董晨輝 ,吳博雅 ,吳曉春,2

(1.上海大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院,省部共建高品質(zhì)特殊鋼冶金與制備國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,上海 200444;2.上大鑫侖材料科技(廣東)有限公司,肇慶 526105)

0 引言

在壓鑄模具的使用過程中,其內(nèi)腔表面常承受劇烈的溫度變化。當(dāng)表層受熱急速膨脹時(shí),受到低溫次表面的約束,會(huì)產(chǎn)生壓縮應(yīng)力和應(yīng)變;當(dāng)表層冷卻快速收縮時(shí),受到溫度較高的次表層約束,會(huì)產(chǎn)生拉伸應(yīng)力和應(yīng)變。除了承受由溫度變化引起的應(yīng)力之外,壓鑄模具還經(jīng)常承受機(jī)械載荷的循環(huán)作用。在溫度和機(jī)械載荷的共同循環(huán)作用下,壓鑄模會(huì)產(chǎn)生熱機(jī)械疲勞,產(chǎn)生軟化并萌生裂紋,最終發(fā)生失效[1]。

熱機(jī)械疲勞行為是所有疲勞行為中最復(fù)雜的,受到溫度、載荷、氧化蠕變和其他因素的影響,可通過模擬壓鑄模實(shí)際使用工況的熱機(jī)械疲勞試驗(yàn)進(jìn)行研究。目前,國外對(duì)熱機(jī)械疲勞行為的研究較多[2-5],但是我國的研究相對(duì)較少。方健儒等[6]對(duì)鉻鎳鉬鑄造熱作模具鋼的熱機(jī)械疲勞行為進(jìn)行了研究,但因當(dāng)時(shí)試驗(yàn)條件限制,所采用的應(yīng)力控制與實(shí)際情況有不同之處;左鵬鵬等[7]采用應(yīng)變控制方法研究了H13鋼在不同溫度循環(huán)和應(yīng)變下的熱機(jī)械疲勞行為。

為適應(yīng)目前大型壓鑄件的生產(chǎn),上海大學(xué)模具鋼團(tuán)隊(duì)開發(fā)出一種高淬透性材料——SDYZ(4Cr5Mo2VNi)熱作模具鋼,該鋼具有較好的綜合性能,可避免制成的大型壓鑄模具在熱處理過程中發(fā)生碳化物沿晶析出,已在各類大截面汽車壓鑄件領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用,在一體化壓鑄模具領(lǐng)域具有極為良好的應(yīng)用前景[8]。目前,有關(guān)SDYZ鋼的研究主要集中在抗熱損傷性能、熱疲勞性能、熱穩(wěn)定性能等方面[8],而對(duì)其熱機(jī)械疲勞性能的研究很少。為此,作者通過拉-壓對(duì)稱的應(yīng)變控制模式,在相同溫度循環(huán)和不同應(yīng)變幅下對(duì)SDYZ鋼進(jìn)行熱機(jī)械疲勞試驗(yàn),研究了不同應(yīng)變幅下的應(yīng)力-應(yīng)變滯后回線、循環(huán)應(yīng)力響應(yīng)曲線以及顯微組織變化,分析了其熱機(jī)械疲勞行為,以期為新材料的服役性能評(píng)估提供理論依據(jù)。

1 試樣制備與試驗(yàn)方法

試驗(yàn)材料為國內(nèi)某鋼廠生產(chǎn)的球化退火態(tài)SDYZ鋼,化學(xué)成分如表1所示,尺寸為30 mm×250 mm×350 mm。采用WZC-45型真空油淬火爐對(duì)試驗(yàn)鋼進(jìn)行淬火處理,淬火溫度為1 030 ℃,冷卻方式為油冷。使用Leco R-260型洛氏硬度計(jì)測(cè)得淬火態(tài)試驗(yàn)鋼的硬度為53～55 HRC。采用S2-5-12型回火爐在600 ℃下回火2次,每次回火保溫時(shí)間均為2 h,冷卻方式為空冷?；鼗鸷笤囼?yàn)鋼的硬度為46～48 HRC。退火及淬回火態(tài)的顯微組織如圖1所示,分別為球狀珠光體和馬氏體。

表1 SDYZ鋼的化學(xué)成分Table 1 Chemical composition of SDYZ steel

按照ASTM E2368-10,將淬回火態(tài)的試驗(yàn)鋼加工成如圖2所示的疲勞試樣,標(biāo)距尺寸為?6 mm×36 mm,為消除車削加工對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響,對(duì)試樣進(jìn)行研磨和機(jī)械拋光。使用Landmark 370.10型熱機(jī)械疲勞液壓伺服試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行熱機(jī)械疲勞試驗(yàn)。由FlexTest40型計(jì)算機(jī)輔助主控制系統(tǒng)控制測(cè)試過程,并實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和反饋溫度。試樣的標(biāo)距部分由固態(tài)中頻發(fā)射器加熱,溫度由點(diǎn)焊K 型熱電偶控制,控制精度為±3 ℃。機(jī)械應(yīng)變由高溫陶瓷拉伸儀控制,應(yīng)變幅精度可控制在2%以內(nèi)。試驗(yàn)后,使用壓縮空氣對(duì)試樣標(biāo)距部分進(jìn)行冷卻。為與壓鑄模具服役溫度保持一致,將熱機(jī)械應(yīng)變循環(huán)溫度選擇為200～600 ℃。由于壓鑄模具可能承受各種方向的力,并且有不同的溫度范圍,因此,在熱機(jī)械疲勞試驗(yàn)中,應(yīng)變幅與溫度之間的相位不同。為了便于研究,選擇符合實(shí)際使用情況的相位角-反相(即機(jī)械應(yīng)變達(dá)到最高值時(shí),溫度達(dá)到最低值)進(jìn)行試驗(yàn)。應(yīng)變幅(Δεm/2)分別取0.7%,0.9%和1.1%,機(jī)械應(yīng)變比Rε=-1。加載波形使用機(jī)械應(yīng)變控制的三角波,周期為200 s。熱機(jī)械疲勞試驗(yàn)后,采用VHX-600型超景深顯微鏡觀察表面裂紋形貌。用線切割裝置沿軸向切斷試樣的標(biāo)距部分,取其中半圓柱試樣鑲嵌,經(jīng)磨拋處理,用體積分?jǐn)?shù)4%硝酸乙醇溶液腐蝕,烘干后使用Nikon MA-100型光學(xué)顯微鏡(OM)和Zeiss Supra-40 型掃描電子顯微鏡(SEM)觀察疲勞試樣的顯微組織。用線切割方法在標(biāo)距部分的最大截面處切取厚度約300 μm 的試樣,打磨至厚度50 μm,利用特定的沖孔器沖出直徑為3 mm 的圓片,然后使用MTP-1A 型電解雙噴儀減薄,電解液為質(zhì)量分?jǐn)?shù)10%高氯酸乙醇溶液,采用JEOL-2100F 型透射電子顯微鏡(TEM)觀察微觀形貌。

圖2 疲勞試樣的形狀及尺寸Fig.2 Shape and dimension of fatigue specimen

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 應(yīng)力-應(yīng)變滯后回線

由圖3可見:不同應(yīng)變幅下SDYZ鋼在整個(gè)循環(huán)過程中的應(yīng)力-應(yīng)變滯后回線不是完全關(guān)于原點(diǎn)對(duì)稱的。隨著循環(huán)次數(shù)的增加(圖中箭頭所指方向?yàn)樵黾臃较?,壓應(yīng)力減小,曲線的總體斜率降低;在同一應(yīng)變幅下,滯后回線高溫半周期的壓縮應(yīng)力小于低溫半周期的拉應(yīng)力,這是SDYZ鋼在高溫下軟化所致;在交變熱力耦合作用下,應(yīng)變幅越大,拉應(yīng)力峰值越高;拉應(yīng)力峰值隨著循環(huán)次數(shù)增加緩慢降低,壓應(yīng)力峰值緩慢增大,直至試樣失效。應(yīng)力-應(yīng)變滯后回線包圍的面積反映了材料在非彈性變形過程中的能量損失和軟化度:面積越大,能量損失越大,損傷越嚴(yán)重。隨著應(yīng)變幅的增加,SDYZ鋼的滯后回線包圍的面積增大,說明其損傷越來越嚴(yán)重[9-11]。

圖3 不同應(yīng)變幅下SDYZ鋼的熱機(jī)械疲勞應(yīng)力-應(yīng)變滯后回線Fig.3 Thermal-mechanical fatigue stress-strain hysteresis loops of SDYZ steel under different strain amplitudes

2.2 循環(huán)應(yīng)力響應(yīng)行為

由圖4可見,隨著循環(huán)過程的進(jìn)行,SDYZ鋼疲勞試樣的拉應(yīng)力和壓應(yīng)力均降低,說明該鋼在循環(huán)過程中不斷軟化,拉應(yīng)力曲線和壓應(yīng)力曲線的斜率(降低速率)相當(dāng),表明在拉伸和壓縮過程中的軟化速率相似。結(jié)合文獻(xiàn)[12]可知,SDYZ鋼的疲勞循環(huán)軟化可分為3個(gè)階段:(1)不穩(wěn)定階段,由于材料突然受到溫度循環(huán)和機(jī)械載荷的共同作用,材料變形與循環(huán)作用的同步需要時(shí)間適應(yīng),因此循環(huán)應(yīng)力響應(yīng)曲線在循環(huán)初期存在不穩(wěn)定性;(2)持續(xù)軟化階段,該階段占整個(gè)循環(huán)過程的大部分,此時(shí)軟化速率較大,應(yīng)力逐漸降低,這與高溫和載荷影響下的材料軟化有關(guān)[8];(3)失效階段,軟化速率明顯增加,應(yīng)力迅速降低。對(duì)比發(fā)現(xiàn),隨著應(yīng)變幅的增大,疲勞壽命縮短。

圖4 不同應(yīng)變幅下SDYZ鋼的循環(huán)應(yīng)力響應(yīng)曲線Fig.4 Cyclic stress response curves of SDYZ steel under different strain amplitudes

2.3 疲勞裂紋形貌和顯微組織

由圖5可以看出,試樣標(biāo)距部分的表面裂紋垂直于加載方向,應(yīng)變幅越大,裂紋的寬度和長度越大。因此,應(yīng)變幅的大小直接影響著熱機(jī)械疲勞裂紋的擴(kuò)展,在高應(yīng)變幅作用下,試樣表面損傷更嚴(yán)重。

由圖6可知,熱機(jī)械疲勞試驗(yàn)后試樣的顯微組織仍主要由馬氏體和碳化物組成,但是在溫度和機(jī)械載荷的循環(huán)作用下,晶界變得模糊或者消失,組織變得粗大。隨著應(yīng)變幅的減小,試樣失效時(shí)的循環(huán)次數(shù)增加,馬氏體受到循環(huán)作用的時(shí)間變長,馬氏體板條形貌變得更加模糊,且馬氏體板條邊界析出的碳化物更粗大。應(yīng)變幅為0.7%時(shí)的碳化物粗化最嚴(yán)重,這是因?yàn)檠h(huán)時(shí)間越長,碳化物的析出長大動(dòng)力越大。由圖7可知,隨著應(yīng)變幅的減小,馬氏體板條受高溫作用時(shí)間變長,板條寬度變大。熱機(jī)械疲勞試驗(yàn)后,組織中存在大量的位錯(cuò)纏結(jié),且隨著應(yīng)變幅的增加,位錯(cuò)纏結(jié)逐漸消失,試驗(yàn)鋼發(fā)生軟化。這是由于在高應(yīng)變幅的作用下,試驗(yàn)鋼發(fā)生較大塑性變形,位錯(cuò)會(huì)進(jìn)行交滑移或攀移而湮滅[8,13-16]。

圖7 不同應(yīng)變幅下熱機(jī)械疲勞試驗(yàn)后SDYZ鋼試樣的TEM 形貌Fig.7 TEM morphology of SDYZ steel samples after thermal-mechanical fatigue test under different strain amplitudes：（a-c）at low magnification and（d-f）at high magnification

3 結(jié)論

(1) 不同應(yīng)變幅下SDYZ鋼在整個(gè)循環(huán)過程中的熱機(jī)械疲勞應(yīng)力-應(yīng)變滯后回線不是完全關(guān)于原點(diǎn)對(duì)稱的;應(yīng)變幅越大,熱機(jī)械疲勞應(yīng)力-應(yīng)變滯后回線包圍的面積越大,能量損失越大,試驗(yàn)鋼的損傷越嚴(yán)重,疲勞壽命越短。

(2) SDYZ鋼的熱機(jī)械疲勞循環(huán)軟化過程可分為3個(gè)階段:不穩(wěn)定階段,材料變形與循環(huán)作用的同步需要少量的周期適應(yīng),循環(huán)應(yīng)力響應(yīng)曲線在循環(huán)初期存在不穩(wěn)定性;持續(xù)軟化階段,占整個(gè)循環(huán)過程的大部分,此時(shí)軟化速率較大,應(yīng)力逐漸降低;失效階段,軟化速率明顯增加,應(yīng)力迅速降低。

(3) 隨著應(yīng)變幅的增加,試驗(yàn)鋼表面疲勞裂紋的長度和寬度均變大,損傷變嚴(yán)重。熱機(jī)械疲勞試驗(yàn)后,試驗(yàn)鋼顯微組織中的馬氏體和碳化物明顯粗化,且隨著應(yīng)變幅的增大,馬氏體和碳化物粗化程度降低,當(dāng)應(yīng)變幅為0.7%時(shí),試驗(yàn)鋼受溫度和機(jī)械載荷的持續(xù)作用時(shí)間最長,馬氏體和碳化物粗化現(xiàn)象最嚴(yán)重。隨著應(yīng)變幅的增大,位錯(cuò)纏結(jié)程度變小,試驗(yàn)鋼軟化現(xiàn)象變嚴(yán)重。