变形温度和变形量对Cr12MoV钢裂纹产生的影响

2020-06-06王程明安治国孙晓冉

理化检验(物理分册) 2020年5期

王程明, 安治国, 孙晓冉, 海岩, 任帅

(河钢集团钢研总院，石家庄 050000)

Cr12MoV钢是一种冷作模具钢[1-2]，因具有较好的强韧性、耐磨性和淬透性，被广泛用于结构复杂、工况繁重的各种冷冲模具和工具的制造中。Cr12MoV钢含有钼、钒元素,这使其热加工性能、冲击韧度和碳化物分布情况均较好。影响钢材性能的因素有多种，如热处理工艺、应力集中以及夹杂物析出等[3-4]。Cr12MoV钢中存在大量网状碳化物，这对其性能造成很大的影响，尤其降低了塑韧性。学者们对此提出了多种解决措施[5-10]，如通过改进热处理工艺和锻造轧制工艺、添加微合金元素等来减少碳化物析出、均匀碳化物分布等，进而改善Cr12MoV钢的性能。裂纹是Cr12MoV钢生产中常见的缺陷之一。导致裂纹产生的原因有很多，既有变形温度、应变速率和应力状态等外部因素，也有材料组织缺陷，如偏析、夹杂以及第二相析出等内部因素。钢中一般先形成微观裂纹，微观裂纹进一步扩展为宏观裂纹，宏观裂纹继续扩展造成材料断裂。应变诱导裂纹扩展(SICO,Strain Induced Crack Opening)试验[11-12]是一种重要的材料性能检测方法，可以用来研究不同变形温度和变形量下材料表面裂纹的生成情况，以评价不同轧制工艺、锻造工艺等对热裂纹形成的影响。试验通过加热使试样形成一个轴向温度梯度，夹具之间的试样中间部位温度最高，两侧温度稍低。形变时，对试样沿轴向施加压力，由于温度梯度导致试样轴向强度变化，非一致形变会使试样向外鼓肚成环状，环状部分的外表面产生拉应力，引起试样表面开裂。笔者对Cr12MoV模具钢进行了SICO试验，通过找出不同变形温度和变形量下裂纹出现的临界点，从而得到较理想的可加工工艺范围，以期为实际生产提供参考。

1 试样制备与试验方法

试验材料为Cr12MoV模具钢，尺寸为φ10 mm×86 mm。

将试样安装在夹具中,除去夹具两端夹持部分，试样剩余的自由长度与直径的比值应不大于4，以防试样在压缩时与夹具粘连。当试样长径比超过4∶1时，常会出现不同柔度的失稳现象，导致试验失败[13]。采用Gleeble3800型热模拟试验机将试样以10 ℃·s-1的速率升到不同的温度(900，1 000，1 100，1 150，1 200 ℃)，保温3 min后，以5 %·s-1的速率对试样进行一定变形量(10%～80%)的压缩。采用Stemi2000-C型体视显微镜观察试样被镦粗鼓肚部分表面是否出现微裂纹。在试样裂纹附近取样，试样经研磨、抛光后，采用体积分数为4%的硝酸酒精溶液浸蚀后，采用Observer A1m型倒置显微镜观察裂纹附近的显微组织形貌。采用EPMA-1200型电子探针对试样进行碳、铬、钼、钒元素的面扫描分析。

2 试验结果与分析

2.1 不同变形温度对表面热裂纹的影响

由图1可以看出，当试样变形量为65%，温度为900～1 200 ℃时的试样表面均存在长度和深浅程度不同的裂纹；当温度为900 ℃时，试样发生开裂，且周围还有部分尺寸较大的裂纹，裂纹长度达到2～2.8 mm，此时材料的塑性较差；当温度为1 000 ℃时，试样表面裂纹较多，长度不等，大部分在0.5 mm左右，最大长度达到1.5 mm，最小长度只有0.1～0.2 mm；当温度为1 100 ℃和1 150 ℃时，试样表面均刚出现裂纹，只有1～2条，且深度较浅，长度较短，最长只有0.4 mm，因此可将65%变形量作为裂纹产生的起始变形量；当温度为1 200 ℃时，试样发生开裂，说明在此温度下试样已不能承受65%的变形量。在温度为1 200 ℃时不同试样变形量的试验中发现，当试样的变形量为18%时，试样表面就开始出现细小裂纹，所以在实际生产中应避免在这个范围内进行加工。

图1 在不同温度下变形量为65%时试样的表面裂纹形貌Fig.1 Surface cracks morphology of specimens at different temperatures with 65% deformation

2.2 不同变形量对表面热裂纹的影响

由图2也可以看出，当温度为1 150 ℃，变形量增加到65%时,试样表面刚出现裂纹,此变形量为1 150 ℃下试样的临界变形量。随着试样变形量的再增加，试样表面的裂纹数量增多，裂纹尺寸较均匀。当变形量为70%和75%时，试样表面分别出现5，7条微裂纹，且裂纹长度均较短，为0.3～0.5 mm；当变形量为80%时，试样表面裂纹数量明显增多，裂纹数量达到12条，但长度没有明显增大，仍小于1 mm。

在其他温度下对试样进行不同变形量的试验时发现，不同温度下均存在一个临界变形量，超出该临界变形量后，试样开始出现裂纹。当温度为900，1 000，1 100，1 150，1 200 ℃时，试样的临界变形量分别为58%，60%，65%，65%和18%，由此可见当温度为1 100 ℃和1 150 ℃时，材料的塑性较好。但在80%的变形量下，当温度为1 100 ℃时试样已经开裂，而当温度为1 150 ℃时试样未开裂，所以1 150 ℃比1 100 ℃更适合进行材料的锻造加工。

图2 温度为1 150 ℃时在不同变形量下试样的表面裂纹形貌Fig.2 Surface cracks morphology of specimens at 1 150 ℃ under different deformation

2.3 显微组织分析

由图3可以看出，当温度为900，1 000，1 100，1 150，1 200 ℃时，试样上裂纹附近的显微组织均为铁素体和珠光体，且晶界处均存在不同程度的网状碳化物。由图3a)和图3b)可以看出，当在900，1 000 ℃下变形时，试样中网状碳化物析出的数量较多且分布不均匀，这些网状碳化物的存在削弱了金属间的结合力，形成薄弱的脆性区，大幅降低了材料的塑韧性，导致试样在一定变形量下出现裂纹甚至开裂。由图3c)和图3d)可以看出，当在1 100，1 150 ℃下变形时，试样中的网状碳化物的析出数量明显减少且呈破碎状，分布也较均匀，这是因为随着温度的升高，部分碳化物溶解，材料塑性提高，所以当变形量相同时，该温度下的试样几乎没有裂纹产生；由图3e) 可以看出，当在1 200 ℃下变形时，由于温度过高，试样出现过热现象，使试样中碳化物分布不均匀，出现大块碳化物聚集的现象，造成应力集中，这严重降低了材料的塑韧性，导致试样出现开裂现象。

图3 在不同温度下变形量为65%时试样的显微组织形貌Fig.3 Microstructure morphology of specimens at different temperatures with 65% deformation

由图4可以看出，温度为1 100 ℃，变形量为65%时，碳、铬、钼和钒元素均沿网状聚集分布，其中，钼元素在网状范围内出现了部分聚集的现象；根据颜色指示条可知，试样中铬含量最高，颜色指数为680～815；碳含量稍低于铬含量，颜色指数约为511；钼和钒含量较少，钒元素颜色指数为122～147，钼元素颜色指数为12～15，只有很小一部分区域颜色指数为31～35。综上可见，网状碳化物主要为铬的碳化物，其余为少量的钼和钒的碳化物，若能有效控制该碳化物的尺寸和分布等，则既能阻止晶粒长大，也能提高钢的耐磨性，而该碳化物一旦出现聚集长大、分布不均的现象，就会大幅降低材料的力学性能，尤其会使材料脆性增加，导致材料更易开裂。

图4 温度为1 100 ℃下变形量为65%时试样的面扫描结果Fig.4 Surface scan results of specimen at 1 100 ℃ and 65% deformation

2.4 热塑性图分析

评定材料的可加工性还可以采用热拉伸的方法，具体工艺为：将尺寸为φ10 mm×121 mm的Cr12MoV钢圆棒试样以10 ℃·s-1的速率升温到1 200 ℃并保温5 min，再以10 ℃·s-1的速率分别降温到900，1 000，1 100，1 150和1 200 ℃后以5%·s-1的速率进行拉伸至试样断裂，计算得到试样在各温度下的断面收缩率。所得试验结果分别为17%，26%，40%，49%和5%。

通过多次重复进行SICO试验可得到试样在900，1 000，1 100，1 150，1 200 ℃下的临界变形量分别为58%，60%，65%，65%和18%。通常选取出现第一条裂纹的临界应变量作为裂纹开始的判据(这也可表明材料可加工性的优劣)，裂纹开始的临界应变量可表示为[14-15]

(1)

式中：εc为试样出现第一条裂纹的临界应变量；D1为试样压缩后出现裂纹时的直径；D0为试样的原始直径。

由式(1)可以看出，临界应变量越大，材料对裂纹的敏感性越低，即在大的变形量下才会产生裂纹，材料的可加工性也就越好。然后测量出临界变形量所对应的镦粗直径(试样压缩后出现裂纹时的直径)，根据式(1)可计算出试样在900，1 000，1 100，1 150，1 200 ℃下的临界应变量分别为0.46，0.49，0.59，0.63，0.24。

图5为试样的断面收缩率和临界应变量随温度的变化曲线，该曲线即为Cr12MoV模具钢的热塑性图。由图5可以看出，试样通过SICO试验得到的临界应变量和热拉伸试验得到的断面收缩率随温度的升高均呈现先增加后降低的趋势，两者得到的最优加工温度范围一致，均为1 100～1 150 ℃，当温度为1 150 ℃时，两者热塑性均达到最大值，而后急速下降。