左鹏鹏等：基于应变控制的4C5 MoSiV1热作模具钢热机械疲劳行为 .77 热作模具（压铸模、热挤压模、热锻模、热冲压 理论支持.因此，本文基于对称拉压应变控制模式， 模等)在服役过程中，型腔表面都要承受来自热锻 以目前国内广泛使用的通用型热作模具钢 工件（一般1100~1200℃）或熔融金属（比如：铝合 4C5 MoSiV1为研究对象，对比其在温度循环与机械 金压铸时模具承受最高温度可达600~700℃，而铜 载荷同相和反相加载时的热机械疲劳行为，探究两 合金800~900℃)急冷急热的温度变化1-].当表 者在循环应力应变响应、循环硬化及软化、寿命和断 层急热膨胀时由于受到温度较低的次表层的约束而 口特征等方面的异同. 产生压应力和压应变：当表层急冷收缩时，由于受到 1试验材料及方法 温度较高的次表层的约束而产生拉应力和拉应变. 同时，热作模具还要承受周期性的机械载荷的作 1.1试验材料 用).因此，热作模具由于同时受到温度和机械载 本试验钢为某特钢厂经电渣重熔冶炼生产的高 荷周期性交变作用而产生热机械疲劳(thermal-me- 品质锻造热作模具钢4C5 MoSiV1,其化学成分如表 chanical fatigue,TMF)导致模具软化而最终热裂失 1所示.4C5 MoSiV1钢的所有试样均采用1030℃ 效[3-)，在此过程中，由于应力的变化比较复杂，有 真空油淬后再经600℃，2h回火两次的工艺进行热 可能与温度的变化呈现同步或异步.据不完全统 处理，采用Leco R-260型洛氏硬度计测得其回火硬 计[)，压铸模具中热机械疲劳引起的热裂失效约占 度为44.0~46.0HRC,采用BDS-500Y型冲击试验 失效模具总数的80%. 机（所用摆锤能量为500J)测得其7mm×10mm× 一直以来，热机械疲劳行为是疲劳行为中最复 55mm无缺口试样冲击功为266.6J,表现出优良的 杂的课题，它涉及到温度、载荷、氧化、蠕变、环境等 强韧性 多种因素的影响，国内外在高温合金领域及其他工 表14C5 MoSiV1钢的化学成分（质量分数） 程构件上已经取得了一些成果[6-刀.2000年以后， Table 1 Chemical composition of 4Cr5MoSiVI steel 国内吉林大学姜启川、方健儒等[8-对Cr-Ni-Mo铸 C Si Mn Cr Mo V P S Fe 造热作模具钢进行了热机械疲劳行为的研究，但采 0.390.990.355.321.421.000.0100.002其余 用的是应力控制，其现象和规律与应变控制有所不 同，且热作模具钢的疲劳行为主要为高温低周疲劳， 将热处理后的4Cr5 MoSiV1钢试样按照图1所 采用应变控制更合适：国外Oudin等[io]对5Cr-Mo- 示的要求采用数控车床进行加工，测试部分按图中 V马氏体型热作模具钢热机械疲劳行为、损伤及寿 表面粗糙度要求进行磨抛，最终得到标距部分直径 命进行了研究，都证实了热机械疲劳行为在热作模 为6mm,长度为36mm且符合试验要求的热机械疲 具钢领域的理论研究价值和工程应用价值，但国内 劳试样.采用Zeiss Supra-40型场发射扫描电子显 外在热作模具钢热机械疲劳方面可查文献也少之甚 微镜(SEM)和JEM-200CX型透射电子显微镜 少，且由于设备及技术的限制，国内外对于热作模具 (TEM)观察热机械疲劳试验前后试样的微观组织 钢一直集中在UDDHOLM自约束热疲劳行为研 形貌，金相和扫描电镜试样经不同目数砂纸和抛光 究4-5.1-2，温度循环最高值大多在600~700℃，此 绒布磨抛后，采用体积分数为4%的硝酸乙醇溶液 温度为热作模具服役时型腔能达到的瞬间接触温 进行腐蚀.透射电镜试样制备方法：首先用电火花 度，而热疲劳只是单纯的温度变化导致的热应变行 切割机切取厚度为300m样品，然后手工机械研磨 为，热机械疲劳才更能贴合热作模具实际的服役工 样品至厚度为50~80um,在专用冲孔器上冲出直 况，更能为热作模具钢的疲劳失效行为提供可靠的 径3mm的圆片样品，随后在MTP-1A型电解双喷仪上 50 68 O0.01 36 1.5×45 0.4 0.01A 168 ○0.01 ∥0.01B 0.01A 图1热机械疲劳试样图（单位：mm) Fig.1 Requirements of TMF specimen (unit:mm)左鹏鹏等: 基于应变控制的 4Cr5MoSiV1 热作模具钢热机械疲劳行为 热作模具(压铸模、热挤压模、热锻模、热冲压 模等)在服役过程中,型腔表面都要承受来自热锻 工件(一般 1100 ~ 1200 益 ) 或熔融金属(比如:铝合 金压铸时模具承受最高温度可达 600 ~ 700 益 ,而铜 合金 800 ~ 900 益 ) 急冷急热的温度变化[1鄄鄄2] . 当表 层急热膨胀时由于受到温度较低的次表层的约束而 产生压应力和压应变;当表层急冷收缩时,由于受到 温度较高的次表层的约束而产生拉应力和拉应变. 同时,热作模具还要承受周期性的机械载荷的作 用[3] . 因此,热作模具由于同时受到温度和机械载 荷周期性交变作用而产生热机械疲劳 (thermal鄄me鄄 chanical fatigue,TMF) 导致模具软化而最终热裂失 效[3鄄鄄4] ,在此过程中,由于应力的变化比较复杂,有 可能与温度的变化呈现同步或异步. 据不完全统 计[5] ,压铸模具中热机械疲劳引起的热裂失效约占 失效模具总数的 80% . 一直以来,热机械疲劳行为是疲劳行为中最复 杂的课题,它涉及到温度、载荷、氧化、蠕变、环境等 多种因素的影响,国内外在高温合金领域及其他工 程构件上已经取得了一些成果[6鄄鄄7] . 2000 年以后, 国内吉林大学姜启川、方健儒等[8鄄鄄9]对 Cr鄄鄄Ni鄄鄄Mo 铸 图 1 热机械疲劳试样图 (单位:mm) Fig. 1 Requirements of TMF specimen (unit: mm) 造热作模具钢进行了热机械疲劳行为的研究,但采 用的是应力控制,其现象和规律与应变控制有所不 同,且热作模具钢的疲劳行为主要为高温低周疲劳, 采用应变控制更合适;国外 Oudin 等[10]对 5Cr鄄鄄 Mo鄄鄄 V 马氏体型热作模具钢热机械疲劳行为、损伤及寿 命进行了研究,都证实了热机械疲劳行为在热作模 具钢领域的理论研究价值和工程应用价值,但国内 外在热作模具钢热机械疲劳方面可查文献也少之甚 少,且由于设备及技术的限制,国内外对于热作模具 钢一直集中在 UDDHOLM 自约束热疲劳行为研 究[4鄄鄄5, 11鄄鄄12] ,温度循环最高值大多在 600 ~ 700 益 ,此 温度为热作模具服役时型腔能达到的瞬间接触温 度,而热疲劳只是单纯的温度变化导致的热应变行 为,热机械疲劳才更能贴合热作模具实际的服役工 况,更能为热作模具钢的疲劳失效行为提供可靠的 理论支持. 因此,本文基于对称拉压应变控制模式, 以目 前 国 内 广 泛 使 用 的 通 用 型 热 作 模 具 钢 4Cr5MoSiV1 为研究对象,对比其在温度循环与机械 载荷同相和反相加载时的热机械疲劳行为,探究两 者在循环应力应变响应、循环硬化及软化、寿命和断 口特征等方面的异同. 1 试验材料及方法 1郾 1 试验材料 本试验钢为某特钢厂经电渣重熔冶炼生产的高 品质锻造热作模具钢 4Cr5MoSiV1,其化学成分如表 1 所示. 4Cr5MoSiV1 钢的所有试样均采用 1030 益 真空油淬后再经 600 益 ,2 h 回火两次的工艺进行热 处理,采用 Leco R鄄鄄260 型洛氏硬度计测得其回火硬 度为44郾 0 ~ 46郾 0 HRC,采用 JBDS鄄鄄500Y 型冲击试验 机 (所用摆锤能量为 500 J) 测得其 7 mm 伊 10 mm 伊 55 mm 无缺口试样冲击功为 266郾 6 J,表现出优良的 强韧性. 表 1 4Cr5MoSiV1 钢的化学成分 (质量分数) Table 1 Chemical composition of 4Cr5MoSiV1 steel % C Si Mn Cr Mo V P S Fe 0郾 39 0郾 99 0郾 35 5郾 32 1郾 42 1郾 00 0郾 010 0郾 002 其余 将热处理后的 4Cr5MoSiV1 钢试样按照图 1 所 示的要求采用数控车床进行加工,测试部分按图中 表面粗糙度要求进行磨抛,最终得到标距部分直径 为 6 mm,长度为 36 mm 且符合试验要求的热机械疲 劳试样. 采用 Zeiss Supra鄄鄄40 型场发射扫描电子显 微镜 ( SEM) 和 JEM鄄鄄 200CX 型 透 射 电 子 显 微 镜 (TEM) 观察热机械疲劳试验前后试样的微观组织 形貌,金相和扫描电镜试样经不同目数砂纸和抛光 绒布磨抛后,采用体积分数为 4% 的硝酸乙醇溶液 进行腐蚀. 透射电镜试样制备方法:首先用电火花 切割机切取厚度为 300 滋m 样品,然后手工机械研磨 样品至厚度为 50 ~ 80 滋m,在专用冲孔器上冲出直 径3 mm 的圆片样品,随后在 MTP鄄鄄1A 型电解双喷仪上 ·77·