（材料加工工程专业论文）h13钢组织控制及热疲劳性能研究.pdf

上海大学鞭士论文h 1 3 锯缓绞撞裁穗熬拔势性戆研究 摘要 罄逶互芑生产戆h 1 3 镪搂块含鸯共菇碳纯物，劳显窍在藏分臻搴厅，褥卷逡会 降低h 1 3 镄冲击韧谜，从褥影镳最终的使用性隧。本文采用扩数逡火，怒缎讫楚 理和软化处理，消除挟晶碳化物，改善h 1 3 钢偏橱和碳亿物的形态殿分布，达到 细化组织、提高模块心部强韧黻的髓标。运用透射电镜( t e t d ) 、李暑籀电镜( s e m ) 和能谱( e d s ) 技术，分析h 1 3 钢微观组织；采用自约束热疲劳试骏方法测试h 1 3 诵均旗仡魏螽的熟疲劳谯熊，翔休式显徽镜溅察热疲劳裂敬形貌并测慧裂纹深 浚，汁葵熟疲舅袋纹损镄鞠予，参照u d d e h o l m 熟疲劳裂纹禄准图谱，全藩评定 掰者豹热疲劳性髓。试验缩梁表鹄： 1 + 经1 2 6 0 扩散遥火，荚磊凝化物能基本溶熊，碳及台金元素分布趋予均匀； 2 经1 1 0 0 c 高温囤溶和镣温球化邋火或8 2 0 。c 高激固火，二次碳化锈娶球状均 匀分布在铁索体蒸体上，避免：= 二次碳化物链状潞晶界分布； 3 普通h 1 3 钢模块横向心裁邋火态与滓麟火态冲潦功分别炎2 i ，站帮3 5 。3 j ， 横纵比( 模块横向心部冲击功纵向表丽冲妇功) 为0 2 左右；s ! g p f l l 3 ( p e s r ) 模块横向心部邋火态与淬两火卷狰击功分掰为6 7 j 和2 7 5 j ，横级比达到0 8 ， 滓击缝这弱u d d e h o l m8 4 0 7 销永平 4 普通h 1 3 钢热疲势裂纹粗大，主裂纹相互平行分布，s w p h l 3 热疲劳裂纹细小， 莹溺络状均匀分布；均须纯觏趣细忧处理处理能显著改警h 13 锶的热疲蒡性 畿； 5 大块状共晶碳化物及夹杂物常成为热疲舅裂纹源，热疲劳裂纹通常沿着龋界 扩矮； 关键字热髂模其镶扩教遣火球仡退灾 率蠢翱注热疲劳 上海夫学硕论文珏13 钢缍鲮靛籍菠热癌舅社藐薹嚣究 a b s t r a c t h 1 3s t e e li se a s yt of o r m8l a r g eq u a n t i t yo fa 1 1k i n d so fc a r b i d e s w i t hc o m p l e xc h e m i c a lc o m p o s i t i o nc o n t e n ta n ds t r u c t u r e w h i c hc o n t a i n s c h r o m i u m ，m o l y b d e n u ma n dv a n a d i u m e u t e c t i cc a r b i d e sa n ds e g r e g a t i o na r e d e t e c t e di nt h eh 1 3m o u l dw h i c hp r o d u c e db yt r a d i t i o n a lp r o c e s s i n g ，t h e t w of a c t o r sw i l lb o t hd e c r e a s et h e i m p a c tt o u g h n e s s v a l u ea n dt h e n d e t e r i o r a t et h es e r v i c el i f eo ft h ed i ec a s t i n gd i e s 。i nt h i sp a p e r ，t h e a u t h o r s u c c e s s f u l l y e li m i n a t e d e u t e c t i cc a r b i d e sa n dd i m i n i s h e d s e g r e g a t i o nb ym e a n so fh o m o g e n i z i n ga n n e a l i n g ，s u p e r f i n i n gt r e a t m e n ta n d s p h e r o i d i z i n ga n n e a li n go rh i g ht e m p e r a t u r et e m p e r i n g ，a n dt h u se n h a n c e t h e s t r e n g t ha n dt o u g h n e s so ft h ec o r eo ft h em o u l d 。t h ea u t h o ra l s o s t u d i e dt h em i c r o s t r u c t u r e t h r o u g ht r a n s m i s s i o ne l e c t r o n m i c r o s c o p e ( t e m ) ，e l e c t r o ns c a n n i n g m i c r o s c o p e ( s e m ) a n d e n e r g yd i s p e r s i v e s p e c t r o s c o p y ( e d s ) b ym e a n so fu d d e h o l ms e l f r e s t r i c t e dt h e r m a lf a t i g u e t e s t i n gs e t ，t h ea u t h o rc o m p a r e dt h et h e r m a lf a t i g u eb e h a v i o ro fh 1 3 ， s w p h l 3a n d8 4 0 7s t e e la f t e r6 0 0 ，1 0 0 0 ，2 0 0 0a n d3 0 0 0c y c l e s ，a n da s s e s s e d t h e i rd i f f e r e n c ea c c o r d i n gt ot h es t a n d a r dp i c t u r e so ft h e r m a l f a t i g u e c r a c k sw h i c hp r o v i d e db yu d d e h o l mt o o l j n ga ba n dt h ed e s t r u c t i o nf a c t o r s c a l c u l a t e db ya c o m p u t e r t h ee x p e r i m e n tr e s u l t si n d i c a t et h a t ： t 。t h ee u t e c t i cc a r b i d e sa l m o s td i s s o l v ei n t ot h em a t r i xa n dc a r b o n a n d e t h e ra l l o y i n ge l e m e n t sd i s t r i b u t e h o m o g e n e o u s l ya f t e rh o m o g e n i z i n g a t1 2 6 0 ： 2 s e c o n d a r yc a r b i d e se m b e di n t ot h ef e r r i t em a t r i xa n dn o s e c o n d a r v c a r b i d e sd i s t r i b u t e a l o n gt h eg r a i n b o u n d a r y li k eae h a i n8 f t e r a u s t e n i z i n ga t1 1 0 0 4 ca n ds p h e r o i d i z i n ga n n e a l i n go rh i g ht e m p e r a t u r e t e m p e r i n ga t8 2 0 ： l l 上海大学硕士论文h l3 钢组织控制及热疲劳性能研究 3 t h e i m p a c tt o u g h n e s sv a l u e so fa n n e a l e da n dq u e n c h e da n d t e m p e r e d s p e c i m e no ft r a n s v e r s a ld i r e c t i o nw h i c hl o c a t ei nt h ec o r eo ft h em o u l d o fh 1 3s t e e lp r o d u c e db yt r a d i t i o n a l p r o c e s s i n ga r e2 1 3 ja n d3 5 3 j r e s p e c t i v e l y ，t h er a t i o ( i e t h e i m p a c tt o u g h n e s s v a l u eo f t r a n s v e r s a ld i r e c t i o ni nt h ec o r eo ft h em o u l d t h ei m p a c tt o u g h n e s s v a l u eo fl o n g i t u d i n a ld i r e c t i o ni nt h es u r f a c eo ft h em o u l d ) i sa b o u t 0 2 ；h o w e v e r 。t h ei m p a c tt o u g h n e s sv a l u e so ft h a to fs w p h l 3p r o d u c e d b yp r e m i u mp r o c e s s i n ga r e6 7 ja n d2 7 5 jr e s p e c t i v e l y 。t h er a t i oe x c e s s 0 8 ，s o t h e i m p a c tp r o p e r t i e se x c e s su d d e h o l m8 4 0 7s t e e l ： 4 t h et h e r m a l f a t i g u e b e h a v i o ro f h 1 3 i m p r o v e so b v i o u s l y t h r o u g h h o m o g e n i z i n g ： 5 t h e r m a lf a t i g u ec r a c k si n i t i a t ea tt h ei n t e r f a c eo f m a t r i xa n de u t e c t i c c a r b i d eo ri n c l u s i o n ，a n dp r o p a g a t e t h r o u g ht h eg r a i nb o u n d a r y ： k e yw o r d s h o tw o r kt o o l s t e e l ；h o m o g e n i z i n g ：i m p a c tt o u g h n e s s t h e r m a lf a t i g u eb e h a v i o r i i i 上海大学硕士论文 h 13 钢组织控制及热疲劳性能研究 1 , 1 国内的模具钢市场 第一章前言 近年来，中国的模具工业以每年1 5 左右的速度增长。据统计，耳前，中豳 约有1 7 0 0 0 多个模具生产厂家，从业人数超过7 0 万人。1 9 9 9 年，我圆模具工她 总产馕这2 4 5 亿元，2 0 0 0 年爨诗达到2 8 0 亿元。 汽车、摩托车行业是模具最大的市场。在工业发达国家，这市场占整个横 其枣场熬6 0 菇上。2 0 0 0 年我嚣汽车产量秀2 7 0 万鞣， 囊诗到2 0 0 5 年，我国汽 车年产璧将达刻3 0 0 万辆。为了适应市场需求，汽车换型时间不断缩短，汽车换 鳖薛，约有8 0 的穰熬需要更换。一个墅号的汽车所需模其达尼千窬，价格_ 上亿 元。如个车型的轿率，需模具4 0 0 0 多副，价值2 3 亿元，仅是冲压模具就需 1 0 0 0 套左右，价值5 0 0 0 万元左右。减轻车身黧量，减少能源消耗是汽车工业今 后的发展方向。铝合金堰铸件幽予重爨轻，性鼹好，在轿车上的应用越采越广泛， 据统计，目前，辆轿车上铝合金零部件的重髓达3 0 公斤，鼠大部分烂压铸件。 攘其王数约迅猛发鼹，极太遗促避了我量模其钢黪生产穗技零遘步。国内不 少钢厂通过引进先进的生产设备和技术，已具罄生产离糠量模嶷钢的条件，模具 铜静燕稃、覆豢有了较大豹发装寇据簿，毒釜鹣耱凄爨已这妥瞬际先逡承平，除 了满足国内需求外，还能出口。但由于存在品种、规格不全，高质量档次产品少， 质量髓能不够稳定以及销售渠道不畅等方面原鞠，国产模其钢遥不能完全满足穰 具工业发展的浠要。尤其是工作条件瑟劣的压铸模以及大型、复杂、糟凄模具， 国产模其钢比鞠外同类进口产晶存在较大差距，不能完全满足市场需求。据有关 资料分绍”】，翻本镊会金压铸模豹平均使爆寿念在1 1 万次左右，臻典8 4 0 7 到逸 的铝压铸模的使用寿命达2 0 万次，相比之下，我国锅合金压铸模的平均使用寿 命只有6 万次，蓬产h 1 3 镶静蘧铸毒念最高受6 万次，嫒差豹饺死予次模其藏灸 效。虽然我国服铸模的市场很大，h 1 3 钢的市场需求量也很大，但由于国产h 1 3 铺的霰蹙闯怒，这类模其镪通常需要避箍，有辩甚至怒整套模矮避墨。据不完全 统计，我国每年从瑞典、日本、德国等国家进鄹各类模具钢多选6 万吨( 2 j 。 上海大学硕士论文 h l3 钢组织挂制及热壤剪忭能研究 1 2 国内外热作模具钢的发展 1 2 1 锚合金压铸模材料的现状 ：i 露年来，随着铝及其台金的大量使用，作为铝台衾压铸技术的重攒装备之 铝台金糕链模褥到前所未有的黧视。铝会金具有低密度、高强度、耐腐蚀 啦及易成型等优点，成为除铁以外的最重要的念属元素。铝合金压铸技术是一种 少 囊i 无瑷羽豹姆耱铸遗工艺，誊| 秘剥髑率高，搿以雳鲮低豹或本、较快靛速度翻 较高的精度，腱铸出形状复杂、表面质量较好的零件，近年来在汽车、机电、仪 器饺表程轻互等行、篮懿成爱冒豢广泛；濯噩乏，瓣代工照对铭台金篷铸摸静要求麓 来越高。 锻含金的鹰铸生产是一静动态热力学过稷，液态销金属在高压佟蔫下射入 型脏并凝固冷却。被压铸零件嶷有尺寸精度赢、袭面光洁、强度翻硬度高等特点， 一般不需要机械加工或稍经加工便可使用f 3 1 。稔锅合金压铸生产中，模其使用帮 套麴襄低，壹接影鹃麓生产搴及生产戏本。键舍金压铸摸鲍王 乍滠疫霹班裹至 7 5 0 ，型腔壁所承受的铝液的压射速度达到6 0 米秒，压力达到1 0 0 m p a ，同时 要爱受舞瀑镑滚敬爱笺热砖壹冬熔援。 适合于压铸的热作模具钢牌号众多，总体来说，可分为铬系、铬钨系和铬钢 系等驿。】。早蠲我国鬻弼豹熬作模其羽主要毒5 c r m n m o 、5 c r n i m o ，主鼗蠲于熬 锻模。c r w 型的代表钢钟是3 c r 2 w 8 v 钢，予2 0 世纪3 0 年代开始在工业上使用， 是一种离燕强性的热禳钢，被广泛用作热挤压模和c u 、a l 合鑫压铸模。这种钢 热稳寇性高，饿用温度可达6 5 0 。c ，但其导熟铁低，冷热疲劳性能差，也逐灏有 被铬系和铬锱系热作模具钢代替的趋势】。h 1 1 ( 4 c r 5 m o s i v ) 和h 1 3 ( 4 c r 5 m o s i v i 是铬系热俸摸其锶熬典型钢静，这类镪综会性能较好，有葭 好的冷热疲劳抗力，h 1 3 钢有较大的尺寸效应，模块截颟过大时，心部韧性显藩 下降，冒采蠲奄渣重渗、等彝锻造等工琶撵离铺豹纯净发，改蛰只寸效庭。镅系 热作模舆钢的熬本钢种为3 c r 3 m 0 3 v ，相当于a i s ih 1 0 和德国的x 3 2 c r m o v 3 3 ， 这类铺锈性较高，热强性和热稳定性优于h 1 3 锅，国内遥过添如适量的w 研铷 成功h m t 钢( 2 c r 3 m 0 3 w 2 v ) ，在保持该钢较好的强韧性条件下提高了其热稳定 上海大学磺士论文h 1 3 锵缀织控制及热疲劳健耗研究 饿，适搿于麓造蠢溢、赢速、离裁萄、惫冷条 孛下工 车爨断裂或煞疲劳豫失效赘 热作模具；通过降低m o 和v 的含量，加入1 n i 和o ，5 n b ，研制成h d 钢 ( 4 c r 3 m 0 2 v n i n b ) ，提离了钢的室温和黼温韧健及热稳定往，在7 0 0 时硬度仍 w 保持夜4 0 h r c ，使用寿命比3 c r 2 w s v 有显著提赢，) 。 近几十年来，国外歼发了一系列的新型热作模具钢，具有代表性的是瑞典 麴8 4 0 7 、q r 0 9 0 粒d i v a r 钢，它 l 、j 熬纯学成分强表l l 。 表1 - 18 4 0 7 、q r o9 0 、d i e v a r 的化学成分( 质量分数) 8 4 0 7 的理论成分与h 1 3 、s k d 6 1 、4 c r s m o s i v l 蓥本稿褥，键其冶滚工艺更 为精细、先进，尤其是碱含量降樽很低，其组织均匀、纯净度高，钢材的纵横向 性能一致，所戬组织、能能十分优良；8 4 0 7 钢锭中温( 3 0 0 - - 5 0 0 ) 工作具有 较崧豹红疆性及瓣热疲势性，箕热处理攮娆也嚣鬻好，表现为淬火的旗爨冷却速 度小，容易在真宅气淬炉中淬硬，淬硬时尺寸稳定性好。q r 0 9 0 钢的大致成分 鞠兰予审嚣魏4 c r 3 m 0 2 v ，它是璜典锾铁公司糁期秀毒瀑王箨懿援其竣诗豹专弱 合金钢。其红硬性比h 1 3 更好，在6 0 0 。c s e 作时的硬度仍可保持在5 0 h r c ( h 1 3 镌的硬度汪降委4 8 h r c ) ，这簿q r 0 9 0 豹朝经受粕窭色，是h 1 3 镝豹1 5 倍。 q r 0 9 0 钢与8 4 0 7 钢相比，降低了c r 、s i 含量，提高了m o 壤，虽然q r 0 9 0 诵中合盒元素总含量低予8 4 0 7 ，但其练合性能如屈腋强度、韧经、耐热性、导 热性及热疲劳抗力等优予8 4 0 7 钢f2 3 j 4 。d i e v a r 是u d d e h o l m 最薪攒堪的熟 作模具钢，碳含黛稍低于8 4 0 7 和q r o9 0 ；铝古爨显著商于8 4 0 7 ，与q r 0 9 0 相 巍，铝褰爨形残稳定豹碳位物，帮镬在较燕载湛发下连不爨分惩秘聚集长大，函 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 具育更高的 镯经稻延袋注，瓣魏在饿瓣过程中燕疲蘩往髓饶子8 4 0 7 。侔为一耱耨鼙翁热佟 模具钢，d i e v a r 钢具有备向同性的高延展性，离的热屈服强度、高的抗氧化性 熊，非常好的淬透性以及良好的鼯热性；其优良的往能愚今后燕作模其钢发展的 方向1 钉。 j 二海大举碳士论文 h 】3 钢鳃绒掩制及热疲劳傩能研究 移年暴，国内几乎所有的压铸模均选髑3 c r 2 w 8 v 钢制作，但这种钢的热疲 势性能较整，龙熬怒瘸承冷龆对，搂县鼹热凝劳寿命更低措 。a i s ih 1 3 镧是7 0 年代我霞扶国外孳 逡的镶萃孛，爨8 0 年代良浓，h 1 3 镪逐步取代3 c r 2 w 8 v 镪，翎 运锻会金莲铸模。嚣麓，国际上弈普遍袋髑h 1 3 静 謦为锈食众聪铸摸誊| 瓣( 优学 成分见表1 。2 1 ，此锻具谢离麴淬透性、淬域链、强韧性和冷热疲势抗力 1 6 ：其价 格黪低予3 c r 2 w s v ，鼹肖可躐的经济效懿茅羁社会效益。 裘1 - 2h 1 3 镪魏纯攀袋分范麓( 莲鬟努蘩) 1 2 。2 优震热俸横蕊镶瓣性楚要求 铝合金压铸横的主簧失效形式有；熟痰势失效、整体歼裂、热蚀、热蘑损 以及焊合 1 7 1 。由于锅台囊联铸模在工 乍避獠中爱到急冷惫热熊热冲击，模具受 羧鬣襞熬熟一冷帮，溺魏，6 0 7 0 p a 主驰摸爨都邋煞疲势嚣失效 1 8 , 1 9 ：锫合衾 聪耱攘戆豢麓失散形式( 嚣攀蘩失效) 一般楚热疲劳裂纹瓣扩袋，郄模鬟纛嚣薮 热疲劳产生的粗、深、密的裂纹，使铝禽鑫零释的表面质爨鞠尺寸精度不能达到 鼷求丽导致模具静最终失效。濯此，鉴于锻奄垒压铸模的惩劣的工 乍环境，横具 糖精辩其翁戳下特点； 麓鹣热强褒一露叛减三| 搂疲劳裂纹鞫媸 曼整攥豹寿愈 o 好的圈火稳定彀萄避受较 七 好的韧性与越殿憔可避免热裂、减少塑性变形和热疲势裂纹 o 较低翁熟膨胀系数降低模舆表酾髓威力与应变，以减少热疲劳裂纹 o 蠢鹣嚣蒸蓉数洚低滋凌撵度耪热藏力，减少热疲势裂绞 好熬纯学稳定浚避凳与韬滚及空气缀应 腿铸模最主鼗鹣失效形式是热疲势( 删。热疲劳抗力与韧瞧鞴热斌服强度密切 楣美 2 卜2 越。髓着镪中非盒满夹杂物和麸鼯碳化物数受以及微观偏桥程度的降低， 嵇滋秽抗热篷袋糍力均援黉，麸撼延缓熟疲黉裂纹魏蘸生茅嚣扩袋，跹矫，懿麴热 毒 上海大学硕士论文 h 13 钢组织控制殷热疲劳性能研究 属服强度也能提高抗热龟裂能力。d i e v a r 和8 4 0 7 在4 4 h r c 的硬度下，在6 0 0 对的熟矮服强液分剐愁5 6 0 m p a 和5 1 0 m p a ，d i e v a r 6 0 0 。c 时热屈簸强度眈 8 4 0 7 赢1 0 左右，高的热屈服强度就意噱着好的热疲劳性能，辩加上d i e v a r 在相同韧性水平下硬度比8 4 0 7 裔出2 - 3 h r c ，而较高的硬度也有助于改善热疲劳 性 2 卯。所以，在耀网冷热獯垮次数下，d i e v a r 的裂纹数目跑8 4 0 7 少，主裂 纹深度也比8 4 0 7 浅，即商较好的热疲劳性能。 茹嚣s k 5：) ，；： 1 i ! 。_ ：。、，j j 一。0 ， 、 i 、 王：；。；各瓣 ，1 t l 一卅 译粥r 一 。 i l ll 0。k 一裂鞑黻蟊懿爨 m m x i l x 辅” 虢嚣i 绺嘣，4 “”i 捷巾b 的挎姆出执在寡璺 、 巾6x 1 0 hn t 中2 7 f 、扭漳山 c ，孑 莶t _ 喁q 。 m 。 k 二l ll - - 潇 ；： 哺二二 磁捌：物 h h 一 m ，刁。 t ；埔5 鼬n l 对霹a 图1 - 1d i e v a r 和8 4 0 7 的c c t 曲线，圈上叠加了真空淬火锻模常规淬火速 度的冷却曲线。 图l 一| 是d i e v a r 帮8 4 0 7 瀚c c t 魏线f 持1 ，d i e v a r 静璇纯豹析密线、珠先 体、贝氏体转变线被推迟到更长的冷却时间，也就怒d i e v a r 的淬透性优于8 4 0 7 。 由于碳纯物析出推迟，可减少晶界碳化物的数量，使组织更加均匀；淬透髋的提 高，可馒大截露模块表西与心部获褥辐同舱组织，改善心部力学性能，适耀于制 造大型模舆。 1 3 本课题研究目的、意义、内容 随着铝合金臌铸件在汽车、机电产晶上的大量应用，锅合金压铸模的使用也 越来越广泛，对鹾铸模的镶能也掇爨了越来越毫既要求。镪台金愿铸搂熬袋臻条 啪鼢 啪瓣瑚 黜黜 删 辫 瑚 燃 。 上海大学醺士论文 h i3 钢组织控涮及热疲劳性能研究 件十分恶劣，殛长模其使用寿命一直是迨求箭麓标。莓产h 1 3 销存在静辩质量简 题，影响了模具的使用海命，因此，本课题的研究是的是提高国产h 1 3 钢的质量， 使其达到国际先进水平，改变瞄前我国依靠大激进口模熙钢的现状，使国产h 1 3 镪伐替逛强h 1 3 。 提高模具钳的质量，是提高模具的使用性能、延长模具使用寿命的蠼根本谂 径。这楚一项涉及摸其镧熬冶炼、热魏互、颈毙熬楚理、最终浮强火整理等各环 节的系统工程。根据五钢h 1 3 钢和瑞热u d d e h o l m8 4 0 7 钢大型模块的微观组织、 力学幢l 帮熬疲劳缝熊簿 e 试验，总壤密五锈h 1 3 镶大罄模块静努力方滏是：撬 高钢材的纯净度、提高模块的簿向性、改善模块的微观组织及均匀性。所以本课 题着鼹于如下环节。 提离冶金威量 h 1 3 钢自二十世纪兰十年代发明鞋来，其主要化学成分基本没有改变，但为 提嘉h 1 3 钢豹矮量取捷鼹性钱戆稳定矬，h 1 3 锻位学残分戆谯像蒡器控锄一妻是摸 具钢研究的重疆课题。s 、p 在凝固过程中易谯晶界析出，弱化晶界，导致晶间 蕤往，基荔彩缓硫建物夹杂，严重影噙模其钢瓣塑额健殿热疲劳柽蕤，s 、p 豹 化合物在热加工时易破裂而产生裂纹，夹杂物破坏基体的连续性，容易引起应力 集中耐产生裘纹。五铺莓蓠是按企韭标准q h y a d 4 1 3 9 1 ( 鍪本上与国家标猴 g b l 2 9 9 8 5 标礁一致) 生产h 1 3 钢，虽然其企业标准黝s 、p 宙星控制攥严于网 标，但s 、p 含璧明显高于n a d c a # 2 0 7 。9 0 标凇的规定德。降低硫含最能极大地 提毫h 1 3 钢戆热疲劳憋能，嚣鼗，提巍冶金矮爨匏关键在于降低s 、p 禽量，从 而减少h 1 3 钢的夹杂物，提高钢材纯净度。本课题的目标是：s 含餐小于0 0 0 1 2 、 p 含量小于0 。0 1 2 。 引入预处璎工艺、泼善组织 国产h 1 3 锈传统垒产工艺楚电渣键锻造磊球化运火，遗火缀织中保留了原先 存在的共晶碳化物、成分偏折等缺陷，组织不均匀，二次碳化物育沿晶分布的现 象，使模块力学性能量现各向辩性。援麓模块的等向谯，关键在于消除共晶酸优 物，改饕带状编辑。在锻造蔻怼电渣锭避 亍燕激均匀他处理，馒太部分共鑫碳他 物溶解，通过原子扩散改善偏析。锻造时尽量增大锻造比，使模蛾心部充分变形， 上海大学颁士论文h 1 3 钢组织控制及热疲劳性能研究 将粗大的晶粒和碳化物网打碎。锻造后采用高温围溶+ 等温球化遐火或固滚+ 高温 阐火的超细化处理，以获得细小、均匀的组织，提高h 1 3 钢的质量。 采用u d d e h o l m 热疲劳试验方法比较h 1 3 钢生产工艺改饕前后模块的热 疲劳性能，探索热疲劳裂纹萌生和扩展。 上海太举硕士论文 h 13 钢组织控制及热疲劳忭能研究 笫二章h 1 3 钢均质化和超细化处理工艺研究 自从八十年代h 1 3 钢引入中国以柬，弱前竭内有多家钢厂能生产h 1 3 钢， h 1 3 钢生产大酃采用了电渣重熔( e s r ) 技术，有效地降低了h 1 3 钢的条质元索 会量，摄少夹袈物，掇离钢材黪纯净瘦，从两提毫h 1 3 钢的厦爨。h 1 3 镪含e r 、 m o 、v 等碳化物形成元素，程提高淬透性、耐热疲势性能和韧性的同时，也增 筠了璇纯物豹不均匀链耪藏分锅援，造残h 1 3 镌力学犍能务鑫辩注，表霆与心秘 性能相差悬殊 2 6 , 2 7 。目前，国产h 1 3 钢存在的主要问题是s 、p 含量偏高，存焱 蓝稳蒸菇族纯镑，带敬镛析帮= 次碳纯物分布不秘匀，= 次碳纯物链状浍晶界分 布。h 1 3 钢整体质量不如8 4 0 7 。 2 1 国产h 1 3 钢存在的主要问题 2 1 1 材质缺陷 亚稳共晶碳化物 h 1 3 钢中含碳量并不太高，但合金元素瑟含譬这8 左右，满于过蔌横钢f 2 “， 在电渣锭中，幽于碳和会金元索严重偏橱，h 1 3 钢会出现共晶碳化物。共晶碳化 物通常壁块状，在钢锭凝固后期沿晶界析出，缀锻造以后排成辚，共晶碳化物磺 蔼臆，与基体在性能上莓在缀大差舅，餐晏造斌应力集中，在摸具傻弱过程中紫 成为裂纹源，造成模具早期失效。这种不平衡的亚稳共晶碳化物，原则上可以采 爰高撼长麓扩散运炙游狳；麴采在簇逢疆鑫暴耀锻造余熬淬火。嵩滠圈犬，或对 模坯逊行高温嘲溶一短时间等温球化，都可减少甚至消除共晶碳化物。 带捩编辑 h 1 3 电渣锭凝固时选分结鼎，尤其在凝固聪期，枝鼎偏析很严重，电渣锭疑 锻造、遐火后麓贫碳醚与富酸隧交替分布的带状组织蚌，2 。因为带状组织的碳、 合金元豢含量露差异，淬火后的组织不蠲，经浸撼蜃里黑自辐阕靛袈繁凝。淬凰 火态的白色区域碳与台金元素窝集，不舄腐蚀，为马氏体组织；黑色区域则是椒 上海大学硕士论文 h 13 钢组织控制及热疲劳性能研究 大的马氏体与贝氏体的混合组织【2 8 】。同时，成分偏析给模具热处理带来不便，经 常出现晶粒大小不一的混晶现象 2 9 - 3 1 。偏析带之间的力学性能差异较大，造成模 块力学性能各向异性。 二次碳化物网 h 1 3 钢球化时加热温度过高、锻造时停锻温度过高、锻后冷却缓慢时，退火 组织中会出现沿晶界分布的二次碳化物网，二次碳化物网严重弱化晶界【3 2 】。淬火 组织中出现二次碳化物网有二种原因：其一是退火组织中已有二次碳化物网存 在，淬火时虽然细小的碳化物网能溶入奥氏体中，但一部分粗大的碳化物网则残 留在晶界上，并且回火时又有所加粗；其二是模具高温加热奥氏体化后，淬火冷 却速度相对缓慢，过饱和奥氏体可能在冷却过程中沿晶界析出二次碳化物2 7 1 。从 h 1 3 钢的连续冷却动力学曲线可知，冷却时从奥氏体很容易析出二次碳化物，要 完全避免析出二次碳化物几乎是不可能的。特别是大模块心部，冷却速度比表面 慢得多，更易出现二次碳化物网。依靠增大锻造比，加快模块冷却速度，均可减 少二次碳化物呈网状沿晶分布的倾向。 2 1 2 等向性 国产h 1 3 钢由于在材质上存在诸多缺陷，其力学性能与热疲劳性能与8 4 0 7 相比存在不小差距f 2 6 ，3 3 】。国产h 1 3 钢室温抗拉强度和屈服强度与8 4 0 7 相差不大， 但是延伸率、断面收缩率比8 4 0 7 差，特别是反映原材料强韧性的综合指标冲击 韧性低于8 4 0 7 ，尤其在模块心部，冲击韧性不到8 4 0 7 的一半。 由于以上诸多因素的限制，降低了国产h 1 3 钢的使用性能。因此，对h 1 3 钢模块进行均质化处理和超细化处理，以消除共晶碳化物，改善带状偏析和二次 碳化物的形态与分布，是提高h 1 3 钢模块力学性能及等向性的关键。 2 2 高温均匀化退火 高温均匀化退火又称为扩散退火，即将金属铸锭，铸件或铸坯在略低于固相 线的温度下长期加热，消除或减少化学成分偏析及显微组织( 枝晶) 的不均匀性， 以达到均匀化的热处理工艺a 铸锭凝固时发生偏析，造成成分和组织不均匀，经 上海大学硕士论文 h l3 钢组织控涮及热疲势性能研笼 车l 制成铜材对将沿着轧制方向箍长而成方向性，形成带状组织，造成横块力学憔 能各向努性，通常模块凛直于牟l s t j 方向i l 勺力学性能很差。 通过扩散趱火消除成分不均匀一睦需疆原予作长程扩散，因而过程避行很慢， 要傈瀑缀长对阕，瀵耗大量豹能基，生产效率低，只有在必要辩矛使用。因此扩 散退火多用于优质合金钢及偏析现象较为严重的合金。扩散退火在铸锭开坯后谶 行毙较蠢效，因为站露铸态鎏缀基被皴环，覆予扩教豹簿碍大为藏多。 钢锭扩散遐火加热温度通常选择在a c 3 或a c r e 以上1 5 0 。c 一3 0 0 ，视钢种 帮偏褥程度丽菇，温度过低，舔予扩散缓懂，邀火时阕将大露戆长，生产效率低 下；温度过高，影响加热炉寿命，并使钢锭烧损过多。台金工模具钢的扩散退火 温度一般选择农1 2 0 0 。c 1 3 ，加热速度控制在1 0 0 2 0 0 c h ，扩散退火僳 瀑对间理论上掰以掇据照始组织成分不均匀性的程度，假设其浓度分布模型，髑 扩散方程的特殊解来进行计算，但浓度分布的测定需要很长的闵期，实际很少聚 残，瑟莱瑗经骏公式遂行继算。遭荤，爨瀑霹溺一般羧截覆殍嶷每2 5 m m 保瀑3 0 - - 6 0 m i n 。或按每毫米厚度保温i 5 2 5 m i n 来计算，若姨炉量较大，可按下式计 冀 1 = 8 5 + q 4 式中对溺 瓢) 嚣渥度送阗德黪怒蕊冷餐时戆疆 环次数。采用这种试验方法，其应力一应变情况与实际冷热疲势循环时有很大不 同。 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 羧，瘸热疲劳机制图比较不阉模具材料黪熬疲劳性能。但无法灏测各秘不阉健躅 生撬下黥模其寿命。 在温度循环的同时加裁循环机械应力进行热疲劳模拟。这种试验方法最接近 模媳真实使用情况，但试验设备复杂，费用离。 在上、下限温度之间循环加热一冷却试样，并按照试样表蟊的裂纹情况评定热 疲骛楚箍。试验赘辩，王 筝强瘦夫。 上述几种热疲劳试骏方法各有优缺点。而且影响热疲劳的困索众多，采用不 同的试验方法可能得出截然不同的结论，为了准确比较不同材料的热疲劳性能， 试验必须在相同的条件下避行，即采用相周的试验装置，控制棚阀的试验参数， 上海大学硕士论文 h 13 钢组织控制及热疲劳性能研究 尽量减少外部因素对试验结果的影响。 4 2 热疲劳试验 4 2 1 试验装置及方法 本试验采用u d d e h o l m 自约束热疲劳试验法，试验装置如图4 - l 所示。 图4 - 1u d d e h o l m 热疲劳试验装置示意图 试验仪器主要由以下三部分组成：高频感应加热系统、热疲劳温度循环自动 控制系统和冷却系统。试样为半圆柱形，平面用于观察裂纹形貌，试样外形及尺 寸见图4 2 。试验原理是：通过热电偶将反馈信号输送给热疲劳温度循环控制器， 在加热半周期控制高频感应加热装置，通电加热试样；在冷却半周期，则控n , o n 热装置断电，并同时使电磁阀开启，冷却介质开始冷却试样。热疲劳温度循环控 制器有时间控制和温度控制功能，并用计数器自动记录循环次数。 l i 2 d 2 0 图4 - 2 热疲劳试样尺寸示意图 本试验采用u d d h o l m 自约束冷热疲劳实验方法5 。l ，u d d e h o l m 方法属于热应 上海大学颈： 论文 h 1 3 锻组织控测及热疲势捧姥礤究 燮舞约寒型方法，其优势有：操俘麓便，易于控剑；人为因素造成的偶然误差较 小：裂纹易于观察。热疲劳实验仪是由美国因达公司提供的5 k w 固态离频电源 菠剁纛戏，霆有控裁趣热、冷却葶羹记录骞蒌巧次数熬功戆。热蕹琢方式为：室滋 ”7 0 0 ，室温控制在1 8 ，加热时间3 6 秒，加热后停1 秒；冷却时间为8 秒， 冷却螽侉 移；冷帮分袋：叠采东；锤琢次鼗：3 0 0 0 次。在试襻表露辫接蕊电 偶，用x y 函数记录仪记下温度变化曲线，图4 ，3 是在热疲劳循环过程中试样表 蕊的溢度变化益线，采用高频感绒加热试样表面爵温速度很快，在船热期间试祥 袭面温度几乎直线上升，最高温度达到7 0 0 左右，在随后停止加热l s 内，温度 下降到5 8 0 左高，喷水冷却时温度则急刷下降。 加热时间( s ) 翻4 - 3 一个循环掏期试样表谣温度变纯 冷热循环一定次数后将热疲劳试样用1 0 盐酸溶液洗去表面氯化层，用体式 驻微镜观察裂纹形貌，并将热疲劳试样在裂纹最密处沿横截面剖开，测量裂纹深 艘。用n e o p h o t2 i 金楣显微镜和s - 5 7 0 扫描电镜( s e m ) 戏察试验材利蜓缝 织、碳化物分布情况等。 试验疑爝耪辩为普遴h 1 3 销、s w p h t 3 钢( 帮善遂h 13 钢经过裹湛均匀亿 和超细化处理) 和8 4 0 7 。试验材料均在1 0 2 5 。c 真空淬火，6 1 0 。c 嘲火二次，每次 潮穴2 小时，回火后硬度筠在h r c 4 6 _ 1 。每释书孝瓣准备3 个燕疲劳试样，分剐 经过6 0 0 、1 0 0 0 、2 0 0 0 、3 0 0 0 次冷热循环后用1 0 盐酸溶液洗去袭面氧化屡，用 体式显徽镜观察裂纹形貌，并用计算机计算热疲势裂纹损伤因子；每个试样经过 蝴 m 黜 辩 | 猫 。 p ) | 避臻 上海大学硕士论文 h 3 钢缒纸控澍及热疫劳性携研究 3 0 0 0 次冷热循环后在裂纹最密集处沿横截酾剖开，测量裂纹深度。用n e o p h o t 2 1 金相显微镜和s - 5 7 0 扫描电镜( s e m ) 观察试样表层和心部的组织、碳化物分 布爆凝等。 4 2 2 热疲劳裂纹评价标准 目前，热疲劳试验方法多种多样，采用不同的试验方法可能得出不同的试验 绪论，对热疲劳裂纹的评价也是根据试验遂褥各个试样闯的比较，至于用不同试 验穷法褥蠢鹣结论翅赣互之闼没有可比性。 4 2 2 1 u d d e h o l m 标准图谱 按照u d d e h o l m 自约束热疲劳试验法，其对热疲劳裂纹的评定是按照 u d d e h o l m 提供的檬猿图谱。标准图谱共分嚣套，a 套图谱对应网状裂纹，b 套潮谗对应主裂纹，分裂鸯十个不露熬缀聚，最后豹热疲劳级澍是翻获裂纹与圭 裂纹的综合。 4 2 2 2 热疲劳损伤因子 参照标准图谱对热疲劳裂纹进行评定，盛须具备十分丰整鳃经验，两旦评定 往往带有评定者静主躐攮，对嚣一熬疲劳裂纹，评定绩栗可怒潮入 羲i 舅；而且各 级标准图谱之间的差异较小，有时很难作出准确的判定。因此，有必要开发一种 能准确评定热疲劳裂纹级别的1 具，客观地反映疲劳性能的优劣。自m a n d e l b r o t 5 2 j 提出分形几何的概念以米，分形在材料科学的应用越来越广泛，断口 5 3 1 、裂纹扩 矮f 蚓蘩可以溪分维逡嚣定虽分爨。诗篝交袭纹衰嚣懿势缝，霉缀合考虑裂纹深度、 宽度等参量，得出热疲劳裂纹损伤因子，可定量评判熟疲劳裂纹等级【5 5 1 。现代计 算机技术的发展为图象处理带来了极大方便，利用计算机强大的计算能力，对热 疲劳裂纹表面形貌进行处理，计算出裂纹颟积、主裂纹宽度及裂纹长度等参数， 结合裂纹深度，综合以上各项参数可计算崮裂纹懿损伤因子，礁确比较熬疲劳性 筏豹差掰。损伤因子静定义如下： d ：业 上 其r pa 为热疲劳裂纹面积：w 为主裂纹宽度：l 为表面裂纹总长度。 上海大学硕士论文h 13 钢组织控制驶热被劳性能研究 4 3 热疲劳试验结果 4 3 1 热疲劳裂纹形貌 图4 - 4 、4 546 、4 - 7 分别是普通h 1 3 、8 4 0 7 、s w p h l 3 ( e s r ) 并, i is w p h l 3 ( p e s r ) 循环6 0 0 、1 0 0 0 、2 0 0 0 、3 0 0 0 周次的热疲劳裂纹形貌。 图4 46 0 0 周次循环热疲劳裂纹形貌 ( a ) 普通h 1 3 ：( b ) 8 4 0 7 ：( c ) s w p h l 3 ( e s r ) ；( d ) s w p h l 3 ( p e s r ) 一t 海太学硕士论文 h 13 钢组织摭制敷热疲劳性能研究 图4 - 51 0 0 0 周次德环热疲势裂纹形貌 ( a ) 普通h 1 3 ；( b ) 8 4 0 7 ；( c ) s w p h l 3 ( e s r ) ( d ) s w p h l 3 ( p e s r ) 上海大学硕士论文 h 1 3 旃组织控制及热疲劳栏莪研式 阁4 - 62 0 0 0 周次循环热疲劳裂纹形貌 ( a ) 普通h 1 3 ；( b ) 8 4 0 7 ；( c ) s w p h l 3 ( e s r ) ；( d ) s w p h t 3 ( p e s r ) 图4 73 0 0 0 周次循环热疲劳裂纹形貌 ( a ) 普通h 1 3 ；( b ) 8 4 0 7 ；( c ) s w p h l 3 ( e s r ) ：( d ) s w p h l3 ( p e s r ) 上海天攀硬圭釜文 13 钢缍绽燕铡及热疲劳挫髓氍究 经过6 0 0 次冷热循环，各个试样表面都不同程度出现细裂纹，但裂纹形态略 有麓界，普通h 1 3 和s w p h l 3 ( e s r ) 裂纹带肖方向性，且普通h 1 3 已形成3 条贯 穿的主裂纹，8 4 0 7 和s w p h l 3 ( p e s r ) 的裂纹都非常细小，呈网状分布。循环次 数到了t 0 0 0 次，警递 t 1 3 熬主裘纹已霉鬻鞠爱，且已开殆扩耧，诧露箕它见令 试样的裂纹还处于相对稳定的缓慢扩展期。2 0 0 0 次以后，普通h 1 3 裂纹快速扩 展，裂纹宽度明显大于其它试样，3 条主裂纹贯穿表面，由于形成粗大的主裂纹， 将引起致命损伤。 4 , 3 + 2 熬疲劳裂纹深度 图4 - 8 是各试样经过3 0 0 0 次冷热循环艏裂纹最密处横截面的裂纹深度形貌。 闼4 - 83 0 0 0 次循环后热疲劳裂纹深度 ( a ) 普通h 1 3 ，( b ) 进口8 4 0 7 ，( c ) s w p h l3 ( e s r ) ，( d ) s w p h l 3 ( p e s r ) 上海大学硕士论文 h 13 钢组织控制及热疲劳件能研究 采用读数显微镜测量裂纹深度，并定义长度超过0 1 m m 即算为热疲劳裂纹， 各试样热疲劳裂纹深度统计值见表4 - 1 。表中列出了每个试样5 条最深的裂纹深 度，并计算它们的平均值，同时统计每个试样的热疲劳裂纹总数。从结果可见， 经过3 0 0 0 周次冷热循环，普通h 1 3 钢的热疲劳裂纹数目最多，且单个裂纹的深 度最深，容易形成致命主裂纹而使模具失效；s w p h l 3 ( p e s r ) 试样裂纹数目最少， 5 条裂纹的平均深度也是最小的，可见h 1 3 钢经过高温均匀化，热疲劳性能得到 提高；8 4 0 7 试样各条裂纹深度比较平均，没有产生特别深的裂纹，即各裂纹均 衡扩展，因此疲劳性能较好。 表4 - 13 0 0 0 周次循环熟疲劳裂纹深度统计 普通h 1 38 4 0 7 s w p h l 3 ( e s r )s w p h l 3 ( p e s