壓鑄模具鋼熱機械疲勞行為及損傷機理研究分析

吳治明

摘要：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(fù)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(dǎo)致該項內(nèi)容研究落后嚴(yán)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。

關(guān)鍵詞：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(rèn)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(xué)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(xué)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(dǎo)致較為嚴(yán)重的不良影響，也就是說，當(dāng)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(dǎo)致半周被壓縮，難以實現(xiàn)恢復(fù)，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(dǎo)致晶界滑移不可逆，若情況嚴(yán)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-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。可見，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(dǎo)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(fù)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(dǎo)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用[6]。此外，在TMF循環(huán)期間，對于問題的分析如果從力學(xué)角度入手，疲勞損傷加重主要體現(xiàn)在以下兩個方面：①循環(huán)軟化會導(dǎo)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。②拉伸循環(huán)蠕變會導(dǎo)致平均應(yīng)變加劇，這可能會導(dǎo)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(biāo)距內(nèi)會出現(xiàn)較為嚴(yán)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(zhǔn)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(biāo)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(yán)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(dǎo)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)并不會受到氧化因素影響。可見，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(zhǔn)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(biāo)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(fù)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(xué)作用、熱機械疲勞宏觀損傷特點等方面入手，加強研究。

參考文獻：

[1]李玲，黃蘇起，蔡著文，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(xué)報，2019，31（08）：762-769.

[5]宋緯，姚起宏.鈦鍶復(fù)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(dǎo)報，2017，31（S2）：458-464.

[7]吳遠(yuǎn)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(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2015，43（12）：56-59.

[9]王志勝，陳祥，李言祥，張華偉，劉源.B對銅合金壓鑄熱作模具鋼高溫力學(xué)及熱疲勞性能的影響[J].金屬學(xué)報，2015，51（05）：519-526.