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 81· 400 1000 a 200”··· 800 ·最大拉应力 ·最大压应力 600 0 400 200 400 -600f…… ·最大拉应力 200 ·最大压应力 00 -40 101 10 10 10 102 循环周次 循环周次 图8循环应力响应曲线.(a)同相加载：(b)反相加载 Fig.8 Cyclic stress response curves during TMF cycle:(a)IP;(b)OP 循环时的平均应力为148.6MPa(表2)：且两种加 于表面的优先氧化区域，或者内部碳化物、冶金缺陷 载方式下的平均应力均偏向低温半周，这可以认为 及晶界薄弱处).在同相加载条件下，疲劳断口主 是4C5 MoSiV1钢在高温半周和低温半周均持续循 要以疲劳条纹、撕裂脊和准解理特征为主，裂纹由主 环软化的共同作用结果.(2)与图8类似，平均应 裂纹和二次裂纹构成，并且由于试样在高温下承受 力响应曲线更直观看出两种加载条件下开始循环都 拉伸应力，断口被严重氧化，如图10(a)和(c)所示. 出现了轻微的循环硬化，随后持续循环软化，且反相 然而，在反相加载条件下，疲劳断口主要以疲劳条纹 加载时循环软化速率明显更大，导致疲劳寿命只有 和大量的凹坑特征为主，凹坑中常常伴有大颗粒碳 同相加载时的60%左右.这可能是由于高温半周位 化物或夹杂物，这种现象的形成表明裂纹扩展的速 错攀移和交滑移产生的位错重组及湮灭，导致材料 率很快[18-]，如图10(b)和(d)所示.对比两种加 基体强度的软化，但其在初始阶段不足以抵消因位 载方式下截面裂纹特征，如图10(e)和(f),发现同 错增殖所引起的硬化效应，而随后则由于位错的重 相加载时裂纹少而深，断口相对比较平整，而反相加 排和湮灭以及马氏体基体的回复和碳化物聚集长大 载时裂纹多而浅，且断口凹凸不平，颈缩更明显.这 导致持续循环软化的特征[6-] 表明反相加载时易于裂纹萌生且裂纹扩展的时间较 300 短，同时在低温半周发生同等应变需要比同相加载 200 时承受更大的拉伸应力，使其发生较大的塑性变形 这也是导致反相加载时寿命更低的原因之一. 100 3结论 100 (1)拉压对称应变控制条件下，当应变幅为± 0.50%时，4C5 MoSiV1钢同相加载热机械疲劳寿命 -200 ·P ·OP 为800周次，反相加载为500周次，反相加载时的寿 -30 10 10 102 命约为同相加载时的60%；半寿命周次同相和反相 循环周次 加载时应力范围和塑性应变范围接近 图9循环平均应力响应曲线 (2)4C5 MoSiV1钢在热机械循环过程中应力- Fig.9 Cyclic mean stress response curves during TMF cycle 应变滞后回线不对称，即同相加载时产生平均压缩 2.4断口特征 应力和平均拉伸塑性应变，反相加载时产生平均拉 为了更好的认识两种不同加载方式下 伸应力和平均压缩塑性应变，这与杨氏模量随温度 4C5 MoSiV1钢热机械疲劳的应力应变行为，对断裂 变化导致材料强度的变化有关.同时，最大应力与 后的试样断口特征及截面裂纹形貌进行了观察分 最大应变及峰值温度不同步，均在高温半周出现应 析.同相和反相加载方式下的断口均呈现典型的低 力松弛现象 周疲劳断口特征，包括裂纹萌生区、扩展区和瞬断 (3)4C5 MoSiV1钢在同相和反相热机械疲劳 区，如图10所示.两种加载方式下，裂纹常常萌生 整个循环过程中均呈现出高温半周持续循环软化，左鹏鹏等: 基于应变控制的 4Cr5MoSiV1 热作模具钢热机械疲劳行为 图 8 循环应力响应曲线. (a) 同相加载;(b) 反相加载 Fig. 8 Cyclic stress response curves during TMF cycle: (a) IP; (b) OP 循环时的平均应力为 148郾 6 MPa (表 2);且两种加 载方式下的平均应力均偏向低温半周,这可以认为 是 4Cr5MoSiV1 钢在高温半周和低温半周均持续循 环软化的共同作用结果. (2) 与图 8 类似,平均应 力响应曲线更直观看出两种加载条件下开始循环都 出现了轻微的循环硬化,随后持续循环软化,且反相 加载时循环软化速率明显更大,导致疲劳寿命只有 同相加载时的 60% 左右. 这可能是由于高温半周位 错攀移和交滑移产生的位错重组及湮灭,导致材料 基体强度的软化,但其在初始阶段不足以抵消因位 错增殖所引起的硬化效应,而随后则由于位错的重 排和湮灭以及马氏体基体的回复和碳化物聚集长大 导致持续循环软化的特征[16鄄鄄17] . 图 9 循环平均应力响应曲线 Fig. 9 Cyclic mean stress response curves during TMF cycle 2郾 4 断口特征 为了 更 好 的 认 识 两 种 不 同 加 载 方 式 下 4Cr5MoSiV1 钢热机械疲劳的应力应变行为,对断裂 后的试样断口特征及截面裂纹形貌进行了观察分 析. 同相和反相加载方式下的断口均呈现典型的低 周疲劳断口特征,包括裂纹萌生区、扩展区和瞬断 区,如图 10 所示. 两种加载方式下,裂纹常常萌生 于表面的优先氧化区域,或者内部碳化物、冶金缺陷 及晶界薄弱处[14] . 在同相加载条件下,疲劳断口主 要以疲劳条纹、撕裂脊和准解理特征为主,裂纹由主 裂纹和二次裂纹构成,并且由于试样在高温下承受 拉伸应力,断口被严重氧化,如图 10(a)和(c)所示. 然而,在反相加载条件下,疲劳断口主要以疲劳条纹 和大量的凹坑特征为主,凹坑中常常伴有大颗粒碳 化物或夹杂物,这种现象的形成表明裂纹扩展的速 率很快[18鄄鄄19] ,如图 10( b)和( d) 所示. 对比两种加 载方式下截面裂纹特征,如图 10(e)和(f),发现同 相加载时裂纹少而深,断口相对比较平整,而反相加 载时裂纹多而浅,且断口凹凸不平,颈缩更明显. 这 表明反相加载时易于裂纹萌生且裂纹扩展的时间较 短,同时在低温半周发生同等应变需要比同相加载 时承受更大的拉伸应力,使其发生较大的塑性变形. 这也是导致反相加载时寿命更低的原因之一. 3 结论 (1)拉压对称应变控制条件下,当应变幅为 依 0郾 50% 时,4Cr5MoSiV1 钢同相加载热机械疲劳寿命 为 800 周次,反相加载为 500 周次,反相加载时的寿 命约为同相加载时的 60% ;半寿命周次同相和反相 加载时应力范围和塑性应变范围接近. (2) 4Cr5MoSiV1 钢在热机械循环过程中应力鄄鄄 应变滞后回线不对称,即同相加载时产生平均压缩 应力和平均拉伸塑性应变,反相加载时产生平均拉 伸应力和平均压缩塑性应变,这与杨氏模量随温度 变化导致材料强度的变化有关. 同时,最大应力与 最大应变及峰值温度不同步,均在高温半周出现应 力松弛现象. (3) 4Cr5MoSiV1 钢在同相和反相热机械疲劳 整个循环过程中均呈现出高温半周持续循环软化, ·81·