关键词：热机械疲劳;;压铸模具钢;;应力应变行为;;损伤机理;;寿命预测;;裂纹萌生与扩展;;位错;;碳化物
摘 要：热龟裂是压铸模具最主要的失效形式,往往是由于其材料承受热循环和机械载荷循环的共同作用造成的疲劳损伤,即热机械疲劳(TMF)。TMF是所有疲劳行为中最复杂的课题,一直由于试验难度大、耗时长和成功率低,导致研究滞后,国内外一直集中在压铸模具钢自约束纯热疲劳和等温低周疲劳行为的研究。然而,这些研究不贴合压铸模具钢实际服役工况,没有综合考虑温度和外力的共同作用。因此,本文利用MTS热机械疲劳液压伺服测试系统,借助X射线衍射仪、扫描电镜、透射电镜、超景深和光学显微镜等设备,结合碳膜萃取复型技术和力学性能测试,开展了压铸模具钢基于应变控制的TMF行为和损伤机理的研究,为压铸模热龟裂失效行为和机制提供可靠的理论支撑,也为压铸模的服役寿命提供合理的预测模型。首先,基于拉压对称机械应变控制模式,研究了 H13钢在200～600℃和400～700℃温度范围内,不同机械应变幅(0.3%～1.3%)加载下的同相(IP)和反相(OP)TMF力学行为。应力-应变滞后回线由于H13钢TMF循环过程中受非等温下材料高温强度和杨氏模量不断变化的作用而呈现不对称性,即IP-TMF时承受压缩平均应力;OP-TMF时承受拉伸平均应力。TMF循环的高温半周均发现了由于蠕变导致的应力松弛,并提出了定量区分蠕变和塑性应变的“回路延伸法”。应力应变循环响应曲线表明H13钢TMF损伤主要表现为持续循环软化特征。同时,澄清了 H13钢TMF循环响应过程,包括适应、软化和失效三个阶段。然后,通过对H13钢氧化损伤、TMF断口、裂纹萌生与扩展的分析,发现H13钢TMF损伤表现为氧化-疲劳-蠕变交互作用下的损伤行为。疲劳裂纹从试样表面开始呈多裂纹源穿晶萌生,氧化是诱发表面裂纹萌生的主要原因,且伴随氧化物不断填充裂缝而加速裂纹的萌生与扩展。IP-TMF时裂纹以沿晶+穿晶的混合方式扩展;而OP-TMF时裂纹以穿晶的方式扩展。同时,材料内部由于蠕变损伤出现了晶界三叉裂纹或楔形裂纹。IP-TMF和OP-TMF的主裂纹长度和根部宽度、裂纹数量均随机械应变幅的增加而增加;同等机械应变幅下,主裂纹长度在IP-TMF时更长,而主裂纹根部宽度和裂纹数量却在OP-TMF时更宽和更多。TMF断口均氧化严重,OP-TMF断口能观察到疲劳源区、裂纹扩展区和断裂区,扩展区以疲劳辉纹为主,且伴有二次裂纹及孔洞;断裂区以大量的韧窝和孔洞为主。IP-TMF的疲劳断口比较模糊,断裂区以准解理、撕裂脊和韧窝混合特征为主。其次,H13钢TMF循环软化微观损伤主要包括马氏体板条宽化,位错回复及碳化物聚集和粗化。循环应变协同作用下的过回火效应和热-力耦合条件下的碳化物与位错交互作用是TMF循环软化损伤的根本原因。H13钢TMF循环中,由于热-力耦合作用,回火态条带状渗碳体分解为合金碳化物,初始阶段析出了针状富Mo和Cr(Mo/Cr比较小)的亚稳态M2C型和小短杆状富Cr和Fe(Cr/Fe趋于1)的亚稳态M7C3型碳化物;随循环周次的增加,亚稳态M2C型碳化物转变为棱角明锐的长方形M7C3型碳化物;达到一定循环周次后,M2C形态转变为富Mo和Fe的稳态鹅卵石状;而M7C3形态转变为稳态棱角圆润粗短棒状,Cr/Fe比大于2;且两种碳化物粗化最明显。通过碳化物数量和尺寸的对比分析,发现了压铸模具钢服役温度下应变诱导碳化物析出与粗化这一现象。最后,建立了 H13钢TMF应变-寿命曲线,发现应变-寿命曲线出现了交叉点,机械应变幅较小时,OP-TMF寿命较高;机械应变幅较大时,IP-TMF寿命较高,与氧化-蠕变-疲劳交互作用时占主导的损伤机制有关。此外,基于滞回能损伤观点和H13钢TMF数据,提出了适用于压铸模具钢TMF寿命预测归一化模型(0.84.△σ·△εin).Nf1.03958=2921.66219,并成功应用于另一压铸模具钢4Cr5Mo2V的TMF寿命预测,预测和试验寿命的分散带基本都在1.5倍线以内。
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