经过3000次热疲劳试验之后,1·2367、
宝钢H13和3Cr2W8V热疲劳试样表面裂纹照片和截面
裂纹深度照片。从照片中可以看出,1·2367钢热疲劳后,表面裂纹十分均匀、细小,在表面上没有看到比较大的主裂纹的形成,其热疲劳性能较好。3Cr2W8V的表面裂纹成网状,且裂纹在三个钢中是最深的,其中存在几条宽度较大的主裂纹,裂纹之间相互贯通,热疲劳抗力差。图1(b)是H13钢经过冷热循环之后的表面裂纹照片,相比于1·2367,表面裂纹较少,但仍存在几个较宽的裂纹,一些较长裂纹几乎贯穿整个视场。
3Cr2W8V的损伤因子明显高出H13钢及1·2367,在三个钢中,1·2367的热疲劳损伤因子是最小的,相比于H13钢和3Cr2W8V,分别减小了约20·4%和28·6%,这说明1·2367的热疲劳性能是三个钢中最好的,这与从观察表面裂纹与截面裂纹得出的结论一致。
硬度梯度对比
试样经过不断地冷热循环,硬度逐渐下降,当硬度下降较低时,因承受不住热应力而开裂并扩展[6]。将试样剖开并进行显微硬度梯度测试,如图3所示,试样的截面硬度值从心部到表面逐渐降低,越接近表面处,硬度值越低,这说明表面的软化情况已经十分严重。1·2367的软化情况在三个钢中是最好的,从表面到心部硬度值一直是三个钢中最高的,经过3000次热疲劳后,H13钢的硬度下降最快,表面处的硬度值降至了320HV左右,导致了它的热疲劳抗力较低。3Cr2W8V的硬度虽然比H13高,但是其冲 三个材料3000次热疲劳实验后的硬度梯度
Fig·3 Hardness gradient on section of testingmaterials after 3000 cycles击韧性要比H13钢低,这使得由于热疲劳产生的应力不易释放,从而加速裂纹的扩展,降低热疲劳性能。
疲劳裂纹产生与扩展分析
热疲劳循环最高温度为700℃,而试样的回火温度低于热疲劳最高温度,那么在整个热疲劳循环过程中,试样相当于处在不断回火的状态中,随着冷热循环的进行,马氏体发生分解,基体中析出的细小碳化物长成较大的碳化物,使基体硬度急剧下降。
随着热疲劳循环的进行,材料的硬度不断降低,当其内应力累积到一定值时,就会在材料内部薄弱处产生细小的裂纹。经研究表明[3,11],材料的强度越高,其寿命会越长,因为高强度模具在使用过程中疲劳裂纹不容易萌生,还有学者认为,回火稳定性越高,材料的热疲劳抗力越好,其实应该说材料的强度与回火稳定性对材料的热疲劳性能都有贡献。
通过热疲劳试样的硬度梯度可以发现,1·2367
的硬度值高于H13钢和3Cr2W8V,这说明前者具有良好的热稳定性,能够较好地抵抗裂纹的扩展。模具型腔表面存在很大的温度梯度和冷热交替的温度变化,急冷急热必然会产生较大的热应力。当工作周期变化时,这种热应力也在反复变化,当应力超过了材料的屈服强度时,模具表面就会萌生裂纹。利用Gleeble-3500热模拟试验机测试材料在高温下抗压性能,检测抗压强度,如图4所示。实验表明,1·2367的抗压强度明显高于3Cr2W8V,高的抗压强度有效地提高了1·2367抵抗裂纹萌生的能力。与此同时,1·2367在进行冲击试验时,由坯料心部
到边部的3个横向冲击试样冲击功均大于300J ,优异的冲击韧性有利于材料在热疲劳裂纹产生后,更好地释放材料的内应力,延缓裂纹的扩展,提高材料的热疲劳性能。