壓鑄模具鋼熱機(jī)械疲勞行為及損傷機(jī)理研究分析

1、 壓鑄模具鋼熱機(jī)械疲勞行為及損傷機(jī)理研究分析 吳治明Summary：熱龜裂是壓鑄模具在具體應(yīng)用期間最主要的一種失效形式，其通常都是因?yàn)椴牧闲枰惺軝C(jī)械荷載和受熱循環(huán)共同作用而引起疲勞損傷，熱機(jī)械疲勞（TMF）各種疲勞行為中最為復(fù)雜的一項(xiàng)課題。熱機(jī)械疲勞行為及損傷機(jī)理研究長(zhǎng)期以來都存在耗時(shí)長(zhǎng)、難度大、成功率低等多項(xiàng)問題，這也就導(dǎo)致該項(xiàng)內(nèi)容研究落后嚴(yán)重。下面，針對(duì)壓鑄模具鋼熱機(jī)械疲勞行為及損傷機(jī)理研究進(jìn)行全面分析，希望文中內(nèi)容對(duì)相關(guān)工作人員，以及行業(yè)發(fā)展都可以有所幫助。Key：壓鑄模具;損傷機(jī)理;熱鋼機(jī)械疲勞;塑性性能0 引言模具及材料選擇會(huì)對(duì)生產(chǎn)的精密零部件的尺寸、質(zhì)量、性能等各項(xiàng)內(nèi)容造成直接影

2、響，可見，選擇高質(zhì)量的模具和材料是必要的。需要相關(guān)工作人員注意的是，要想依據(jù)不同服役工況，做好鑄模材料選擇，必須正確認(rèn)識(shí)鑄模在不同工況下發(fā)生的具體失效形式和機(jī)理，在此基礎(chǔ)上，做好材料選擇。1 TMF行為材料的TMF行為是相關(guān)工作人員研究的一項(xiàng)重點(diǎn)內(nèi)容，采取應(yīng)力循環(huán)相應(yīng)行體現(xiàn)。開展TMF試驗(yàn)時(shí)，受不同因素因影響，溫度和控制變量都會(huì)發(fā)生變化，從以往的經(jīng)驗(yàn)來看，材料發(fā)生變化時(shí)，力學(xué)性能參數(shù)會(huì)發(fā)生改變，不會(huì)像等溫低周疲勞試驗(yàn)材料在應(yīng)用時(shí)一樣的抗力循環(huán)常數(shù)1。TMF試驗(yàn)開展過程會(huì)受不同因素影響，而溫度的改變是其中最為重要的一項(xiàng)影響因素，溫度的變化會(huì)改變材料彈性模量，也正是因?yàn)槿绱耍琓MF拉應(yīng)力具有明顯的

3、不對(duì)稱性，這也就使低溫半周和高溫半周循環(huán)應(yīng)力值之間存在較為顯著差別，形成天然平均力，在TFM的平均應(yīng)力對(duì)材料壽命拓展和高溫合金裂紋都發(fā)揮著關(guān)鍵作用2。在IP（加載相同）的狀況下，最大拉力與高溫間發(fā)生的具體變化情況都是相對(duì)，拉應(yīng)力會(huì)對(duì)高溫環(huán)境下開展的試驗(yàn)造成直接影響。在OP（加載相反）條件下，各項(xiàng)情況則都是相反的，平均應(yīng)力主要以拉應(yīng)力方式呈現(xiàn)。2 壓鑄模具鋼熱機(jī)械疲勞力學(xué)作用TMF損傷主要是因?yàn)闊嵫h(huán)應(yīng)力和機(jī)械循環(huán)應(yīng)力兩者相互作用而產(chǎn)生的，但是，實(shí)際損傷情況并是兩種不同損傷的簡(jiǎn)單向疊加。下面，針對(duì)H13鋼在應(yīng)變控制基礎(chǔ)上的TMF循環(huán)中發(fā)生的蠕變損傷情況進(jìn)行分析，同時(shí)，還存在氧化損傷和疲勞損傷交互

4、作用，這會(huì)對(duì)壓鑄模具鋼的質(zhì)量和應(yīng)用造成一定影響。IP-TMF期間，拉伸半周過程中，溫度和機(jī)械應(yīng)力都會(huì)變大，蠕變變形也會(huì)發(fā)生明顯變大現(xiàn)象，這會(huì)導(dǎo)致較為嚴(yán)重的不良影響，也就是說，當(dāng)溫度達(dá)到制定數(shù)值后，會(huì)發(fā)生晶界滑移3。需要相關(guān)研究特別注意的是，如果進(jìn)行拉伸半周期間，發(fā)生晶界滑移現(xiàn)象，將會(huì)導(dǎo)致半周被壓縮，難以實(shí)現(xiàn)恢復(fù)，造成這一現(xiàn)象的主要原因是半壓縮半周溫度偏低，而且壓縮蠕變變形相對(duì)較小，在等強(qiáng)度溫度下，材料在應(yīng)用時(shí)發(fā)生，塑變變形集中在晶體內(nèi)部，每個(gè)循環(huán)周次的發(fā)生，都會(huì)導(dǎo)致晶界滑移不可逆，若情況嚴(yán)重，這會(huì)造成晶體在應(yīng)用期間發(fā)生開裂現(xiàn)象，這將會(huì)大幅度降低TMF在應(yīng)用時(shí)的壽命，影響其在應(yīng)用時(shí)的性能4。OP

5、-TMF期間，進(jìn)行壓縮半周，隨著溫度上升，壓縮蠕變變形也會(huì)加重，但是，需要相關(guān)工作人員特別注意的是，壓縮變形通常都不會(huì)引起空洞和晶體開裂情況，因此，這一現(xiàn)象不會(huì)對(duì)TFM壽命造成不良影響。對(duì)于棘輪效應(yīng)（或循環(huán)蠕變）的必要條件時(shí)對(duì)荷載進(jìn)行控制、循環(huán)塑性變形，以及平均壓力，在機(jī)械應(yīng)變控制基礎(chǔ)上，主要呈現(xiàn)出的特征是循環(huán)應(yīng)力松弛，這會(huì)是平均應(yīng)力不斷趨近于零?？梢?，由于蠕變?cè)驎?huì)出現(xiàn)平均應(yīng)力，而隨著時(shí)間的推移，循環(huán)蠕變變形會(huì)導(dǎo)致材料在具體應(yīng)用期間出現(xiàn)蠕變損傷，這會(huì)對(duì)材料性能和應(yīng)用造成不良影響5。循環(huán)蠕變是一項(xiàng)較為復(fù)雜行為，該項(xiàng)行為與機(jī)械在應(yīng)用時(shí)發(fā)生的應(yīng)變、荷載、應(yīng)力等各項(xiàng)內(nèi)容都與材料的性能有著緊密聯(lián)系，即

6、使在平均應(yīng)力下也會(huì)出現(xiàn)循環(huán)蠕變，從現(xiàn)階段人們對(duì)這一內(nèi)容的具體研究情況來看，并沒有一個(gè)相對(duì)明確的響應(yīng)機(jī)制，這也對(duì)該項(xiàng)工作的開展與研究造成不良影響。對(duì)于產(chǎn)生的裂縫來說，只要出現(xiàn)的裂紋保持張開狀態(tài)，在材料表面出現(xiàn)的應(yīng)力集中點(diǎn)就出現(xiàn)在裂紋尖端處，而在壓縮半周期間，產(chǎn)生的應(yīng)力集中會(huì)不斷變小，從具實(shí)際情況來看，一旦出現(xiàn)的裂紋處于閉合狀態(tài)，部分應(yīng)力將會(huì)消失。TMF循環(huán)期間會(huì)出現(xiàn)裂紋，產(chǎn)生的裂紋會(huì)在張開和閉合狀態(tài)之間不斷循環(huán)，從具體情況來看，產(chǎn)生的裂紋長(zhǎng)期都保持張開，受應(yīng)力集中現(xiàn)象影響，會(huì)導(dǎo)致疲勞裂紋不斷萌生，而且裂紋會(huì)不斷拓張。相反，如果壓縮平均應(yīng)力與應(yīng)力或變應(yīng)力發(fā)生疊加，在該狀態(tài)下，應(yīng)力集中一般不會(huì)起到作

7、用6。此外，在TMF循環(huán)期間，對(duì)于問題的分析如果從力學(xué)角度入手，疲勞損傷加重主要體現(xiàn)在以下兩個(gè)方面：循環(huán)軟化會(huì)導(dǎo)致塑性變形不斷加重，這會(huì)對(duì)材料的性能和應(yīng)用造成不良影響。拉伸循環(huán)蠕變會(huì)導(dǎo)致平均應(yīng)變加劇，這可能會(huì)導(dǎo)致應(yīng)用的材料發(fā)生斷裂問題。TMF中熱循環(huán)造成的影響較大，一方面會(huì)引起循環(huán)熱應(yīng)變，另一方面也會(huì)發(fā)生熱變形損傷問題，與此同時(shí)，在采用的材料表面會(huì)出現(xiàn)周圍性氧化問題，氧化現(xiàn)象的發(fā)生會(huì)使材料表面發(fā)生的損傷情況進(jìn)一步加重，因此，采用材料過程中，材料表面會(huì)形成大量尺寸不一裂紋，這將會(huì)縮短材料壽命。3 分析熱機(jī)械疲勞宏觀損傷特點(diǎn)對(duì)經(jīng)過TMF實(shí)驗(yàn)后的H13進(jìn)行觀察可以發(fā)現(xiàn)，在220-610范圍內(nèi)，峰力值

8、降低了約24%，而在410-710范圍內(nèi)，試樣完全斷裂是判斷TMF試驗(yàn)后的試驗(yàn)狀態(tài)，因?yàn)?10-710循環(huán)溫度高于220-610，因此，試樣標(biāo)距內(nèi)會(huì)出現(xiàn)較為嚴(yán)重的表面氧化問題7。在實(shí)際具體問題分析期間，研究人員為了能夠更加精準(zhǔn)的對(duì)H13鋼IP-TMF和OP-TMF的裂紋、氧化情況進(jìn)行觀察，可以通過線切割方式將標(biāo)距內(nèi)試樣部分切下，而且要沿著拉壓軸線縱剖，采用臺(tái)式全自動(dòng)臺(tái)式掃面鏡和超景深顯微鏡對(duì)TMF循環(huán)后的端口外觀、裂紋情況、樣化狀態(tài)進(jìn)行全面觀察，完成相應(yīng)分析。3.1 分析疲勞斷口情況針對(duì)典型的低周疲勞宏觀段端口可以將其劃分為疲勞源區(qū)、斷裂區(qū)、裂紋拓展區(qū)三個(gè)形貌特征不同的區(qū)域，這些區(qū)域分別表示疲

9、勞破壞的不同歷程。TMF疲勞斷口處三個(gè)區(qū)域間界限較為模糊，而且裂紋區(qū)和裂紋萌生區(qū)域都很小，拓展區(qū)占據(jù)了斷面大部分區(qū)域，同時(shí)，隨著變幅的加大，斷裂區(qū)域面積也會(huì)變大8。斷口處呈現(xiàn)了出了不同類型氧化，從整體情況來看，IP-TMF斷口處開拉狀態(tài)的具體氧化情況要重于OP-TMF斷口處氧化狀態(tài)，并且在表面形成了已成氧化膜。在兩種不同加載環(huán)境下，TMF斷口十分粗糙，OP-TMF斷口凹凸情況更加嚴(yán)重，造成這一現(xiàn)象的主要原因是受長(zhǎng)期氧化作用影響，斷口在張開和閉合時(shí)，兩面相互擠壓，受力的作用影響，斷口會(huì)被磨掉。而隨著應(yīng)變幅度的加劇，縮頸情況將會(huì)變得更加顯著。造成該現(xiàn)象的原因是OP-TMF與IP-TMF相比，前者在

10、低溫半周承受拉伸機(jī)械應(yīng)變時(shí)，要想達(dá)到同等機(jī)械應(yīng)變，需要更大拉伸荷載。疲勞斷裂是反映材料在具體應(yīng)用期間的發(fā)生脆性或塑性斷裂的關(guān)鍵區(qū)域，在試驗(yàn)期間，研究人員通過對(duì)斷裂區(qū)域情況進(jìn)行全面觀察可以發(fā)現(xiàn)，不同相位加載狀況下，材料在應(yīng)用期間出現(xiàn)的瞬間失穩(wěn)斷裂的各項(xiàng)情況都十分相似，斷口處會(huì)出現(xiàn)夾雜物和碳化物，同時(shí)，受氧化作用影響，在該區(qū)域內(nèi)也會(huì)產(chǎn)生大量氧化物，這都會(huì)對(duì)材料性能和應(yīng)用造成一定影響。受拉壓機(jī)械應(yīng)變作用影響，材料受力作用的影響，會(huì)發(fā)生塑性變形，并且在該期間會(huì)伴隨著擠出和擠入現(xiàn)象，而在較低機(jī)械應(yīng)變幅下，材料中產(chǎn)生的孔洞或韌窩數(shù)量都較少，主要都是淺平狀，而隨著機(jī)械應(yīng)變幅度加大，孔洞深度會(huì)加大，韌窩數(shù)量會(huì)

11、增多，在高機(jī)械應(yīng)變幅下，在材料上出現(xiàn)了大量的尺寸不一，并且出現(xiàn)了大量的較深的孔洞或韌窩9。這一結(jié)果表明，在高機(jī)械應(yīng)變幅下，材料受到外界因素影響，發(fā)生了較為顯著的塑性變形，同時(shí)，塑性流動(dòng)也會(huì)增加，材料中的硬質(zhì)顆粒是應(yīng)力的主要集中點(diǎn)，會(huì)產(chǎn)生大量更深的空洞或韌窩，而每個(gè)硬質(zhì)顆粒應(yīng)力集中程度會(huì)有所不同，這將會(huì)使孔洞或韌窩在拉壓期間的深淺和大小都不相同。3.2 疲勞裂紋分析氧化開裂是導(dǎo)致H13鋼在應(yīng)用期間出現(xiàn)裂紋的核心原因，疲勞裂紋的形成規(guī)律與機(jī)械應(yīng)變幅度造成的各項(xiàng)影響較為相似，循環(huán)最低溫造成的影響則很小，幾乎可以忽略不計(jì)。但是，在分析疲勞斷口時(shí)，可以發(fā)現(xiàn)試樣內(nèi)部出現(xiàn)了大量的二次裂紋，這些裂紋的出現(xiàn)并不

12、會(huì)受到氧化因素影響?？梢?，相關(guān)人員在實(shí)際作業(yè)開展期間，為了能夠更好的完成對(duì)H13鋼IP-TMF和OP-TMF下各種裂紋形態(tài)的觀察，具體觀察時(shí)要在220-610循環(huán)時(shí)開展，確保觀察結(jié)果的精準(zhǔn)性。此外，在具體觀察期間，可以發(fā)現(xiàn)除存在主裂紋之外，還存有大量長(zhǎng)短不一裂紋，各項(xiàng)不同類型裂紋都出現(xiàn)在標(biāo)距內(nèi)試樣上，出現(xiàn)的裂紋主要分為總裂紋和支裂紋兩種不同形式，兩者在呈現(xiàn)上在規(guī)律上相反。通過對(duì)比IP-TMF下支裂紋與OP-TMF可以發(fā)現(xiàn)，前者裂紋更短，觀察起來難度較大。但是，在IP-TMF下，出現(xiàn)的支裂紋則十分明顯，而且會(huì)擴(kuò)展。經(jīng)過上述分析可以獲取到下列結(jié)論：不同相位加載下的TMF循環(huán)期間，疲勞裂紋出現(xiàn)都是由

13、于多裂紋源萌生造成的，這與斷口現(xiàn)象分析結(jié)果較為相似。在IP-TMF下，主裂紋拓展速度快，而且拓展十分明顯，而其他裂紋發(fā)展速度相對(duì)較為緩慢，主要體現(xiàn)在主裂紋長(zhǎng)，其于裂紋則短。而在OP-TMF下，主裂紋和其它裂紋拓展速度都十分明顯，綜合體現(xiàn)在主裂紋相對(duì)較短，而其它裂紋則較長(zhǎng)的總體情況。4 結(jié)語壓鑄模具鋼熱機(jī)械疲勞行為及損傷機(jī)理研究是一項(xiàng)十分復(fù)雜的工作，該項(xiàng)工作對(duì)專業(yè)知識(shí)的要求較高，相關(guān)人員在實(shí)際問題研究期間，涉及到的內(nèi)容較多，因此，為了更好完成相應(yīng)分析工作，在具體問題分析期間，要從壓鑄模具鋼熱機(jī)械疲勞力學(xué)作用、熱機(jī)械疲勞宏觀損傷特點(diǎn)等方面入手，加強(qiáng)研究。Reference：1李玲，黃蘇起，蔡著文，

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