SDYZ热作模具钢的热机械疲劳行为

董晨辉 ,吴博雅 ,吴晓春,2

(1.上海大学材料科学与工程学院,省部共建高品质特殊钢冶金与制备国家重点实验室,上海 200444;2.上大鑫仑材料科技(广东)有限公司,肇庆 526105)

0 引言

在压铸模具的使用过程中,其内腔表面常承受剧烈的温度变化。当表层受热急速膨胀时,受到低温次表面的约束,会产生压缩应力和应变;当表层冷却快速收缩时,受到温度较高的次表层约束,会产生拉伸应力和应变。除了承受由温度变化引起的应力之外,压铸模具还经常承受机械载荷的循环作用。在温度和机械载荷的共同循环作用下,压铸模会产生热机械疲劳,产生软化并萌生裂纹,最终发生失效[1]。

热机械疲劳行为是所有疲劳行为中最复杂的,受到温度、载荷、氧化蠕变和其他因素的影响,可通过模拟压铸模实际使用工况的热机械疲劳试验进行研究。目前,国外对热机械疲劳行为的研究较多[2-5],但是我国的研究相对较少。方健儒等[6]对铬镍钼铸造热作模具钢的热机械疲劳行为进行了研究,但因当时试验条件限制,所采用的应力控制与实际情况有不同之处;左鹏鹏等[7]采用应变控制方法研究了H13钢在不同温度循环和应变下的热机械疲劳行为。

为适应目前大型压铸件的生产,上海大学模具钢团队开发出一种高淬透性材料——SDYZ(4Cr5Mo2VNi)热作模具钢,该钢具有较好的综合性能,可避免制成的大型压铸模具在热处理过程中发生碳化物沿晶析出,已在各类大截面汽车压铸件领域得到了广泛应用,在一体化压铸模具领域具有极为良好的应用前景[8]。目前,有关SDYZ钢的研究主要集中在抗热损伤性能、热疲劳性能、热稳定性能等方面[8],而对其热机械疲劳性能的研究很少。为此,作者通过拉-压对称的应变控制模式,在相同温度循环和不同应变幅下对SDYZ钢进行热机械疲劳试验,研究了不同应变幅下的应力-应变滞后回线、循环应力响应曲线以及显微组织变化,分析了其热机械疲劳行为,以期为新材料的服役性能评估提供理论依据。

1 试样制备与试验方法

试验材料为国内某钢厂生产的球化退火态SDYZ钢,化学成分如表1所示,尺寸为30 mm×250 mm×350 mm。采用WZC-45型真空油淬火炉对试验钢进行淬火处理,淬火温度为1 030 ℃,冷却方式为油冷。使用Leco R-260型洛氏硬度计测得淬火态试验钢的硬度为53～55 HRC。采用S2-5-12型回火炉在600 ℃下回火2次,每次回火保温时间均为2 h,冷却方式为空冷。回火后试验钢的硬度为46～48 HRC。退火及淬回火态的显微组织如图1所示,分别为球状珠光体和马氏体。

表1 SDYZ钢的化学成分Table 1 Chemical composition of SDYZ steel

按照ASTM E2368-10,将淬回火态的试验钢加工成如图2所示的疲劳试样,标距尺寸为ϕ6 mm×36 mm,为消除车削加工对试验结果的影响,对试样进行研磨和机械抛光。使用Landmark 370.10型热机械疲劳液压伺服试验机进行热机械疲劳试验。由FlexTest40型计算机辅助主控制系统控制测试过程,并实时监测和反馈温度。试样的标距部分由固态中频发射器加热,温度由点焊K 型热电偶控制,控制精度为±3 ℃。机械应变由高温陶瓷拉伸仪控制,应变幅精度可控制在2%以内。试验后,使用压缩空气对试样标距部分进行冷却。为与压铸模具服役温度保持一致,将热机械应变循环温度选择为200～600 ℃。由于压铸模具可能承受各种方向的力,并且有不同的温度范围,因此,在热机械疲劳试验中,应变幅与温度之间的相位不同。为了便于研究,选择符合实际使用情况的相位角-反相(即机械应变达到最高值时,温度达到最低值)进行试验。应变幅(Δεm/2)分别取0.7%,0.9%和1.1%,机械应变比Rε=-1。加载波形使用机械应变控制的三角波,周期为200 s。热机械疲劳试验后,采用VHX-600型超景深显微镜观察表面裂纹形貌。用线切割装置沿轴向切断试样的标距部分,取其中半圆柱试样镶嵌,经磨抛处理,用体积分数4%硝酸乙醇溶液腐蚀,烘干后使用Nikon MA-100型光学显微镜(OM)和Zeiss Supra-40 型扫描电子显微镜(SEM)观察疲劳试样的显微组织。用线切割方法在标距部分的最大截面处切取厚度约300 μm 的试样,打磨至厚度50 μm,利用特定的冲孔器冲出直径为3 mm 的圆片,然后使用MTP-1A 型电解双喷仪减薄,电解液为质量分数10%高氯酸乙醇溶液,采用JEOL-2100F 型透射电子显微镜(TEM)观察微观形貌。

图2 疲劳试样的形状及尺寸Fig.2 Shape and dimension of fatigue specimen

2 试验结果与讨论

2.1 应力-应变滞后回线

由图3可见:不同应变幅下SDYZ钢在整个循环过程中的应力-应变滞后回线不是完全关于原点对称的。随着循环次数的增加(图中箭头所指方向为增加方向),压应力减小,曲线的总体斜率降低;在同一应变幅下,滞后回线高温半周期的压缩应力小于低温半周期的拉应力,这是SDYZ钢在高温下软化所致;在交变热力耦合作用下,应变幅越大,拉应力峰值越高;拉应力峰值随着循环次数增加缓慢降低,压应力峰值缓慢增大,直至试样失效。应力-应变滞后回线包围的面积反映了材料在非弹性变形过程中的能量损失和软化度:面积越大,能量损失越大,损伤越严重。随着应变幅的增加,SDYZ钢的滞后回线包围的面积增大,说明其损伤越来越严重[9-11]。

图3 不同应变幅下SDYZ钢的热机械疲劳应力-应变滞后回线Fig.3 Thermal-mechanical fatigue stress-strain hysteresis loops of SDYZ steel under different strain amplitudes

2.2 循环应力响应行为

由图4可见,随着循环过程的进行,SDYZ钢疲劳试样的拉应力和压应力均降低,说明该钢在循环过程中不断软化,拉应力曲线和压应力曲线的斜率(降低速率)相当,表明在拉伸和压缩过程中的软化速率相似。结合文献[12]可知,SDYZ钢的疲劳循环软化可分为3个阶段:(1)不稳定阶段,由于材料突然受到温度循环和机械载荷的共同作用,材料变形与循环作用的同步需要时间适应,因此循环应力响应曲线在循环初期存在不稳定性;(2)持续软化阶段,该阶段占整个循环过程的大部分,此时软化速率较大,应力逐渐降低,这与高温和载荷影响下的材料软化有关[8];(3)失效阶段,软化速率明显增加,应力迅速降低。对比发现,随着应变幅的增大,疲劳寿命缩短。

图4 不同应变幅下SDYZ钢的循环应力响应曲线Fig.4 Cyclic stress response curves of SDYZ steel under different strain amplitudes

2.3 疲劳裂纹形貌和显微组织

由图5可以看出,试样标距部分的表面裂纹垂直于加载方向,应变幅越大,裂纹的宽度和长度越大。因此,应变幅的大小直接影响着热机械疲劳裂纹的扩展,在高应变幅作用下,试样表面损伤更严重。

由图6可知,热机械疲劳试验后试样的显微组织仍主要由马氏体和碳化物组成,但是在温度和机械载荷的循环作用下,晶界变得模糊或者消失,组织变得粗大。随着应变幅的减小,试样失效时的循环次数增加,马氏体受到循环作用的时间变长,马氏体板条形貌变得更加模糊,且马氏体板条边界析出的碳化物更粗大。应变幅为0.7%时的碳化物粗化最严重,这是因为循环时间越长,碳化物的析出长大动力越大。由图7可知,随着应变幅的减小,马氏体板条受高温作用时间变长,板条宽度变大。热机械疲劳试验后,组织中存在大量的位错缠结,且随着应变幅的增加,位错缠结逐渐消失,试验钢发生软化。这是由于在高应变幅的作用下,试验钢发生较大塑性变形,位错会进行交滑移或攀移而湮灭[8,13-16]。

图7 不同应变幅下热机械疲劳试验后SDYZ钢试样的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 结论

(1) 不同应变幅下SDYZ钢在整个循环过程中的热机械疲劳应力-应变滞后回线不是完全关于原点对称的;应变幅越大,热机械疲劳应力-应变滞后回线包围的面积越大,能量损失越大,试验钢的损伤越严重,疲劳寿命越短。

(2) SDYZ钢的热机械疲劳循环软化过程可分为3个阶段:不稳定阶段,材料变形与循环作用的同步需要少量的周期适应,循环应力响应曲线在循环初期存在不稳定性;持续软化阶段,占整个循环过程的大部分,此时软化速率较大,应力逐渐降低;失效阶段,软化速率明显增加,应力迅速降低。

(3) 随着应变幅的增加,试验钢表面疲劳裂纹的长度和宽度均变大,损伤变严重。热机械疲劳试验后,试验钢显微组织中的马氏体和碳化物明显粗化,且随着应变幅的增大,马氏体和碳化物粗化程度降低,当应变幅为0.7%时,试验钢受温度和机械载荷的持续作用时间最长,马氏体和碳化物粗化现象最严重。随着应变幅的增大,位错缠结程度变小,试验钢软化现象变严重。