压铸模具钢热机械疲劳行为及损伤机理研究

发布时间：2020-07-23 10:01

【摘要】：热龟裂是压铸模具最主要的失效形式,往往是由于其材料承受热循环和机械载荷循环的共同作用造成的疲劳损伤,即热机械疲劳(TMF)。TMF是所有疲劳行为中最复杂的课题,一直由于试验难度大、耗时长和成功率低,导致研究滞后,国内外一直集中在压铸模具钢自约束纯热疲劳和等温低周疲劳行为的研究。然而,这些研究不贴合压铸模具钢实际服役工况,没有综合考虑温度和外力的共同作用。因此,本文利用MTS热机械疲劳液压伺服测试系统,借助X射线衍射仪、扫描电镜、透射电镜、超景深和光学显微镜等设备,结合碳膜萃取复型技术和力学性能测试,开展了压铸模具钢基于应变控制的TMF行为和损伤机理的研究,为压铸模热龟裂失效行为和机制提供可靠的理论支撑,也为压铸模的服役寿命提供合理的预测模型。首先,基于拉压对称机械应变控制模式,研究了 H13钢在200～600℃和400～700℃温度范围内,不同机械应变幅(0.3%～1.3%)加载下的同相(IP)和反相(OP)TMF力学行为。应力-应变滞后回线由于H13钢TMF循环过程中受非等温下材料高温强度和杨氏模量不断变化的作用而呈现不对称性,即IP-TMF时承受压缩平均应力;OP-TMF时承受拉伸平均应力。TMF循环的高温半周均发现了由于蠕变导致的应力松弛,并提出了定量区分蠕变和塑性应变的“回路延伸法”。应力应变循环响应曲线表明H13钢TMF损伤主要表现为持续循环软化特征。同时,澄清了 H13钢TMF循环响应过程,包括适应、软化和失效三个阶段。然后,通过对H13钢氧化损伤、TMF断口、裂纹萌生与扩展的分析,发现H13钢TMF损伤表现为氧化-疲劳-蠕变交互作用下的损伤行为。疲劳裂纹从试样表面开始呈多裂纹源穿晶萌生,氧化是诱发表面裂纹萌生的主要原因,且伴随氧化物不断填充裂缝而加速裂纹的萌生与扩展。IP-TMF时裂纹以沿晶+穿晶的混合方式扩展;而OP-TMF时裂纹以穿晶的方式扩展。同时,材料内部由于蠕变损伤出现了晶界三叉裂纹或楔形裂纹。IP-TMF和OP-TMF的主裂纹长度和根部宽度、裂纹数量均随机械应变幅的增加而增加;同等机械应变幅下,主裂纹长度在IP-TMF时更长,而主裂纹根部宽度和裂纹数量却在OP-TMF时更宽和更多。TMF断口均氧化严重,OP-TMF断口能观察到疲劳源区、裂纹扩展区和断裂区,扩展区以疲劳辉纹为主,且伴有二次裂纹及孔洞;断裂区以大量的韧窝和孔洞为主。IP-TMF的疲劳断口比较模糊,断裂区以准解理、撕裂脊和韧窝混合特征为主。其次,H13钢TMF循环软化微观损伤主要包括马氏体板条宽化,位错回复及碳化物聚集和粗化。循环应变协同作用下的过回火效应和热-力耦合条件下的碳化物与位错交互作用是TMF循环软化损伤的根本原因。H13钢TMF循环中,由于热-力耦合作用,回火态条带状渗碳体分解为合金碳化物,初始阶段析出了针状富Mo和Cr(Mo/Cr比较小)的亚稳态M2C型和小短杆状富Cr和Fe(Cr/Fe趋于1)的亚稳态M7C3型碳化物;随循环周次的增加,亚稳态M2C型碳化物转变为棱角明锐的长方形M7C3型碳化物;达到一定循环周次后,M2C形态转变为富Mo和Fe的稳态鹅卵石状;而M7C3形态转变为稳态棱角圆润粗短棒状,Cr/Fe比大于2;且两种碳化物粗化最明显。通过碳化物数量和尺寸的对比分析,发现了压铸模具钢服役温度下应变诱导碳化物析出与粗化这一现象。最后,建立了 H13钢TMF应变-寿命曲线,发现应变-寿命曲线出现了交叉点,机械应变幅较小时,OP-TMF寿命较高;机械应变幅较大时,IP-TMF寿命较高,与氧化-蠕变-疲劳交互作用时占主导的损伤机制有关。此外,基于滞回能损伤观点和H13钢TMF数据,提出了适用于压铸模具钢TMF寿命预测归一化模型(0.84.△σ·△εin).Nf1.03958=2921.66219,并成功应用于另一压铸模具钢4Cr5Mo2V的TMF寿命预测,预测和试验寿命的分散带基本都在1.5倍线以内。
【学位授予单位】：上海大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TG249.2
【图文】：

压铸模,失效形式

变热应力和机械应力作用下，模具材料尤其是表层的组织性能逐步发生演变，逡逑最终导致失效。压铸模的主要失效形式［２（Ｕ１］包括热龟裂、整体开裂、腐蚀磨损、逡逑塑性变形等，如图１－１所示。逡逑整体开裂［２６］是压铸模致命的非正常失效形式，其物理机制是处于拉应力状逡逑态下的脆性裂纹失稳扩展。整体脆断通常是由于偶然的机械过载或热过载而导逡逑２逡逑

高温疲劳试验,加热装置

上海大学博士学位论文逦压铸模具钢热机械疲劳行为及损伤机理研究逡逑特殊用钢等研究甚少。逡逑（２）热机械疲劳试验技术｜４８’５（）’６４１逡逑在ＴＭＦ试验过程中，由于需要同时控制温度和机械载荷两个变量，进而采逡逑用传统高温试验用的环境箱或者是加热炉将无法实现温度循环，并且难以满足逡逑试验对于升降温速率的要求。因此，ＴＭＦ试验用的加热设备明显区别于高温等逡逑温试验，所采用的是电磁感应线圈加热。图１－２所示为ＴＭＦ和ＩＦ试验用的加逡逑热装置。此外，在ＴＭＦ试验中还将涉及到降温过程，相应的实现方式为借助压逡逑缩空气或氮气冷却。因此，由于试验的特殊性，一个完整的ＴＭＦ试验系统将同逡逑时包括两个子试验系统，分别为：力加载系统和温度控制系统，并且温度控制逡逑系统包括升温和降温两部分。由于感应线圈在加热试样时，自身也将产生高温，逡逑因此降温部分还包括对感应线圈内部的水冷。逡逑（３）

热机械疲劳,加载波形

为了便于参考，如果温度最大值领先于机械应变最大值，则相位角为正逡逑（０＜０＾１８０°），否则相位角为负。根据机械载荷和温度之间相位角的不同，ＴＭＦ逡逑试验可分为多种情况，被国内外研宄者广泛采用的相位角主要有四种［６６］：同相逡逑位（Ｉｎ－ｐｈａｓｅ，简称邋ＩＰ，０＝０）、反相位（Ｏｕｔ－ｏｆ－ｐｈａｓｅ，简称邋ＯＰ，０＝１８０°）、顺逡逑时针菱形（Ｃｌｏｃｋｗｉｓｅ邋ｄｉａｍｏｎｄ，简称ＣＤ，＃＝＋９０°邋）和逆时针菱形逡逑（Ｃｏｕｎｔｅｒ－ｃｌｏｃｋｗｉｓｅ邋ｄｉａｍｏｎｄ，简称邋ＣＣＤ，＃＝－９０。），如图邋１－３邋所示。在邋ＩＰ邋条件下，逡逑机械载荷和温度同时达到各自的最大值或最小值；而在ＯＰ条件下，情况正好逡逑相反，二者异步达到各自的最大和最小值；而在其他相位条件下，情况依次类逡逑推。此外，还有一些研宄者依据构件的实际工作状态而在实验室中完全复制其逡逑服役条件下的应变－温度关系建立特殊的循环波形１６７］。对于应变控制模式下的逡逑ＴＭＦ试验，为了控制相位恒定并避免试样产生热应力，因此，在试验中的任意逡逑加载时刻都需要进行热应变补偿。补偿的方法分为两种：基于温度的闭环应变逡逑补偿和基于时间的开环应变补偿，但目前普遍采用温度补偿方式。逡逑

【参考文献】