压铸模具钢热机械疲劳行为及损伤机理研究分析

吴治明

摘要：热龟裂是压铸模具在具体应用期间最主要的一种失效形式，其通常都是因为材料需要承受机械荷载和受热循环共同作用而引起疲劳损伤，热机械疲劳（TMF）各种疲劳行为中最为复杂的一项课题。热机械疲劳行为及损伤机理研究长期以来都存在耗时长、难度大、成功率低等多项问题，这也就导致该项内容研究落后严重。下面，针对压铸模具钢热机械疲劳行为及损伤机理研究进行全面分析，希望文中内容对相关工作人员，以及行业发展都可以有所帮助。

关键词：压铸模具;损伤机理;热钢机械疲劳;塑性性能

0  引言

模具及材料选择会对生产的精密零部件的尺寸、质量、性能等各项内容造成直接影响，可见，选择高质量的模具和材料是必要的。需要相关工作人员注意的是，要想依据不同服役工况，做好铸模材料选择，必须正确认识铸模在不同工况下发生的具体失效形式和机理，在此基础上，做好材料选择。

1  TMF行为

材料的TMF行为是相关工作人员研究的一项重点内容，采取应力循环相应行体现。开展TMF试验时，受不同因素因影响，温度和控制变量都会发生变化，从以往的经验来看，材料发生变化时，力学性能参数会发生改变，不会像等温低周疲劳试验材料在应用时一样的抗力循环常数[1]。TMF试验开展过程会受不同因素影响，而温度的改变是其中最为重要的一项影响因素，温度的变化会改变材料弹性模量，也正是因为如此，TMF拉应力具有明显的不对称性，这也就使低温半周和高温半周循环应力值之间存在较为显著差别，形成天然平均力，在TFM的平均應力对材料寿命拓展和高温合金裂纹都发挥着关键作用[2]。在IP（加载相同）的状况下，最大拉力与高温间发生的具体变化情况都是相对，拉应力会对高温环境下开展的试验造成直接影响。在OP（加载相反）条件下，各项情况则都是相反的，平均应力主要以拉应力方式呈现。

2  压铸模具钢热机械疲劳力学作用

TMF损伤主要是因为热循环应力和机械循环应力两者相互作用而产生的，但是，实际损伤情况并是两种不同损伤的简单向叠加。下面，针对H13钢在应变控制基础上的TMF循环中发生的蠕变损伤情况进行分析，同时，还存在氧化损伤和疲劳损伤交互作用，这会对压铸模具钢的质量和应用造成一定影响。IP-TMF期间，拉伸半周过程中，温度和机械应力都会变大，蠕变变形也会发生明显变大现象，这会导致较为严重的不良影响，也就是说，当温度达到制定数值后，会发生晶界滑移[3]。需要相关研究特别注意的是，如果进行拉伸半周期间，发生晶界滑移现象，将会导致半周被压缩，难以实现恢复，造成这一现象的主要原因是半压缩半周温度偏低，而且压缩蠕变变形相对较小，在等强度温度下，材料在应用时发生，塑变变形集中在晶体内部，每个循环周次的发生，都会导致晶界滑移不可逆，若情况严重，这会造成晶体在应用期间发生开裂现象，这将会大幅度降低TMF在应用时的寿命，影响其在应用时的性能[4]。

OP-TMF期间，进行压缩半周，随着温度上升，压缩蠕变变形也会加重，但是，需要相关工作人员特别注意的是，压缩变形通常都不会引起空洞和晶体开裂情况，因此，这一现象不会对TFM寿命造成不良影响。

对于棘轮效应（或循环蠕变）的必要条件时对荷载进行控制、循环塑性变形，以及平均压力，在机械应变控制基础上，主要呈现出的特征是循环应力松弛，这会是平均应力不断趋近于零。可见，由于蠕变原因会出现平均应力，而随着时间的推移，循环蠕变变形会导致材料在具体应用期间出现蠕变损伤，这会对材料性能和应用造成不良影响[5]。循环蠕变是一项较为复杂行为，该项行为与机械在应用时发生的应变、荷载、应力等各项内容都与材料的性能有着紧密联系，即使在平均应力下也会出现循环蠕变，从现阶段人们对这一内容的具体研究情况来看，并没有一个相对明确的响应机制，这也对该项工作的开展与研究造成不良影响。

对于产生的裂缝来说，只要出现的裂纹保持张开状态，在材料表面出现的应力集中点就出现在裂纹尖端处，而在压缩半周期间，产生的应力集中会不断变小，从具实际情况来看，一旦出现的裂纹处于闭合状态，部分应力将会消失。

TMF循环期间会出现裂纹，产生的裂纹会在张开和闭合状态之间不断循环，从具体情况来看，产生的裂纹长期都保持张开，受应力集中现象影响，会导致疲劳裂纹不断萌生，而且裂纹会不断拓张。相反，如果压缩平均应力与应力或变应力发生叠加，在该状态下，应力集中一般不会起到作用[6]。此外，在TMF循环期间，对于问题的分析如果从力学角度入手，疲劳损伤加重主要体现在以下两个方面：①循环软化会导致塑性变形不断加重，这会对材料的性能和应用造成不良影响。②拉伸循环蠕变会导致平均应变加剧，这可能会导致应用的材料发生断裂问题。TMF中热循环造成的影响较大，一方面会引起循环热应变，另一方面也会发生热变形损伤问题，与此同时，在采用的材料表面会出现周围性氧化问题，氧化现象的发生会使材料表面发生的损伤情况进一步加重，因此，采用材料过程中，材料表面会形成大量尺寸不一裂纹，这将会缩短材料寿命。

3  分析热机械疲劳宏观损伤特点

对经过TMF实验后的H13进行观察可以发现，在220-610℃范围内，峰力值降低了约24%，而在410-710℃范围内，试样完全断裂是判断TMF试验后的试验状态，因为410-710℃循环温度高于220-610℃，因此，试样标距内会出现较为严重的表面氧化问题[7]。在实际具体问题分析期间，研究人员为了能够更加精准的对H13钢IP-TMF和OP-TMF的裂纹、氧化情况进行观察，可以通过线切割方式将标距内试样部分切下，而且要沿着拉压轴线纵剖，采用台式全自动台式扫面镜和超景深显微镜对TMF循环后的端口外观、裂纹情况、样化状态进行全面观察，完成相应分析。

3.1 分析疲劳断口情况

针对典型的低周疲劳宏观段端口可以将其划分为疲劳源区、断裂区、裂纹拓展区三个形貌特征不同的区域，这些区域分别表示疲劳破坏的不同历程。TMF疲劳断口处三个区域间界限较为模糊，而且裂纹区和裂纹萌生区域都很小，拓展区占据了断面大部分区域，同时，随着变幅的加大，断裂区域面积也会变大[8]。断口处呈现了出了不同类型氧化，从整体情况来看，IP-TMF断口处开拉状态的具体氧化情况要重于OP-TMF断口处氧化状态，并且在表面形成了已成氧化膜。在两种不同加载环境下，TMF断口十分粗糙，OP-TMF断口凹凸情况更加严重，造成这一现象的主要原因是受长期氧化作用影响，断口在张开和闭合时，两面相互挤压，受力的作用影响，断口会被磨掉。而随着应变幅度的加剧，缩颈情况将会变得更加显著。造成该现象的原因是OP-TMF与IP-TMF相比，前者在低温半周承受拉伸机械应变时，要想达到同等机械应变，需要更大拉伸荷载。

疲劳断裂是反映材料在具体应用期间的发生脆性或塑性断裂的关键区域，在试验期间，研究人员通过对断裂区域情况进行全面观察可以发现，不同相位加载状况下，材料在应用期间出现的瞬间失稳断裂的各项情况都十分相似，断口处会出现夹杂物和碳化物，同时，受氧化作用影响，在该区域内也会产生大量氧化物，這都会对材料性能和应用造成一定影响。受拉压机械应变作用影响，材料受力作用的影响，会发生塑性变形，并且在该期间会伴随着挤出和挤入现象，而在较低机械应变幅下，材料中产生的孔洞或韧窝数量都较少，主要都是浅平状，而随着机械应变幅度加大，孔洞深度会加大，韧窝数量会增多，在高机械应变幅下，在材料上出现了大量的尺寸不一，并且出现了大量的较深的孔洞或韧窝[9]。这一结果表明，在高机械应变幅下，材料受到外界因素影响，发生了较为显著的塑性变形，同时，塑性流动也会增加，材料中的硬质颗粒是应力的主要集中点，会产生大量更深的空洞或韧窝，而每个硬质颗粒应力集中程度会有所不同，这将会使孔洞或韧窝在拉压期间的深浅和大小都不相同。

3.2 疲劳裂纹分析

氧化开裂是导致H13钢在应用期间出现裂纹的核心原因，疲劳裂纹的形成规律与机械应变幅度造成的各项影响较为相似，循环最低温造成的影响则很小，几乎可以忽略不计。但是，在分析疲劳断口时，可以发现试样內部出现了大量的二次裂纹，这些裂纹的出现并不会受到氧化因素影响。可见，相关人员在实际作业开展期间，为了能够更好的完成对H13钢IP-TMF和OP-TMF下各种裂纹形态的观察，具体观察时要在220-610℃循环时开展，确保观察结果的精准性。此外，在具体观察期间，可以发现除存在主裂纹之外，还存有大量长短不一裂纹，各项不同类型裂纹都出现在标距内试样上，出现的裂纹主要分为总裂纹和支裂纹两种不同形式，两者在呈现上在规律上相反。通过对比IP-TMF下支裂纹与OP-TMF可以发现，前者裂纹更短，观察起来难度较大。但是，在IP-TMF下，出现的支裂纹则十分明显，而且会扩展。经过上述分析可以获取到下列结论：不同相位加载下的TMF循环期间，疲劳裂纹出现都是由于多裂纹源萌生造成的，这与断口现象分析结果较为相似。在IP-TMF下，主裂纹拓展速度快，而且拓展十分明显，而其他裂纹发展速度相对较为缓慢，主要体现在主裂纹长，其于裂纹则短。而在OP-TMF下，主裂纹和其它裂纹拓展速度都十分明显，综合体现在主裂纹相对较短，而其它裂纹则较长的总体情况。

4  结语

压铸模具钢热机械疲劳行为及损伤机理研究是一项十分复杂的工作，该项工作对专业知识的要求较高，相关人员在实际问题研究期间，涉及到的内容较多，因此，为了更好完成相应分析工作，在具体问题分析期间，要从压铸模具钢热机械疲劳力学作用、热机械疲劳宏观损伤特点等方面入手，加强研究。

参考文献：

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[2]汝亚彬.高品质压铸模具钢DT433组织与性能的研究[J].模具制造，2020，20（08）：85-87.

[3]李玲，蔡著文，黄苏起，吴晓春.预处理工艺对Cr3型压铸模具钢组织性能的影响[J].模具工业，2019，45（12）：47-51.

[4]林鹏，孙立国，马党参，周健，迟宏宵.压铸模具钢4Cr5Mo2V的组织和碳化物的高温行为[J].钢铁研究学报，2019，31（08）：762-769.

[5]宋纬，姚起宏.钛锶复合添加对汽车零部件压铸用模具钢性能的影响[J].钢铁钒钛，2019，40（03）：65-69.

[6]左鹏鹏，黎军顽，蒋波，施渊吉，吴晓春.压铸模具钢大模块固溶冷却过程的多物理场耦合数值研究[J].材料导报，2017，31（S2）：458-464.

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[8]李继强，胡树兵，史华亮，贾志欣.激光熔凝处理对压铸模具钢热疲劳性能的影响[J].华中科技大学学报（自然科学版），2015，43（12）：56-59.

[9]王志胜，陈祥，李言祥，张华伟，刘源.B对铜合金压铸热作模具钢高温力学及热疲劳性能的影响[J].金属学报，2015，51（05）：519-526.