朱振强等：应变幅对H13热作模具钢等温疲劳行为的影响 657 KEY WORDS H13 hot work die steel;isothermal fatigue;fatigue behavior;strain;carbide 热疲劳开裂是热作模具在压铸和热锻过程中 测吻合度较好；上海大学曾艳等8研究了H13钢 主要的失效形式，压铸和热锻都处于温度较高的 等温疲劳实验下的损伤程度和微观组织变化情 工况下，作为压铸模具钢，由于高温熔融铝合金液 况，但仍然没有形成系统性研究 体的注入，模具要承受700℃左右的温度-斗：而 本文采用应变控制的等温疲劳实验方法对国 作为热锻模具，型腔表面要承受1100~1200℃的 内外常用的H13热作模具钢进行高温疲劳行为研 温度).热疲劳是由加热和冷却循环交替引起的， 究，选取三种不同应变幅分析应变对材料疲劳裂 在循环加热和冷却的条件下，模具中会产生较大 纹、疲劳力学行为、微观组织和微观硬度的影响 的热梯度，从而使模具在加热时处于压缩状态受 1材料和试验过程 到压应力和压应变，在冷却时处于拉伸状态受到 拉应力和拉应变].这种交替的拉压状态将导致 1.1试验材料及制备过程 模具材料强度下降.随着循环次数的增加，会在模 AISI H1.3钢由于优越的高温性能、耐冲击性 具上产生细小裂纹并扩展，最终导致模具失效，这 和强韧性等力学性能，已经广泛应用于制作有色 被称为热疲劳失效B,6刀热疲劳失效是常见的失 金属的压铸、热锻和热挤压模具本试验所用 效形式，且在模具失效中占很大比例，严重影响模 材料为优质的H13热作模具钢，试验钢化学成 具使用寿命，由于高额的维护和更换成本，热疲劳 分如表1所示.所有试样均在1030℃下进行真空 失效会对企业造成很大的损失⑧-，因此研究高温 油淬，淬火硬度为(54.0±1.0)HRC,再经过600℃ 下热作模具钢疲劳行为在科学研究和工程应用中 回火2h,回火2次，最终将试样回火硬度调整为 都有重要的意义， 46.0±1.0)HRC 国内外已经有许多学者对热作模具钢的热疲 劳行为进行了相关的研究，但研究以Uddeholm自 表1H13钢化学成分（质量分数） 约束热疲劳实验为主-以，仅考虑了温度产生的 Table 1 Chemical composition of H13 hot work die steel % 热应变对模具材料的影响，没有考虑实际服役过 C Si Mn Cr Mo V Ni P S Fe 程中模具还要承受的机械载荷产生的机械应变] 0.380.950.355.331410.990.150.0100.002Bal. 等温疲劳实验兼顾温度和机械载荷的影响，由于 其试验方法和设备较为成熟，在热作模具钢高温 热处理结束之后试样被加工成圆柱体形状， 疲劳行为中应用广泛.德国卡塞尔大学的Gruning 其标距部分直径为6mm,长度为36mm,非标距部 等41对AISI H11模具钢进行了在应力控制下的 分直径为20mm,试样总长度为168mm,具体试样 等温疲劳实验，而王海清指出疲劳实验更倾向 形状和尺寸如图1所示.试样还需按图1所示粗 于应变控制，造成疲劳损伤本质与应变相关，采用 糙度要求进行磨抛，以消除表面磨痕可能产生预 应变处理数据可以获得较小的分散度.重庆大学 制裂纹的影响 王勇勒等刀提出了应变控制下的H13钢疲劳-蠕 1.2试验过程 变寿命预测模型，并通过实验验证，结果与模型预 采用MTS Landmark370.l0液压伺服轴向拉压 50 68 Unit:mm @0.01 1.5×45° R22 36 0.4 ⊥0.01A 0m 00.01B 1689回0.01 内 ⊥0.01A B A-axial datum;B-radial datum;R-radius;d-diameter 图1试样尺寸与形状 Fig.1 Size and shape of the specimenKEY WORDS    H13 hot work die steel；isothermal fatigue；fatigue behavior；strain；carbide 热疲劳开裂是热作模具在压铸和热锻过程中 主要的失效形式，压铸和热锻都处于温度较高的 工况下，作为压铸模具钢，由于高温熔融铝合金液 体的注入，模具要承受 700 ℃ 左右的温度[1−2] ；而 作为热锻模具，型腔表面要承受 1100～1200 ℃ 的 温度[3] . 热疲劳是由加热和冷却循环交替引起的， 在循环加热和冷却的条件下，模具中会产生较大 的热梯度，从而使模具在加热时处于压缩状态受 到压应力和压应变，在冷却时处于拉伸状态受到 拉应力和拉应变[4−5] . 这种交替的拉压状态将导致 模具材料强度下降. 随着循环次数的增加，会在模 具上产生细小裂纹并扩展，最终导致模具失效，这 被称为热疲劳失效[3, 6, 7] . 热疲劳失效是常见的失 效形式，且在模具失效中占很大比例，严重影响模 具使用寿命，由于高额的维护和更换成本，热疲劳 失效会对企业造成很大的损失[8−10] ，因此研究高温 下热作模具钢疲劳行为在科学研究和工程应用中 都有重要的意义. 国内外已经有许多学者对热作模具钢的热疲 劳行为进行了相关的研究，但研究以 Uddeholm 自 约束热疲劳实验为主[11−12] ，仅考虑了温度产生的 热应变对模具材料的影响，没有考虑实际服役过 程中模具还要承受的机械载荷产生的机械应变[13] . 等温疲劳实验兼顾温度和机械载荷的影响，由于 其试验方法和设备较为成熟，在热作模具钢高温 疲劳行为中应用广泛. 德国卡塞尔大学的 Grüning 等[14−15] 对 AISI H11 模具钢进行了在应力控制下的 等温疲劳实验，而王海清[16] 指出疲劳实验更倾向 于应变控制，造成疲劳损伤本质与应变相关，采用 应变处理数据可以获得较小的分散度. 重庆大学 王勇勤等[17] 提出了应变控制下的 H13 钢疲劳–蠕 变寿命预测模型，并通过实验验证，结果与模型预 测吻合度较好；上海大学曾艳等[18] 研究了 H13 钢 等温疲劳实验下的损伤程度和微观组织变化情 况，但仍然没有形成系统性研究. 本文采用应变控制的等温疲劳实验方法对国 内外常用的 H13 热作模具钢进行高温疲劳行为研 究，选取三种不同应变幅分析应变对材料疲劳裂 纹、疲劳力学行为、微观组织和微观硬度的影响. 1    材料和试验过程 1.1    试验材料及制备过程 AISI H13 钢由于优越的高温性能、耐冲击性 和强韧性等力学性能，已经广泛应用于制作有色 金属的压铸、热锻和热挤压模具[19] . 本试验所用 材料为优质的 H13 热作模具钢 ，试验钢化学成 分如表 1 所示. 所有试样均在 1030 ℃ 下进行真空 油淬，淬火硬度为 (54.0±1.0) HRC，再经过 600 ℃ 回火 2 h，回火 2 次，最终将试样回火硬度调整为 (46.0±1.0) HRC. 表 1  H13 钢化学成分（质量分数） Table 1   Chemical composition of H13 hot work die steel % C Si Mn Cr Mo V Ni P S Fe 0.38 0.95 0.35 5.33 1.41 0.99 0.15 0.010 0.002 Bal. 热处理结束之后试样被加工成圆柱体形状， 其标距部分直径为 6 mm，长度为 36 mm，非标距部 分直径为 20 mm，试样总长度为 168 mm，具体试样 形状和尺寸如图 1 所示. 试样还需按图 1 所示粗 糙度要求进行磨抛，以消除表面磨痕可能产生预 制裂纹的影响. 1.2    试验过程 采用 MTS Landmark 370.10 液压伺服轴向拉压 1.5×45° 50 68 36 0.4 168 R22 0.01 0.01 B A B A A d6±0.03 0.01 Unit: mm 0.01 0.01 d20+0.00 −0.03 ⊥ ⊥ // A—axial datum; B—radial datum; R—radius; d—diameter 图 1    试样尺寸与形状[3] Fig.1    Size and shape of the specimen 朱振强等： 应变幅对 H13 热作模具钢等温疲劳行为的影响 · 657 ·