壓鑄模具鋼熱機械疲勞行為及損傷機理研究分析

1、 壓鑄模具鋼熱機械疲勞行為及損傷機理研究分析 吳治明Summary：熱龜裂是壓鑄模具在具體應(yīng)用期間最主要的一種失效形式，其通常都是因為材料需要承受機械荷載和受熱循環(huán)共同作用而引起疲勞損傷，熱機械疲勞（TMF）各種疲勞行為中最為復雜的一項課題。熱機械疲勞行為及損傷機理研究長期以來都存在耗時長、難度大、成功率低等多項問題，這也就導致該項內(nèi)容研究落后嚴重。下面，針對壓鑄模具鋼熱機械疲勞行為及損傷機理研究進行全面分析，希望文中內(nèi)容對相關(guān)工作人員，以及行業(yè)發(fā)展都可以有所幫助。Key：壓鑄模具;損傷機理;熱鋼機械疲勞;塑性性能0 引言模具及材料選擇會對生產(chǎn)的精密零部件的尺寸、質(zhì)量、性能等各項內(nèi)容造成直接影

2、響，可見，選擇高質(zhì)量的模具和材料是必要的。需要相關(guān)工作人員注意的是，要想依據(jù)不同服役工況，做好鑄模材料選擇，必須正確認識鑄模在不同工況下發(fā)生的具體失效形式和機理，在此基礎(chǔ)上，做好材料選擇。1 TMF行為材料的TMF行為是相關(guān)工作人員研究的一項重點內(nèi)容，采取應(yīng)力循環(huán)相應(yīng)行體現(xiàn)。開展TMF試驗時，受不同因素因影響，溫度和控制變量都會發(fā)生變化，從以往的經(jīng)驗來看，材料發(fā)生變化時，力學性能參數(shù)會發(fā)生改變，不會像等溫低周疲勞試驗材料在應(yīng)用時一樣的抗力循環(huán)常數(shù)1。TMF試驗開展過程會受不同因素影響，而溫度的改變是其中最為重要的一項影響因素，溫度的變化會改變材料彈性模量，也正是因為如此，TMF拉應(yīng)力具有明顯的

3、不對稱性，這也就使低溫半周和高溫半周循環(huán)應(yīng)力值之間存在較為顯著差別，形成天然平均力，在TFM的平均應(yīng)力對材料壽命拓展和高溫合金裂紋都發(fā)揮著關(guān)鍵作用2。在IP（加載相同）的狀況下，最大拉力與高溫間發(fā)生的具體變化情況都是相對，拉應(yīng)力會對高溫環(huán)境下開展的試驗造成直接影響。在OP（加載相反）條件下，各項情況則都是相反的，平均應(yīng)力主要以拉應(yīng)力方式呈現(xiàn)。2 壓鑄模具鋼熱機械疲勞力學作用TMF損傷主要是因為熱循環(huán)應(yīng)力和機械循環(huán)應(yīng)力兩者相互作用而產(chǎn)生的，但是，實際損傷情況并是兩種不同損傷的簡單向疊加。下面，針對H13鋼在應(yīng)變控制基礎(chǔ)上的TMF循環(huán)中發(fā)生的蠕變損傷情況進行分析，同時，還存在氧化損傷和疲勞損傷交互

4、作用，這會對壓鑄模具鋼的質(zhì)量和應(yīng)用造成一定影響。IP-TMF期間，拉伸半周過程中，溫度和機械應(yīng)力都會變大，蠕變變形也會發(fā)生明顯變大現(xiàn)象，這會導致較為嚴重的不良影響，也就是說，當溫度達到制定數(shù)值后，會發(fā)生晶界滑移3。需要相關(guān)研究特別注意的是，如果進行拉伸半周期間，發(fā)生晶界滑移現(xiàn)象，將會導致半周被壓縮，難以實現(xiàn)恢復，造成這一現(xiàn)象的主要原因是半壓縮半周溫度偏低，而且壓縮蠕變變形相對較小，在等強度溫度下，材料在應(yīng)用時發(fā)生，塑變變形集中在晶體內(nèi)部，每個循環(huán)周次的發(fā)生，都會導致晶界滑移不可逆，若情況嚴重，這會造成晶體在應(yīng)用期間發(fā)生開裂現(xiàn)象，這將會大幅度降低TMF在應(yīng)用時的壽命，影響其在應(yīng)用時的性能4。OP

5、-TMF期間，進行壓縮半周，隨著溫度上升，壓縮蠕變變形也會加重，但是，需要相關(guān)工作人員特別注意的是，壓縮變形通常都不會引起空洞和晶體開裂情況，因此，這一現(xiàn)象不會對TFM壽命造成不良影響。對于棘輪效應(yīng)（或循環(huán)蠕變）的必要條件時對荷載進行控制、循環(huán)塑性變形，以及平均壓力，在機械應(yīng)變控制基礎(chǔ)上，主要呈現(xiàn)出的特征是循環(huán)應(yīng)力松弛，這會是平均應(yīng)力不斷趨近于零?？梢?，由于蠕變原因會出現(xiàn)平均應(yīng)力，而隨著時間的推移，循環(huán)蠕變變形會導致材料在具體應(yīng)用期間出現(xiàn)蠕變損傷，這會對材料性能和應(yīng)用造成不良影響5。循環(huán)蠕變是一項較為復雜行為，該項行為與機械在應(yīng)用時發(fā)生的應(yīng)變、荷載、應(yīng)力等各項內(nèi)容都與材料的性能有著緊密聯(lián)系，即

6、使在平均應(yīng)力下也會出現(xiàn)循環(huán)蠕變，從現(xiàn)階段人們對這一內(nèi)容的具體研究情況來看，并沒有一個相對明確的響應(yīng)機制，這也對該項工作的開展與研究造成不良影響。對于產(chǎn)生的裂縫來說，只要出現(xiàn)的裂紋保持張開狀態(tài)，在材料表面出現(xiàn)的應(yīng)力集中點就出現(xiàn)在裂紋尖端處，而在壓縮半周期間，產(chǎn)生的應(yīng)力集中會不斷變小，從具實際情況來看，一旦出現(xiàn)的裂紋處于閉合狀態(tài)，部分應(yīng)力將會消失。TMF循環(huán)期間會出現(xiàn)裂紋，產(chǎn)生的裂紋會在張開和閉合狀態(tài)之間不斷循環(huán)，從具體情況來看，產(chǎn)生的裂紋長期都保持張開，受應(yīng)力集中現(xiàn)象影響，會導致疲勞裂紋不斷萌生，而且裂紋會不斷拓張。相反，如果壓縮平均應(yīng)力與應(yīng)力或變應(yīng)力發(fā)生疊加，在該狀態(tài)下，應(yīng)力集中一般不會起到作

7、用6。此外，在TMF循環(huán)期間，對于問題的分析如果從力學角度入手，疲勞損傷加重主要體現(xiàn)在以下兩個方面：循環(huán)軟化會導致塑性變形不斷加重，這會對材料的性能和應(yīng)用造成不良影響。拉伸循環(huán)蠕變會導致平均應(yīng)變加劇，這可能會導致應(yīng)用的材料發(fā)生斷裂問題。TMF中熱循環(huán)造成的影響較大，一方面會引起循環(huán)熱應(yīng)變，另一方面也會發(fā)生熱變形損傷問題，與此同時，在采用的材料表面會出現(xiàn)周圍性氧化問題，氧化現(xiàn)象的發(fā)生會使材料表面發(fā)生的損傷情況進一步加重，因此，采用材料過程中，材料表面會形成大量尺寸不一裂紋，這將會縮短材料壽命。3 分析熱機械疲勞宏觀損傷特點對經(jīng)過TMF實驗后的H13進行觀察可以發(fā)現(xiàn)，在220-610范圍內(nèi)，峰力值

8、降低了約24%，而在410-710范圍內(nèi)，試樣完全斷裂是判斷TMF試驗后的試驗狀態(tài)，因為410-710循環(huán)溫度高于220-610，因此，試樣標距內(nèi)會出現(xiàn)較為嚴重的表面氧化問題7。在實際具體問題分析期間，研究人員為了能夠更加精準的對H13鋼IP-TMF和OP-TMF的裂紋、氧化情況進行觀察，可以通過線切割方式將標距內(nèi)試樣部分切下，而且要沿著拉壓軸線縱剖，采用臺式全自動臺式掃面鏡和超景深顯微鏡對TMF循環(huán)后的端口外觀、裂紋情況、樣化狀態(tài)進行全面觀察，完成相應(yīng)分析。3.1 分析疲勞斷口情況針對典型的低周疲勞宏觀段端口可以將其劃分為疲勞源區(qū)、斷裂區(qū)、裂紋拓展區(qū)三個形貌特征不同的區(qū)域，這些區(qū)域分別表示疲

9、勞破壞的不同歷程。TMF疲勞斷口處三個區(qū)域間界限較為模糊，而且裂紋區(qū)和裂紋萌生區(qū)域都很小，拓展區(qū)占據(jù)了斷面大部分區(qū)域，同時，隨著變幅的加大，斷裂區(qū)域面積也會變大8。斷口處呈現(xiàn)了出了不同類型氧化，從整體情況來看，IP-TMF斷口處開拉狀態(tài)的具體氧化情況要重于OP-TMF斷口處氧化狀態(tài)，并且在表面形成了已成氧化膜。在兩種不同加載環(huán)境下，TMF斷口十分粗糙，OP-TMF斷口凹凸情況更加嚴重，造成這一現(xiàn)象的主要原因是受長期氧化作用影響，斷口在張開和閉合時，兩面相互擠壓，受力的作用影響，斷口會被磨掉。而隨著應(yīng)變幅度的加劇，縮頸情況將會變得更加顯著。造成該現(xiàn)象的原因是OP-TMF與IP-TMF相比，前者在

10、低溫半周承受拉伸機械應(yīng)變時，要想達到同等機械應(yīng)變，需要更大拉伸荷載。疲勞斷裂是反映材料在具體應(yīng)用期間的發(fā)生脆性或塑性斷裂的關(guān)鍵區(qū)域，在試驗期間，研究人員通過對斷裂區(qū)域情況進行全面觀察可以發(fā)現(xiàn)，不同相位加載狀況下，材料在應(yīng)用期間出現(xiàn)的瞬間失穩(wěn)斷裂的各項情況都十分相似，斷口處會出現(xiàn)夾雜物和碳化物，同時，受氧化作用影響，在該區(qū)域內(nèi)也會產(chǎn)生大量氧化物，這都會對材料性能和應(yīng)用造成一定影響。受拉壓機械應(yīng)變作用影響，材料受力作用的影響，會發(fā)生塑性變形，并且在該期間會伴隨著擠出和擠入現(xiàn)象，而在較低機械應(yīng)變幅下，材料中產(chǎn)生的孔洞或韌窩數(shù)量都較少，主要都是淺平狀，而隨著機械應(yīng)變幅度加大，孔洞深度會加大，韌窩數(shù)量會

11、增多，在高機械應(yīng)變幅下，在材料上出現(xiàn)了大量的尺寸不一，并且出現(xiàn)了大量的較深的孔洞或韌窩9。這一結(jié)果表明，在高機械應(yīng)變幅下，材料受到外界因素影響，發(fā)生了較為顯著的塑性變形，同時，塑性流動也會增加，材料中的硬質(zhì)顆粒是應(yīng)力的主要集中點，會產(chǎn)生大量更深的空洞或韌窩，而每個硬質(zhì)顆粒應(yīng)力集中程度會有所不同，這將會使孔洞或韌窩在拉壓期間的深淺和大小都不相同。3.2 疲勞裂紋分析氧化開裂是導致H13鋼在應(yīng)用期間出現(xiàn)裂紋的核心原因，疲勞裂紋的形成規(guī)律與機械應(yīng)變幅度造成的各項影響較為相似，循環(huán)最低溫造成的影響則很小，幾乎可以忽略不計。但是，在分析疲勞斷口時，可以發(fā)現(xiàn)試樣內(nèi)部出現(xiàn)了大量的二次裂紋，這些裂紋的出現(xiàn)并不

12、會受到氧化因素影響?？梢?，相關(guān)人員在實際作業(yè)開展期間，為了能夠更好的完成對H13鋼IP-TMF和OP-TMF下各種裂紋形態(tài)的觀察，具體觀察時要在220-610循環(huán)時開展，確保觀察結(jié)果的精準性。此外，在具體觀察期間，可以發(fā)現(xiàn)除存在主裂紋之外，還存有大量長短不一裂紋，各項不同類型裂紋都出現(xiàn)在標距內(nèi)試樣上，出現(xiàn)的裂紋主要分為總裂紋和支裂紋兩種不同形式，兩者在呈現(xiàn)上在規(guī)律上相反。通過對比IP-TMF下支裂紋與OP-TMF可以發(fā)現(xiàn)，前者裂紋更短，觀察起來難度較大。但是，在IP-TMF下，出現(xiàn)的支裂紋則十分明顯，而且會擴展。經(jīng)過上述分析可以獲取到下列結(jié)論：不同相位加載下的TMF循環(huán)期間，疲勞裂紋出現(xiàn)都是由

13、于多裂紋源萌生造成的，這與斷口現(xiàn)象分析結(jié)果較為相似。在IP-TMF下，主裂紋拓展速度快，而且拓展十分明顯，而其他裂紋發(fā)展速度相對較為緩慢，主要體現(xiàn)在主裂紋長，其于裂紋則短。而在OP-TMF下，主裂紋和其它裂紋拓展速度都十分明顯，綜合體現(xiàn)在主裂紋相對較短，而其它裂紋則較長的總體情況。4 結(jié)語壓鑄模具鋼熱機械疲勞行為及損傷機理研究是一項十分復雜的工作，該項工作對專業(yè)知識的要求較高，相關(guān)人員在實際問題研究期間，涉及到的內(nèi)容較多，因此，為了更好完成相應(yīng)分析工作，在具體問題分析期間，要從壓鑄模具鋼熱機械疲勞力學作用、熱機械疲勞宏觀損傷特點等方面入手，加強研究。Reference：1李玲，黃蘇起，蔡著文，

14、計杰，吳曉春.新型Cr3型壓鑄模具鋼淬回火性能J.機械工程材料，2020，44（S2）：51-55.2汝亞彬.高品質(zhì)壓鑄模具鋼DT433組織與性能的研究J.模具制造，2020，20（08）：85-87.3李玲，蔡著文，黃蘇起，吳曉春.預(yù)處理工藝對Cr3型壓鑄模具鋼組織性能的影響J.模具工業(yè)，2019，45（12）：47-51.4林鵬，孫立國，馬黨參，周健，遲宏宵.壓鑄模具鋼4Cr5Mo2V的組織和碳化物的高溫行為J.鋼鐵研究學報，2019，31（08）：762-769.5宋緯，姚起宏.鈦鍶復合添加對汽車零部件壓鑄用模具鋼性能的影響J.鋼鐵釩鈦，2019，40（03）：65-69.6左鵬鵬，黎軍頑，蔣波，施淵吉，吳曉春.壓鑄模具鋼大模塊固溶冷卻過程的多物理場耦合數(shù)值研究J.材料導報，2017，31（S2）：458-464.7吳遠輝，左鵬鵬，白植雄，吳曉春.淬回火工藝對壓鑄模具鋼4Cr5Mo2V強韌性及組織影響J.模具制造，2017，17（06）：93-97.8李繼強，胡樹兵，史華亮，賈志欣.激光熔凝處理對壓鑄模具鋼熱疲勞性能的影響J.華中科技大學學報（自