新成等通过研究发现，增加过渡园 角的半径，热疲劳寿命增加【5 5 。 此外，表面光洁度、高温保持时间、加热速度、环境气氛，截面厚度等都对热疲劳 7 l 绪论 硕士论文 性能有影响。 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，但是由于热疲劳问题中 包含循环变温的特殊性，热疲劳试验方法本身也变成了热疲劳研究的一个方面。到目前 为止，虽然国内外分别制定了一些试验规范，但至今国内外还没有一个公认的标准方法。 现在的试验方法可归纳为四种： ( 1 ) 实物模拟热疲劳试验；( 2 ) 自约束型热疲劳试验；( 3 ) 外约束型热疲劳试验；( 4 ) 有机 械应变叠加的外约束热疲劳试验。 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； b 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【5 6 】。 目前关于热疲劳性能的试验研究，一般都是将试样在冷热介质中交替循环，然后观 察一定循环次数后试样的疲劳情况，不同试验者的差别主要集中在两个方面：一是冷热 介质的选择；二是试样的尺寸和形状；三是热疲劳考核指标的选择。多数研究者都采用 升温速度快的高频感应加热方式进行加热，冷却则采用空冷或水冷。 如今较为常用的有板状试样法和u d d e h o l m 热裂纹评级法，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【5 7 1 。 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【5 8 】。 表1 3 1 为两种热疲劳试验方法采用的试样尺寸及评价方法。 两种方法相比较而言，板状试样法的评定标准较为方便，主观因素较少，但以评定 单个裂纹长度的方法作为评定指标，并不能完整地反应整个试样的疲劳情况。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裂程度比较评级 的方法，试样制作简单，试验条件便于控制。但是评级受检测者经验的影响，对龟裂网 状裂纹完整程度的评价尚需讨论，因此试验精度低，对那些性能相近的材料很难给出比 较。 硕士论文不同试验参数下3 c r 2 w 8 v 钢热疲劳性能研究 表1 3 1 两种热疲劳试验方法 t a b l e l 3 1c o m p a r i s o no f m e t h o do f t h e r m a lf a t i g u ee x p e r i m e n t 方法名称 试样形状评价方法 l 一定循环次数卜缺口尖端的裂纹长度，裂纹越长， 板状试样法 线切割口 1抗热疲劳性能越差 u d d e h o l m 法爿 试样表面网状裂纹级别。 厂、试样表面主裂纹级别( 评级标准参照u d d e h o l m 标 准图谱) 磬气一- ；_ j q 以上两种级别之和即为评价标准。级别越大，抗 热疲劳性能越差。 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。同 时按自己的目的自行设计了热疲劳评定标准以及处理试验结果 4 5 , 5 9 - 6 3 】。例如以一定次数 下裂纹的长度或裂纹长度的倒数或以达到一定裂纹长度所需循环次数为评定标准【6 。 1 4 本文研究的目的和主要内容 目前3 c r 2 w 8 v 钢仍有较广泛的应用，所以对其热疲劳性能的研究具有一定的实用 意义。但对3 c r 2 w 8 v 钢在不同试验条件下进行热疲劳试验的研究不多，并且针对 g b t 1 5 8 2 4 1 9 9 5 热作模具钢热疲劳试验方法中对试验参数上限温度没有明确规定， 更没有提及热疲劳试验时的加热速度所以本文主要研究以下内容： ， ( 1 ) 采用不同的热处理工艺对3 c r 2 w 8 v 钢进行热处理，研究不同热处理工艺条件下 的组织以及不同热处理组织对热疲劳性能的影响。 ( 2 ) 采用不同的热循环上限温度对3 c r 2 w 8 v ，钢进行热疲劳试验，研究不同的热循环 上限温度对3 c r 2 w 8 v 钢热疲劳性能的影响。 ( 3 ) 采用不同的热循环加热速度对3 c r 2 w 8 v 钢进行热疲劳试验，研究不同的热循环 加热速度对3 c r 2 w 8 v 钢热疲劳性能以及结果测定的影响，为热疲劳试验方