變形溫度和變形量對Cr12MoV鋼裂紋產(chǎn)生的影響

王程明, 安治國, 孫曉冉, 海 巖, 任 帥

(河鋼集團(tuán) 鋼研總院， 石家莊 050000)

Cr12MoV鋼是一種冷作模具鋼[1-2]，因具有較好的強(qiáng)韌性、耐磨性和淬透性，被廣泛用于結(jié)構(gòu)復(fù)雜、工況繁重的各種冷沖模具和工具的制造中。Cr12MoV鋼含有鉬、釩元素,這使其熱加工性能、沖擊韌度和碳化物分布情況均較好。影響鋼材性能的因素有多種，如熱處理工藝、應(yīng)力集中以及夾雜物析出等[3-4]。Cr12MoV鋼中存在大量網(wǎng)狀碳化物，這對其性能造成很大的影響，尤其降低了塑韌性。學(xué)者們對此提出了多種解決措施[5-10]，如通過改進(jìn)熱處理工藝和鍛造軋制工藝、添加微合金元素等來減少碳化物析出、均勻碳化物分布等，進(jìn)而改善Cr12MoV鋼的性能。裂紋是Cr12MoV鋼生產(chǎn)中常見的缺陷之一。導(dǎo)致裂紋產(chǎn)生的原因有很多，既有變形溫度、應(yīng)變速率和應(yīng)力狀態(tài)等外部因素，也有材料組織缺陷，如偏析、夾雜以及第二相析出等內(nèi)部因素。鋼中一般先形成微觀裂紋，微觀裂紋進(jìn)一步擴(kuò)展為宏觀裂紋，宏觀裂紋繼續(xù)擴(kuò)展造成材料斷裂。應(yīng)變誘導(dǎo)裂紋擴(kuò)展(SICO,Strain Induced Crack Opening)試驗(yàn)[11-12]是一種重要的材料性能檢測方法，可以用來研究不同變形溫度和變形量下材料表面裂紋的生成情況，以評價(jià)不同軋制工藝、鍛造工藝等對熱裂紋形成的影響。試驗(yàn)通過加熱使試樣形成一個軸向溫度梯度，夾具之間的試樣中間部位溫度最高，兩側(cè)溫度稍低。形變時，對試樣沿軸向施加壓力，由于溫度梯度導(dǎo)致試樣軸向強(qiáng)度變化，非一致形變會使試樣向外鼓肚成環(huán)狀，環(huán)狀部分的外表面產(chǎn)生拉應(yīng)力，引起試樣表面開裂。筆者對Cr12MoV模具鋼進(jìn)行了SICO試驗(yàn)，通過找出不同變形溫度和變形量下裂紋出現(xiàn)的臨界點(diǎn)，從而得到較理想的可加工工藝范圍，以期為實(shí)際生產(chǎn)提供參考。

1 試樣制備與試驗(yàn)方法

試驗(yàn)材料為Cr12MoV模具鋼，尺寸為φ10 mm×86 mm。

將試樣安裝在夾具中,除去夾具兩端夾持部分，試樣剩余的自由長度與直徑的比值應(yīng)不大于4，以防試樣在壓縮時與夾具粘連。當(dāng)試樣長徑比超過4∶1時，常會出現(xiàn)不同柔度的失穩(wěn)現(xiàn)象，導(dǎo)致試驗(yàn)失敗[13]。采用Gleeble3800型熱模擬試驗(yàn)機(jī)將試樣以10 ℃·s-1的速率升到不同的溫度(900，1 000，1 100，1 150，1 200 ℃)，保溫3 min后，以5 %·s-1的速率對試樣進(jìn)行一定變形量(10%～80%)的壓縮。采用Stemi2000-C型體視顯微鏡觀察試樣被鐓粗鼓肚部分表面是否出現(xiàn)微裂紋。在試樣裂紋附近取樣，試樣經(jīng)研磨、拋光后，采用體積分?jǐn)?shù)為4%的硝酸酒精溶液浸蝕后，采用Observer A1m型倒置顯微鏡觀察裂紋附近的顯微組織形貌。采用EPMA-1200型電子探針對試樣進(jìn)行碳、鉻、鉬、釩元素的面掃描分析。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 不同變形溫度對表面熱裂紋的影響

由圖1可以看出，當(dāng)試樣變形量為65%， 溫度為900～1 200 ℃時的試樣表面均存在長度和深淺程度不同的裂紋；當(dāng)溫度為900 ℃時，試樣發(fā)生開裂，且周圍還有部分尺寸較大的裂紋，裂紋長度達(dá)到2～2.8 mm，此時材料的塑性較差；當(dāng)溫度為1 000 ℃時，試樣表面裂紋較多，長度不等，大部分在0.5 mm左右，最大長度達(dá)到1.5 mm，最小長度只有0.1～0.2 mm；當(dāng)溫度為1 100 ℃和1 150 ℃時，試樣表面均剛出現(xiàn)裂紋，只有1～2條，且深度較淺，長度較短，最長只有0.4 mm，因此可將65%變形量作為裂紋產(chǎn)生的起始變形量；當(dāng)溫度為1 200 ℃時，試樣發(fā)生開裂，說明在此溫度下試樣已不能承受65%的變形量。在溫度為1 200 ℃時不同試樣變形量的試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)試樣的變形量為18%時，試樣表面就開始出現(xiàn)細(xì)小裂紋，所以在實(shí)際生產(chǎn)中應(yīng)避免在這個范圍內(nèi)進(jìn)行加工。

圖1 在不同溫度下變形量為65%時試樣的表面裂紋形貌Fig.1 Surface cracks morphology of specimens at different temperatures with 65% deformation

2.2 不同變形量對表面熱裂紋的影響

由圖2也可以看出，當(dāng)溫度為1 150 ℃，變形量增加到65%時,試樣表面剛出現(xiàn)裂紋,此變形量為1 150 ℃下試樣的臨界變形量。隨著試樣變形量的再增加，試樣表面的裂紋數(shù)量增多，裂紋尺寸較均勻。當(dāng)變形量為70%和75%時，試樣表面分別出現(xiàn)5，7條微裂紋，且裂紋長度均較短，為0.3～0.5 mm；當(dāng)變形量為80%時，試樣表面裂紋數(shù)量明顯增多，裂紋數(shù)量達(dá)到12條，但長度沒有明顯增大，仍小于1 mm。

在其他溫度下對試樣進(jìn)行不同變形量的試驗(yàn)時發(fā)現(xiàn)，不同溫度下均存在一個臨界變形量，超出該臨界變形量后，試樣開始出現(xiàn)裂紋。當(dāng)溫度為900，1 000，1 100，1 150，1 200 ℃時，試樣的臨界變形量分別為58%，60%，65%，65%和18%，由此可見當(dāng)溫度為1 100 ℃和1 150 ℃時，材料的塑性較好。但在80%的變形量下，當(dāng)溫度為1 100 ℃時試樣已經(jīng)開裂，而當(dāng)溫度為1 150 ℃時試樣未開裂，所以1 150 ℃比1 100 ℃更適合進(jìn)行材料的鍛造加工。

圖2 溫度為1 150 ℃時在不同變形量下試樣的表面裂紋形貌Fig.2 Surface cracks morphology of specimens at 1 150 ℃ under different deformation

2.3 顯微組織分析

由圖3可以看出，當(dāng)溫度為900，1 000，1 100，1 150，1 200 ℃時，試樣上裂紋附近的顯微組織均為鐵素體和珠光體，且晶界處均存在不同程度的網(wǎng)狀碳化物。由圖3a)和圖3b)可以看出，當(dāng)在900，1 000 ℃下變形時，試樣中網(wǎng)狀碳化物析出的數(shù)量較多且分布不均勻，這些網(wǎng)狀碳化物的存在削弱了金屬間的結(jié)合力，形成薄弱的脆性區(qū)，大幅降低了材料的塑韌性，導(dǎo)致試樣在一定變形量下出現(xiàn)裂紋甚至開裂。由圖3c)和圖3d)可以看出，當(dāng)在1 100，1 150 ℃下變形時，試樣中的網(wǎng)狀碳化物的析出數(shù)量明顯減少且呈破碎狀，分布也較均勻，這是因?yàn)殡S著溫度的升高，部分碳化物溶解，材料塑性提高，所以當(dāng)變形量相同時，該溫度下的試樣幾乎沒有裂紋產(chǎn)生；由圖3e) 可以看出，當(dāng)在1 200 ℃下變形時，由于溫度過高，試樣出現(xiàn)過熱現(xiàn)象，使試樣中碳化物分布不均勻，出現(xiàn)大塊碳化物聚集的現(xiàn)象，造成應(yīng)力集中，這嚴(yán)重降低了材料的塑韌性，導(dǎo)致試樣出現(xiàn)開裂現(xiàn)象。

圖3 在不同溫度下變形量為65%時試樣的顯微組織形貌Fig.3 Microstructure morphology of specimens at different temperatures with 65% deformation

由圖4可以看出，溫度為1 100 ℃，變形量為65%時，碳、鉻、鉬和釩元素均沿網(wǎng)狀聚集分布，其中，鉬元素在網(wǎng)狀范圍內(nèi)出現(xiàn)了部分聚集的現(xiàn)象；根據(jù)顏色指示條可知，試樣中鉻含量最高，顏色指數(shù)為680～815；碳含量稍低于鉻含量，顏色指數(shù)約為511；鉬和釩含量較少，釩元素顏色指數(shù)為122～147，鉬元素顏色指數(shù)為12～15，只有很小一部分區(qū)域顏色指數(shù)為31～35。綜上可見，網(wǎng)狀碳化物主要為鉻的碳化物，其余為少量的鉬和釩的碳化物，若能有效控制該碳化物的尺寸和分布等，則既能阻止晶粒長大，也能提高鋼的耐磨性，而該碳化物一旦出現(xiàn)聚集長大、分布不均的現(xiàn)象，就會大幅降低材料的力學(xué)性能，尤其會使材料脆性增加，導(dǎo)致材料更易開裂。

圖4 溫度為1 100 ℃下變形量為65%時試樣的面掃描結(jié)果Fig.4 Surface scan results of specimen at 1 100 ℃ and 65% deformation

2.4 熱塑性圖分析

評定材料的可加工性還可以采用熱拉伸的方法，具體工藝為：將尺寸為φ10 mm×121 mm的Cr12MoV鋼圓棒試樣以10 ℃·s-1的速率升溫到1 200 ℃并保溫5 min，再以10 ℃·s-1的速率分別降溫到900，1 000，1 100，1 150和1 200 ℃后以5%·s-1的速率進(jìn)行拉伸至試樣斷裂，計(jì)算得到試樣在各溫度下的斷面收縮率。所得試驗(yàn)結(jié)果分別為17%，26%，40%，49%和5%。

通過多次重復(fù)進(jìn)行SICO試驗(yàn)可得到試樣在900，1 000，1 100，1 150，1 200 ℃下的臨界變形量分別為58%，60%，65%，65%和18%。通常選取出現(xiàn)第一條裂紋的臨界應(yīng)變量作為裂紋開始的判據(jù)(這也可表明材料可加工性的優(yōu)劣)，裂紋開始的臨界應(yīng)變量可表示為[14-15]

(1)

式中：εc為試樣出現(xiàn)第一條裂紋的臨界應(yīng)變量；D1為試樣壓縮后出現(xiàn)裂紋時的直徑；D0為試樣的原始直徑。

由式(1)可以看出，臨界應(yīng)變量越大，材料對裂紋的敏感性越低，即在大的變形量下才會產(chǎn)生裂紋，材料的可加工性也就越好。然后測量出臨界變形量所對應(yīng)的鐓粗直徑(試樣壓縮后出現(xiàn)裂紋時的直徑)，根據(jù)式(1)可計(jì)算出試樣在900，1 000，1 100，1 150，1 200 ℃下的臨界應(yīng)變量分別為0.46，0.49，0.59，0.63，0.24。

圖5為試樣的斷面收縮率和臨界應(yīng)變量隨溫度的變化曲線，該曲線即為Cr12MoV模具鋼的熱塑性圖。由圖5可以看出，試樣通過SICO試驗(yàn)得到的臨界應(yīng)變量和熱拉伸試驗(yàn)得到的斷面收縮率隨溫度的升高均呈現(xiàn)先增加后降低的趨勢，兩者得到的最優(yōu)加工溫度范圍一致，均為1 100～1 150 ℃，當(dāng)溫度為1 150 ℃時，兩者熱塑性均達(dá)到最大值，而后急速下降。

圖5 Cr12MoV模具鋼熱塑性圖Fig.5 Thermoplasticity diagram of Cr12MoV die steel

3 結(jié)論

(1) 當(dāng)溫度一定時，Cr12MoV鋼達(dá)到一定變形量時才會出現(xiàn)裂紋。隨著變形量的再增加，試樣表面的裂紋數(shù)量增多。在不同溫度下，Cr12MoV鋼具有不同的臨界變形量，高于該臨界變形量時，裂紋數(shù)量隨著變形量的增大而增多，直至造成試樣開裂。

(2) 試樣在低溫開裂的原因主要為網(wǎng)狀碳化物析出較多，在晶界形成薄弱區(qū)，導(dǎo)致試樣在一定變形量下開裂；試樣在高溫開裂的原因主要為過熱現(xiàn)象引起的碳化物聚集長大，造成應(yīng)力集中，降低了材料的塑韌性，導(dǎo)致材料開裂。

(3) 通過SICO試驗(yàn)和熱拉伸試驗(yàn)得到的Cr12MoV模具鋼最宜加工溫度范圍相同，均為1 100～1 150 ℃，且1 150 ℃為Cr12MoV鋼的最佳鍛造溫度。