热作模具钢的抗热疲劳性能及断裂韧性对热作模具寿命的影响

    热疲劳抗力表征了材料热疲劳裂纹萌生前的工作寿命和萌生后的扩展速率。热疲劳抗力通常以20~750℃条件下反复加热冷却时，所发生裂纹的循环次数或当循环一定次数后测定裂纹长度来确定。影响抗热疲劳能力的因素主要有：模具钢的执导率、线（膨）胀系数、屈服强度、抗高温氧化能力、硬度、冶金质量、合金元素以及热处理工艺等。抗热疲劳性能比较好的热作模具钢有：GR(4Cr3Mo3W4VNb)、HM1(3Cr3Mo3W2V)、HM3(3Cr3Mo3VNb)、Y4(4Cr3Mo2MnVNbB)、Y10(4Cr5Mo2MnVSi)、HD(4Cr3Mo2NiVNb)、H11(4Cr5MoSiV)、H13(4Cr5MoSiV1)、4Cr5W2VSi、ER8(4Cr3Mo2MnVB)、H21(3Cr2W8V)、TM(4Cr3Mo2WVMn)、CG2(6Cr4Mo3Ni2WV)、012Al(5Cr4Mo3SiMnVAl)、Dievar、ORVAR Supreme、Qro90 Supreme、DH31-S、DH31-EX、D.Casking等。
    热疲劳抗力高的合金模具钢不易发生热疲劳裂纹，或当裂纹萌生后，扩展量小、扩展缓慢。抗热疲劳性能反映合金模具钢在热疲劳裂纹萌生之前的工作寿命，抗热疲劳性能高的合金模具钢，萌生热疲劳裂纹的热循环次数较多；机械疲劳裂纹扩展速率反映材料在热疲劳裂纹萌生之后，在锻压力的作用下裂纹向内部扩展时，每一应力循环的扩展量。
    断裂韧性则表征了裂纹失稳扩展抗力，断裂韧性高，则裂纹不易发生失稳扩展。断裂韧性反映材料对已存在的裂纹发生失稳扩展的抗力。断裂韧性高的合金模具钢，其裂纹如要发生失稳扩展，必须在裂纹尖端具有足够高的应力强度因子，也就是必须有较大的裂纹长度。在应力恒定的前提下，在一种模具中已经存在一条疲劳裂纹，如果合金模具钢的断裂韧性值较高，则裂纹必须扩展得更深，才能发生失稳扩展。断裂韧性比较好的热作模具钢有：H10(4Cr3Mo3SiV)、4Cr4WMoSiV、ZDM-2(3Cr3Mo2WVSi)、HD(4Cr3Mo2NiVNb)、18Ni(250)、18Ni(300)、18Ni(350)、CG2(6Cr4Mo3Ni2WV) 、012Al(5Cr4Mo3SiMnVAl)、LM1(6W8Cr4VTi)、LM2(6Cr5Mo3W2VSiTi)等。
    除常规力学性能如冲击韧性、抗压强度、抗弯强度等一次性断裂抗力指标外，小能量多次冲击断裂抗力更符合冷作模具实际使用状态性能，作为合金模具钢的性能指标还包括抗压疲劳强度、接触疲劳强度等。这种疲劳断裂抗力指标是由在一定循环应力下测得的断裂循环总次数，或在一定循次数下导致断裂的载荷来表征的，是否把断裂韧性作为冷作模具钢的一项重要性能指标，尚待研究和探讨。热作模具钢在服役条件下除了承受载荷的周期性变化之外，还受到高温及周期性的急冷急热的作用，因此，评价热作模具钢的断裂抗力应重视材料的热机械疲劳断裂性能。热机械疲劳是一种综合性能的指标，它包括抗热疲劳性能、机械疲劳裂纹扩展速率和断裂韧性三个方面。
    因此，抗热疲劳性能决定了疲劳裂纹萌生前的那部分寿命；而机械疲劳裂纹扩展速率和断裂韧性，可以决定当裂纹萌生后发生亚临界扩展的那部分寿命。热作模具如要获得高的寿命，热作模具钢应具备高的抗热疲劳性能、低的机械疲劳裂纹扩展速率和高的断裂韧性值。抗热疲劳性能的指标既可以用萌生热疲劳裂纹的热循环次数表示，也可以用经过一定的热循环后所出现的疲劳裂纹的条数及平均的深度或长度来衡量。

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资料来源：无锡市瀚超特殊钢有限公司合金模具钢营业部
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