几种模具钢的热疲劳性能对比研究_李熙章

1、安徽工 学院学报 91 8 ,7( 2 卜1 仓一20J .A n h滋玩ts , T e hc n lo 。几种模具钢的热疲劳性能对比研究李熙章 施 占华 周凤云 肖钟义( 华中工 学院 )摘 要 通过对 3 C, ZW 8y 、 4 C, S M o V I S f 以 及 S C: N f河。 、 se , ZN 玄万o V S 玄两 组 模具钢 的 热疲 劳性能时 比 试验,证实 SC吃N IM o V iS 的热疲劳 性能优 于: 。爪M 件 循环上 限温度低于 6 07 , 续价MS o v l别 钢 的 热 疲 劳 性 能 优 于 3 O ZW S 犷钢, 循 环上 限温 度为7

2、 01 时, 反 而、3 0 2平S V 钢的 热疲劳杭 力较好,文章分析 了影响 热疲劳性 能的主 要因素, 提 出 了最佳硬 度值范 国, 为指导热处理工 艺提 出了可靠依据, 并为新材抖的合理 使用 指 出 了工作瀑度范围。一关键词热疲劳性能, 循环温度; 模具钢, 上限温度。1前 言目前, 国内正在推广根据美国 A IS I H 13 化学成分生产的 4 O S M O VI S 钢种 , 其目的用于 代替 3 0 2 平S V 钢制作中小截面热作模具; 对于大截面热作模具 ( 如汽车 前梁压力机模具 ) 部分机械厂则趋向于用新型高强韧性热锻模具银5C 吃N iM O 丫Si 取 代

3、S C成叮% 但对对比钢种的热疲劳 性能缺乏了解, 本文 旨在用 伽sd h lo 饥 热疲劳试验 方 法 统一评定四种主要模具材料的热疲劳性能。为了摸索热疲劳性能与常规力学性能指标之间的关系, 进行了高温拉伸、 冲击韧性试验, 室温硬度、 断裂韧性测试, 测定了不 同热处理制度下的热疲劳级 别 , 同 时 运 用sE 叮 分析技术对疲 劳裂纹形 貌和 断口进行了观察分析, 提出了使用的最佳硬度范围, 为新钢种取代老钢号在制定热处理工艺和确定位用温度范围方面提供了理论和实验依据。2 试验材料选 取两组有代表性的模具钢 进行热疲劳性能对比试验。 一组是适宜制作中、 小截面热 作模具的 3 食2

4、平S V 钢及 C4 巧M 。犷1 15 钢 ( 按照 国外标准 A SI I H 31 化学成分生产 的新钢种 ) , 另一组是制 作大截面热作模具的 5 价N IM 。 、 2 7 1 (3 西德钢号 5 N f价M o V )6 及 新型高强韧性大截面热锻模具钢 S rC ZN M o V lS 钢 ( 以 下简称S rC Z ) , 试 验用钢 化学成分见表 1 。 为了探索显微组织对热疲劳性能的影响, 采用 了多种热处 理 制 度, 见表2 。本 文收到 日期:91 名7 年1 王月 7 日第 7 卷第 2 期几种模具钢的热疲劳性能对比研究表 1。二。试验钢 的化学成分留言%,二_

5、。1。!。壁二二二三l三巴.、 淤wt4 0 4 6150 8 00 8 00 4 0O6 00 3 0二业竺0 七 1 连犷 衬长 八尸。 n。 。 一 ,。 。 ,n 八一。一 八。 八一几,万不尸。.竺。州。卜。.翌/掣/。O O ”。型172上丝竺些卫理上吧二O 七,。一0 4 7 11 0 6 O 8 5 一0 5 2 0 6 6 一0 3 7 了乙冲再 尤1屯八尸八,n n一,。1八八八一八尸 。 ,。一 1IA.lA.业竺上竺兰二些 卜生兰一。生竺 巡洋,、 : :,0。500。50!1。4 0旧。1 50。50,。 ,日一O了又YJZ性口n户 八orno 八wt!,0 八八。

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7、 炼 法表 2试样的热处理工艺). 不,一军蔺一一 咒疥一一一戈丁一一一下一一一一藻一一一一- 一 粉 不材-一一一 一尸一月, , 共牛一聋一下五七术卜 一 一井址一;一一1犷生-二 一上一一,一幕止二七二一后赞 卫二皇 1暨旦一量回 l二显璧坦 亘叠终工迈少肚一一一一一一 一卫Q士巨四一-一-一巨丝迈一一-一卫士巨巨立一巨工四Q一四矍里 璧里9 一件哭馨5 02普炼!9 8 5士竺一Z生士夕鱼-丝1旦; 巨-_竺竺巴旦一-旦丝,旦二生一一-一Z四土旦丝 一 -一一-昼生一一gQ士4旦旦一一一一-一巨生里旦 4Q一丝生一一卫士巨旦旦旦 巨旦Q_一些98 5士- _一阵-1旦巨Q士些巨Q士竺互

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9、1 0 5 01 1 0 01 0 5 01 1 0 01 1 0 01 1 5 0热处一理一参度回火温度 ,2 0 0 + 2 0 03 0 0 + 2 0 045 。+ 4 505 0 十 朽O6 0 0 +45 06 3 。十 4 5 05 劝 xZ 次60 0 又 乡次62 5 、 2 次e5 o 又 2 次70 0 xZ 次5 0 xZ 次6 0 0 xZ 次6 2 5 XZ 次6 5 0 xZ 次7 。又 2 次5 5 0 xZ 次6 0 0 x2 次625 米 2 次65 0 K 一 2 次70 o x么次砧。xZ 次06 o x2 次26 5 xZ 次一 肠o 米 2 次07

10、0 “ 2 次5 0 x 2 次600 XZ 次62 5 xZ 次6 5 0X2次07x02次5o x2次600xZ 次6 2 5XZ 次560 X2 次07O x2次数一 万天C每次 2 / 一 、时驭-5 2 。 54 44 13 8一 仔a5 4 。 54 5 。 54 03 谨。 52 75 G . 64 6-妇 53 合. 5一 2 9一导丘朽j4 Q形5_-旦_乡乐6 .54 74 3 。5珊3 O5_5 0 ,-4 7 .54 44 0一么91555 0 .54 旦。 54 0 。53 1 。5采用 u d eh ol m 热疲劳试验方法评定材料的 热疲 劳级别 , 试验装置如图

11、 1 试验参数循环温度:02,17卯 # 67 ,;室 温 # 07:0;= 之。、一2。 。冷 介质自来水压缩空夹带水雾却气循环次数:10“ 。第7卷第2期几种 具钢的热疲劳性能对比研究模另外,用 B 尸一12 型板材冷热疲劳试验方法研究 S C 了2 、 C5 : N i叮。 、 2 7 31 的疲劳裂纹扩展特 性。试验参数:循环温度 :7 2 0 事二之 2 0 ;冷 却介质: 自来水;循环次数: 1 0 次 、2 0 0 次 、4 0 0 次 、6 0 0 次 、8 0 0 次。图 1试验装置4 试验结果及其分析4 . 1U d ed h lo m 热 疲劳试验结果及 其分析图 2 (

12、 气 西、 。、 d ) 为经不同热处理制度处理后材料的热疲劳级别硬度关系曲线 ,可以看 出, 精炼 S Cr Z 钢热疲劳性能优于普炼 5 凸2 钢, 而 so N i叮。 热 疲劳 性能最差 ; 循环上限温度低 于6 70 军, 4 c 巧叮。犷S1 (l H 1 3 ) 的热疲劳抗 力优于 3 价2 不S V , 循环上限温度为7 01 时,反而 3 价2 评S V 的热疲劳抗力较 好。 几条 曲线有共同特点:4 . 1 . 1 在不使 晶粒明显祖化的前提下 , 适 当提高淬火 温度有利于改善材料的热 疲劳抗力, 即高 淬普遍 比正常淬火后的热疲劳抗力好。 其原因是热疲劳抗力主要决定于

13、材料的 高温屈服强度和回火稳定性。 提高淬火温度后 , (1) 固溶强化、 马氏体相变强 化效果增强 , 表现为强度、 硬度均提高 ( 图 3 、 表 5 )。 ()2 回火稳定性增力晦 试验材料均含有一定量的合金元素, 在含 V 、 W 、 M 。 合金元素的钢中, 即使在 较高温度下 回 火 , 仍然可以保持 a 相具有一定的饱和碳浓度和细小的碳化物。 由表 2 可看 出, 在回火温度相同的条件下, 提高淬火温度可使硬度值升高 Z H R C 左右。 试验钢均属于循环 软化 型 材料 , 软化幅 值 么H R C ( 循环前、 后硬度差值 , 大, 则反映了疲劳损伤程度大。 循环软化机制之

14、一是过回火引起的, 显而易见, 回 火稳定性好的材料具有较好的热疲劳抗力。 图4 为四 种材料循环前、 后的硬度值, 一般规 律: 材料的原始 硬度相同, 经相同循环次数后 , 循环软化愈严重 ( 么H 尺c 值大 ) 则热疲劳 性能愈差。 (3 ) 提高了强韧性, 随着奥 氏体化温度升高, 位错 马氏体数量增加, 而 且基体的位错密度增加, 使回火析出碳化物的弥散度加大, 微细碳 化物对裂 纹扩 展起阻碍作用 。4 . 1 . 2 回火温度对热疲劳抗力的影 响不是单调的 ( 见图 2 ) , 在常用的H R C 53 54 范围 内, 随硬 度的提高, 钢 的热疲劳抗力逐渐 提高, 最佳热疲

15、劳抗力痴对应着某一硬度值 ( 或范围 ), ,5 02 普炼为H R C 84一15 , 5 0 2 精炼为万R C 84 , S O N 万。 为H R C 4 ;4C 巧M o V IS 公、 3c , 2平S V 在万R C 4 5 盯范围 内, 硬度值低于 汀R C 3 5后 , 热疲劳抗力 又呈增加趋势。1 4 。安 徽 工学娜院一绍加4旧sr织藕赓娜叩一 J歼此针甘邵1Ivl计织以戴嵘课沁卿猛“畔跨考针 叶林! 5c , 双牛妙。多邹军坪岑l公, 卜甲甲爪几 举 晗 粉暮赞以此 5 吧 律火43 托一 “甘 册_ 鸽一 _ 哗; 扣门胆 加 犯 解 ZQ 二笋 7 0 Q C (

16、水奋令今 , 哪 盆 工吞。o 次, 汀R C学 报19 邓年 6 月02 。牛笋 17 0 压缩空气夹带水露冷却对万 13 ( o : 冶炼 法 ) , 10 5 0 油淬八 ,一八 z了13 ( 电渣重熔 ) , I OSD 油淬303 54 04 55 06 56 0H R Ca( )公精炼吃普炼rC N Mb( ) 冶金质量对万13 热疲劳性能影响52、息C、Sf。热疲劳级别硬度关系曲线续案琳一一 30 2 留 8公,1 1心O心淬火袱裸斋黯粼二;“厂一钧嵘碾织端叩7选万玲, 10。 火E,亡。黔,( H 13七潍为O : 冶炼法 广了乙 -“ 1 。,10 5 “淬火 ( 电渣重熔

17、)3一!卜),一刀 珍,n 0伟火 ( 鸭潭重烙 )兮、“21此二 ,1湘淬火凌竺J J一幽2 53 03 6455 仓5动厂J.孟.生 - 二- 02 日 ao3 54 心465 05 520 。聋 专67 。( 压 缩空气夹水冷姗) 一 社农二缩空气夹水冷却 )万对d约。 带”。吧倔对“ 01四次扮 二 加。O沐c()H 3121不S V钢热疲劳级别(d)1H3C3 哪 卿劳、r一硬度关系线硬度关系曲线曲图 几2热疲劳级别硬度关系肉线4 . 1 . 3采取精炼措施后可 以改善热疲劳抗力。 精炼 貂晗、 精炼 4口5 万。犷1 吕萦的卜热疲劳抗力各自高子普炼纲 。 第二相质点往往是热裂纹的策

18、源地 , 因为第二相与基体的膨胀系数不相同, 若夹杂物在冷却期间 收缩得较少 , 那么 与央杂物交界的基体处于拉触黯默溉熬昆嘿卿, 脆一杂卿卿第 7 卷第 2 期几钢劳 能比研究1弓种漠真的热演 性 对试 验温度6 0口火温度 5 5 0毛0 06 5 07 00试验 温度创。 c回火温 度. C.咖1 10 0J梦 油淬Z矛.- 一 舜1 1 0 0 油淬!n舀夕OV盛1 1 5 0 油淬汤平盛 1 1 5 0 油淬-一O0 1 0 5 0 油 淬/ J、一0 1 0 5 0I!O、.口 油淬-口一口1111 00 00 油淬 H1 3(电渣)口一口油淬( a )3 C r Z平S V 、

19、4汤5 万o V I 5 1( H 1 3 )高温拉伸试验结果权乞(补勺,工,生止.20OQ86功约知甲二立二蕊霖二多分产舀5 0G 0 065 07 0 0试验温度60 回 火温度口 C口精炼5 价2 ,1 0 3 5 淬火口 - 一口精炼5 0 2 , 1 0 3 5 淬火卿. 精炼5 介2 , , 58 淬火妙 一 一一精炼5介2 , 9 58 淬火口压普炼sc : 2 ,9 0 淬火 - 一人普炼5 价2 , 9 90 淬火 O - O 50 N 公M 。O 一 一 0 5 价N 艺M 。( 乡) 5 汤2 、 5 价N IM 。 高温 拉伸试验结果028钓的0A女幼卜5 介挥 z 扮

20、。99 0 C 淬火 试:温度5 5。”普炼SC 沪2 ,4 0 04 505 0 06 乙06 U O6 507 0 0川火温度“ec( )3 C昭万S V 、4SMo VSI矛( d ):2、:N I Mo高温冲击介高S CS C温冲击韧性韧性图 33价2 平 SV 、4 C巧叮o V I S i ,SC, 2 、SC , N f对。高温 力学性能试验结 果蜘 橄一一一1石 6.1启工半院 半 报月妞 年兔广幼叫讼邪即4035肠勺沈砒 60动5加ZO t .奋一-.内. 纂馨卜2 ”炼洲“co5 油 淬络 2030 。4 0 0S D O6 0 07勺0回火温度SC昭普炼、S C研坛M 。

21、循环前 、 后硬度(a )勺自nlU九闺勺切 一 -二 一“ 宕决一 - - . 呜 , .- 一 一 , . 一.循坏前, 。: o 二海津. 巨. .循环后分 户 Ocs Zr 精炼,1 0 3 5 油淬循 环后、环后。循环前 S C了2情炼,。8 5 括山淬。 -一。循2猛5 5060 0O70 0弘回温度火SC晗精炼循环前、 后硬度(6 )之勺叫3205的4循坏前姗 ,循环 后 01 动油津5 50 .60 06 5 07 0 05 5 06 0 0一 欣6公 ,7 。脚叭 。, 冶练 ) 循 环前矿 后硬度回火温度)片 拐 (龟渣 )环前,后硬度回火 度循盆(e )(d )的如乙八、

22、鄂切翔叫循环115 0 油淬、 _乙门心、吞、心口 户. .20幼,.、 几李、一,、. . . . 。户-.仲.环前一循1 10 公油淬补循环后飞7 办06 5 0e0 0肠50a合2 甲吕犷,后破度回火温度循环前(e )图 4C5 昭, 解对i呵。、 c4 巧M 。犷51 1 (万31 )、 C3 犷2 平8 犷帆循坏前后硬度位第 7 卷第 2 期几种模具钢的热疲劳性能对 比研究4 . 1 . 4 试验条件影响热疲劳性 能 。提高循环上限 温度, 材料的热疲劳抗力下降 ,因为上限温度高则试样承受的热应力也大, 而材料为高温屈 服强 度又急剧下降 。 4 C巧汀。7 1 lS 在循环五限温度

23、 从 6 07 升至了1 0 后, 热疲劳抗力明显变坏。另外, 试样表面光洁度影响热疲劳性能, 加工痕肺犹如应力集中策源地 , 加 速热疲劳裂纹的形成, 图 6 的网纹形貌 明显受到磨痕 的影响。4 .2疲劳裂纹的萌生与扩展图 5二相 开裂及与基休脱开,第精炼S C 昭,图75价 六 72 31、SC:N。三种材1 035淬火十680回火,是叮饭料进行B 尸一 21 型板材冷热疲劳试验的结果 ,对=5x i o 3 ,s 刀汀.Z0 0 0 x材料均取于实际模块的非热影响区, 原始硬度为H R C 53左右,试样尺寸如图8 ,开缺自口 的目的是为了在缺 口根部造成应力集中,有利于引发裂纹。_。

24、 f一一一 r、索矛,lt 川训月匀!les S C 了N IM 。图 6 磨痕影响 网纹形貌J !|、.、书陈线严比云R 0 . 1 士 .0 0 言料黔二刁亘左卫一06图 8板材冷热疲劳试样尺寸图了疲劳裂纹长循环度与次数的关系 1 幻安做主学 院 学 很加8 年 6 月一一 一- 一一一 户一 井辉袱 声平罗界 , 二 玲 二. 座 , . 一 一. 口图 95c 昭形万oV is 、 2 7 13 循环 10 次后 的挥纹 形貌滩翼渊鞘翼棘罩巍滋蒸攀燕5价川河。 的 二 短, 这说昵5 价2 的疲劳裂纹扩展速率在三种材料中是最低的, 试 样断 面上的疲劳辉纹间矩 ( 图 9 ) 也证实了

25、这个结论。在没有应力果中情况下, 热疲劳裂纹是如何扩展的? 为了建立疲劳裂统扩展模型,鬓瓢喜撇翼纂霆霎赞蔷咒嚣5黑黯澹寡孺款恕黯黑了几条裂纹尖端的 扩展方式, 大多数裂纹尖端以穿晶方式扩展 。 在多维热应力作用下 , 裂坟面与表面是一 定的角 度 向 内 扩展, 然后 逐渐交汇在一起, 两个裂 纹面所包围的区域 内隐隐约约可见碎化的晶粒,裂纹尖端附近有塑性区, 这 是应变集中区域 , 其内分布着小空洞, 空洞的连接形成微裂纹, 与主裂纹合并后, 裂 纹向 前扩展 。多维热应力是产生龟裂的主要原因,当裂纹扩展至 一定深度后, 由于龟裂消除了应力, 所以龟裂就不会增长到断裂的程度 , J 对于裂纹

26、的宽度和深度, 可以说也是这矿叩一 。 若将上述观察结 果用 模型表示出来,如图1 所示。 言非常按近小仓次夫等介绍的家劳裂黔播模扩,。第 7 卷第 2 期几种模具钢的热疲劳性能对比研究3 .?C 2 平S V 钢与 4 C r 叮。V IiS 钢比较,4 有较高的硬度、较低 的 K 、。 值,热疲劳裂纹形核 困难,但裂纹扩展 较快, 从实验数据得出 : 当模共表而温 度低 于6 阳 左右时,3C 了2 不8 犷 的龟裂比 4 价5 叮。 丫1 51 严尹、母品粒重。, 、 . . . . 5 结 论5.l高温屈服强度、回火稳定: 性 是图 1 飞疲劳裂反传播模型热 疲劳匡能约决定性因素, 热

27、疲劳伉力随硬度的变化不是单调的 , 最佳热疲劳抗力对应着某一硬度值。 适当提高淬火温度、 降低回 火温度 , 采取精炼措施可以改善 热 疲 劳 抗力。. 乳2 精炼5 价2 钢热疲劳性能优于普炼S rC Z钢, S C : N 坛万。 钢 热疲劳性能最差。 另一组钢 中, 循坏上限温度低于6 07 , 4 rC s胚0 V 1 lS 钢的热疲劳 抗力优于 3 1C 2 平 SV 钢 , 循环上限温度为7 01 时, 反而 3c 玲平 S V 钢的热疲劳抗力 较好 。后 记:参加 本课题试验工作 的还有张成 、 戴杰 同学。参 考 文 献李熙 章、 施 占华等。 U d ed h o lm 法评

28、定模 具热疲劳性能的试验研究,第三 届全 国模具钢会议沦文 , 1 9 8 0 . 1 0日平修二等著, 郭廷玮等译. 热应力与热疲劳 , 北京: 国防工业出版社, 1 9 8 4小仓次夫, 辛岛诚一 金属学会志 ( 昭4 5 ) 7 3 9 : 3 一 7胡镇华等 .3 价 2 评S V钢与 4 C巧M o V I iS 钢的强韧性比 较, 第三届全国模具钢会议论文,1 9 8 6 。 1 0 2 0安 徽 工一学院 学 报1 9 88年6 月T H E CO M PA R I3 6 NO F T H E R M A L FA T IG U EPR 必PE R T YO NS O M E D IEST E E L SL i x iz h a 红g一 Sh i Z h a n h u aZ h o uF e n g y u nX ia o Z h o n g y i( H : a : ho n g U : i, 。: s it , o f S c fe n c e