新型冷作模具钢HYC1MOD三点弯曲疲劳性能_李金玉.pdf

总第 328 期2023 年第 4 期HEBEI METALLUGYTotal No 3282023，Number 4新型冷作模具钢 HYC1MOD 三点弯曲疲劳性能李金玉1，康杰1，苏孺1，2，李栋2，3(1 河北科技大学 材料科学与工程学院，河北 石家庄 050018;2 河北省高品质工模具材料重点实验室，河北 石家庄 052160;3 河冶科技股份有限公司，河北 石家庄 052160)摘要:以一种新型冷作模具钢 HYC1MOD 为研究对象，通过三点弯曲疲劳试验研究了其高周疲劳性能，结合残余应力演变和断口形貌分析探讨了其断裂损伤机制。结果表明，新型冷作模具钢 HYC1MOD 的疲劳极限为 393 75 MPa，疲劳寿命与应力幅之间的关系式为a=2 078 22 336 73 lgNf。疲劳断裂模式为脆性断裂，疲劳裂纹主要起源于大尺寸含 Cr 碳化物。随疲劳周次的增加，裂纹源处的残余应力一直表现为压应力，且变化平缓，只在最终断裂时快速降低，这表明新型冷作模具钢 HYC1MOD 的疲劳裂纹一旦形成就快速扩展导致断裂失效，与其脆性断裂的模式一致。关键词:冷作模具钢;三点弯曲;疲劳;碳化物;残余应力中图分类号:TG115 5文献标志码:A文章编号:1006 5008(2023)04 0018 04doidoi:10 13630/j cnki 13 1172 2023 0404THTH EEEE POINT BENDING FATIGUE PPOINT BENDING FATIGUE P OPEOPE TIESOF NEW COLD WOTIESOF NEW COLD WO K DIE STEEL HYCK DIE STEEL HYC1 1MODMODLi Jinyu1，Kang Jie1，Su u1，2，Li Dong2，3(1 School of Materials Science and Engineering，Hebei University of Science and Technology，Shijiazhuang，050018，Hebei;2 Key Laboratory of High Quality Mold Materials of Hebei Province，Shijiazhuang 052160，Hebei;3 Heye Technology Co，Ltd，Shijiazhuang 052160，Hebei)AbstractAbstract:A new cold work die steel HYC1MOD was studied by three point bending fatigue test to study itshigh cycle fatigue performance，and the fracture damage mechanism was explored by combining residualstress evolution and fracture morphology analysis The results show that the fatigue limit of the new coldwork die steel HYC1MOD is 393 75 MPa，and the relationship between fatigue life and stress amplitude isa=2 078 22 336 73 lgNf The fatigue fracture mode is brittle fracture，and fatigue cracks mainly origi-nate from large size Cr carbides With the increase of fatigue cycles，the residual stress at the crack sourcehas always been manifested as compressive stress and changes slowly，and only decreases rapidly at finalfracture，which indicates that the fatigue crack of the new cold work die steel HYC1MOD propagates rapidlyonce it is formed，resulting in fracture failure，which is consistent with its brittle fracture patternKey wordsKey words:cold work mold steel;three point bending;fatigue;carbide;residual stress收稿日期:2022 12 29基金项目:河北省省级科技计划资助项目(20311006D);河北省自然科学基金(E2020208072)作者简介:李金玉(1998 )，女，河北科技大学材料与化工专业硕士研究生，E mail:lllgoodboy163 com通讯作者:康杰(1987 )，女，博士，副教授，主要从事先进金属材料组织及性能优化，E mail:Jiekang hebust edu cn0引言模具的发展水平是衡量一个国家制造业发展水平的重要标志之一。模具在模锻件生产的经济性和市场竞争等方面都占有极其重要的地位和作用，广泛应用于机械、电子、汽车、航空、军工、交通等领域，是国防现代化的重要支撑。其中冷作模具钢常用于冷锻、深拉，以及作为一些难加工材料的塑性变形用工具钢1 3。因此，要求冷作模具钢具备良好的耐磨性、硬度以及疲劳性能4，5。模具的疲劳、断裂等典型失效形式都与模具材料及后续加工有密切联系6。米永旺等人则研发了一种可提高 C118 冷作模具钢等向性的高温均质和多向锻造工艺。张俊喜等人7 对冷作模具钢 DC53 在 20 和 200 的摩擦磨损性能做了相关报道。张峪鸣等人1 曾利用三维断裂分析软件对日产冷作模具钢 DC53 的断裂81河北冶金2023 年第 4 期性能进行了研究。本文研究对象为河冶生产的HYC1MOD 钢，为基于国产 Cr8Mo2SiV 钢的改良型冷作模具钢，具有较好的高抗压强度、回火硬度、淬透性等。为研究其疲劳断裂机理，利用三点弯曲疲劳试验机测得其疲劳寿命与应力幅之间的关系曲线(S N 曲线)和疲劳极限，利用残余应力衍射仪、扫描电子显微镜等分析其残余应力应变和断口形貌，最终得到的实验结果为冷作模具钢疲劳寿命的改善及工程应用提供一定的理论依据。1试验材料与方法试验材料为河冶产新型铬钼钒系冷作模具钢HYC1MOD，化学成分如表 1 所示。试验用钢经锻造后在1 055 保温后淬火，随后在 190 进行深冷，最后在 525 进行两次回火。利用 QB 100 高频疲劳试验机进行三点弯曲疲劳实验，测试其 S N曲线和疲劳极限。加载频率为 80 Hz，应力比(min/max)为01，循环应力振幅为常振幅正弦，加载控制形式为载荷控制。疲劳试样根据 GBT 232 2010弯曲试验方法中的标准三点弯曲试样制备，如图 1所示。试样跨距按照公式(1)计算，根据公式(2)计算材料的弯曲疲劳应力。l=(D+3a)a2(1)式中，D 压头直径，mm;a 试样厚度，mm。=3PL2BH2(2)式中，试样表面的应力，MPa;P 载荷，MPa;L 跨距，mm;B 试样宽度，mm;H 试样高度，mm。三点弯曲疲劳试验设备为 X360s 便携式残余应力分析仪，采用 Cr 靶，检测晶面为 FCC(2，2，2)，电流为1 mA，电压为 30 kV。测量点分布如图 2 所示，观察残余应力随疲劳周次的演变规律。表 1试验钢化学成分(质量分数)Tab1Test steel chemical compositionwt%CSiMnCrMoV0951000507802500 50图 1三点弯曲疲劳的试样(长度单位:mm)Fig1Specimen with three point bending fatigue(length unit:mm)图 2测量残余应力点Fig 2Measuring the residual stress point利用金相显微镜(OM)对初始热处理后的组织进行观察，腐蚀液为 4%的硝酸酒精，利用洛氏硬度计测量其硬度。采用 ZEISS ULTA 55 场发射扫描电镜(SEM)观察疲劳断口和纵截面的组织形貌。2试验结果与讨论图 3 为新型冷作模具钢 HYC1MOD 经热处理后的金相组织及其碳化物尺寸分布。图3新型冷作模具钢 HYC1MOD 热处理组织及碳化物尺寸Fig3Microstructure and carbide size of new cold work die steel HYC1MOD after heat treatment由图 3(a)可以看出，基体为回火马氏体，镶嵌其中的碳化物尺寸差异较大，小尺寸的碳化物弥散分布于组织中，大尺寸碳化物的分布相对不太均匀。该组织构成最终导致试样具有 62 HC 的较高回火91总第 328 期HEBEI METALLUGY硬度。根据软件 Image Pro Plus 统计碳化物尺寸，得出如图3(b)所示的碳化物尺寸直方图，可见大部分碳化物的尺寸为0 1 mm，同时存在少量较大碳化物，最大尺寸可达11 12 mm。碳化物与基体相比较硬，小而弥散的碳化物可以有效提高材料性能，为有利相，相反大块碳化物由于比基体的硬度差，容易在材料承受外力时成为裂纹萌生及扩展的途径 7，8。图 4 给出了三点弯曲疲劳试验的结果。随循环应力幅增加，疲劳寿命降低，二者之间的关系为:a=2 078 22 336 73 lgNf，疲劳极限强度为393 75 MPa。图 5 为三点弯曲试样断口形貌。图5(a)为断口的宏观形貌，可观察到裂纹源位于试样边缘，并且裂纹从裂纹源处呈发散式地快速扩展，裂纹扩展区不平整。在疲劳裂纹源区可看到大尺寸碳化物聚集(25 mm)，如图 5(b)所示，结合 EDS 分析，聚集的碳化物类型为含 Cr 碳化物。经统计，81 8%的三点弯曲试样的断口在疲劳裂纹源区均存在这种类似的大尺寸碳化物聚集，表明 HYC1MOD钢的疲劳裂纹主要源于次表面的大尺寸碳化物聚集。惠卫军等人研究 Cr Mo V 系高强度钢的疲劳断裂行为，认为对于低强度马氏体钢，疲劳极限1与钢的抗拉强度之间呈线性关系，此时试样的疲劳断裂通常由表面破坏所引起，但当抗拉强度超过 1 200 MPa 时，试样的疲劳断裂通常由非金属夹杂物等内部缺陷引起9。而曾芬的研究10 则表明，冷作模具钢中碳化物对性能的影响要远大于夹杂物，特 别 是 碳 化 物 的 尺 寸 效 应。本 文 研 究 的HYC1MOD 冷作模具钢硬度达到 62 HC，抗拉强度明显超过 1 200 MPa，因此，大尺寸碳化物聚集性存在严重降低了 HYC1MOD 钢的疲劳性能。图 4三点弯曲疲劳试验的 S N 曲线Fig4S N curve of three point bending fatigue test图 5断口形貌及 EDS 分析Fig 5Fracture morphology and EDS analysis裂纹扩展区的微观形貌如图 6 所示，均是凹凸不平的解理小平台，结合疲劳裂纹源区带有河流花样的粗糙解理面，表明 HYC1MOD 钢的疲劳断裂模式为脆性断裂。同时在疲劳裂纹扩展区还可观察到碳化物与基体之间的界面发生开裂和自身开裂的碳化物，这些较大尺寸的碳化物(13 15 mm)与基体之间的弹塑性差异较大，在疲劳变形过程中可为裂纹的扩展提供途径。图 6疲劳裂纹扩展区微观形貌Fig6Micromorphology of fatigue crack propagation zone02河北冶金2023 年第 4 期图 7断口侧面形貌Fig 7Morphology of the side of the fracture为进一步证明大块碳化物对裂纹萌生及扩展的影响，将断口侧面进行研磨抛光，并通过扫描电镜观察其形貌，结果见图 7。在断口侧面存在小型裂纹，并且裂纹前端存在长约 10 mm 的大块碳化物，裂纹存在穿过碳化物和沿碳化物边缘两种扩展方式。裂纹扩展阶段的扩展速率主要取决于材料抵抗裂纹扩展的总体性能11。疲劳裂纹通常萌生于材料表面，因为表面处于平面应力状态，易于变形而形成裂纹12。同时表面经过热处理和机械加工后会产生残余应力，影响裂纹的萌生和扩展。图 8 给出了 HYC1MOD 钢在应力幅为 495 MPa 下试样表面不同位置处的残余应力随疲劳周次的演变曲线。经热处理和机加工后，试样表面的初始应力均为残余压应力，随循环周次的进行变化趋势不明显，数值稳定在 400 325 MPa(负号表示压应力)。残余压应力能够提高材料的疲劳抗力，阻碍裂纹的萌生和扩展12。直至试样断裂，压杆正对着的 0 点处表面的残余压应力骤然释放，减小至 100 MPa，表明裂纹在此时产生并快速扩展，导致疲劳断裂失效，与HYC1MOD 钢的脆性断裂模式保持一致。而 1 点处由于裂纹没有在此处萌生，故残余应力一直到试样断裂失效仍然保持较高的残余压应力。图 8残余应力随循环周次的演变曲线Fig 8Evolution curve of residual stress with number of cycle3结论(1)新型冷作模具钢热处理组织主要为回火马氏体和碳化物，具有高的回火硬度。其三点弯曲疲劳极限为 393 75 MPa，疲劳寿命和应力幅之间的关系为:a=2 078 22 336 73 lgNf。(2)HYC1MOD 钢的三点弯曲疲劳断裂模式为脆性断裂，疲劳裂纹主要源于次表面的大尺寸碳化物聚集(20 m)，降低了疲劳性能，而组织中较大尺寸的碳化物(10 15 m)可作为疲劳扩展的途径。(3)随疲劳周次的进行，HYC1MOD 钢表面的残余压应力变化平缓，直至断裂前裂纹源处残余压应力才骤然释放，其演变规律表明裂纹从萌生变快速扩展造成试样断裂失效，与脆性断裂模式的表现一致。参考文献 1邓名洋 热作模具钢热处理工艺研究J 河北冶金，2022(6):33 36 2 邱凌，吴晓春 国内外冷作模具钢发展概述J 模具制造，2017，17(11):89 96 3王卓，张剑，尹卫江 Cr12MoV 冷作模具扁钢轧制弯曲原因分析 J 河北冶金，2020(12):72 74 4邱华兴，吴正环，谷历文，等 国内外 DC53 模具钢组织及力学性能对比研究J 锻压技术，2021，46(10):218 224+232(下转第 48 页)12总第 328 期HEBEI METALLUGY图 1管线钢微观组织Fig 1Microstructure of pipeline steel参考文献 1张伟卫，熊庆人，吉玲康，等 我国管线钢生产应用现状及发展展望C 全国轧钢生产技术会议，2010 2姜敏，支玉明，刘卫东，等 我国管线钢的研发现状和发展趋势J 上海金属，2009，31(6):5 7 3岳喜春，范大伟 浅谈管道工程面临的挑战与管线钢的发展趋势J 城镇建设，2020(2):123 125 4程晓，张卫攀，刘红艳 高级别管线钢 X80 冶炼生产实践J 河北冶金，2022(2):41 44 5张超 西气东输工程用针状铁素体钢 X70 的试制J 轧钢，2005，22(4):50 50 6曹妍，闫波，宿成，等 2 250 mm 生产线 L290M/X42M 管线钢多样化设计 J 焊管，2016，39(10):4 6 7黄伟丽，杨志刚，陈四平 管线钢 L415MB 成分设计过程C 中国金属学会、河北省冶金学会、山东省金属学会、中国金属学会、河北省冶金学会、山东省金属学会，2013 8张卫攀，刘红艳，陈子刚，等 低屈强比高韧性 L485M 管线钢关键技术开发J 河北冶金，2020(11):13 15+61 9蔡茗宇，李维娟 3 500 mm 炉卷轧机轧制 5 mm 厚钢板生产实践 J 轧钢，2015，32(001):74 76 10张德丰，陆建生，吕建国，等 X65 管线钢板交替与连续控冷工艺的计算与比较 J 江苏大学学报:自然科学版，2012，33(2):57(上接第 21 页)5牛旭斐，王雪，朱长青，等 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