铌微合金化h13钢的热疲劳行为

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1、摘要AISIH13钢是目前应用极为广泛的一类热作模具钢，主要应用于压铸模、热挤压模和热锻模等。热疲劳是这类钢的主要失效形式。本文研究了微量Nb对川3钢热疲劳行为的影响，初步探明了Nb微合金化H13钢的热疲劳裂纹萌生、扩展的主要方式及其热疲劳循环软化的表现形式，并提出相应的热疲劳寿命预测模型；同时对热疲劳过程中多元合金钢的碳化物粗化动力学行为也进行了初步探讨。主要结论如下：1、借助Thermo—calc热力学计算软件和TEM&EDS等手段，研究了微量铌对H13钢的显微组织结构、碳化物的类型、大小和分布的影响。研究表明，在相同的奥氏体化温度下，添加微量的Nb可以有效细化H

2、13钢的奥氏体晶粒，甚至添加0．07wt％Nb的H13钢在1120℃奥氏体化后的晶粒大小与普通H13钢1030℃奥氏体化时的晶粒大小相当；同时碳化物细小且更加弥散。2、对铌微合金化H13钢的室温及高温力学性能研究表明，添加微量Nb对H13钢的抗拉强度和屈服强度的贡献不显著，而且对塑韧性的改善也有限。回火软化抗力和热稳定性的研究结果表明，微量铌的添加改善了H13钢的回火软化抗力和热稳定性，其中添加0．07wt％Nb的效果好于添加0．014wt％Nb的效果。3、添加微量的Nb使H13钢的热疲劳裂纹萌生细小、均匀，裂纹扩展缓慢；热疲劳后的硬度梯度下降缓慢，软化层较浅，从而显

3、著提高了H13钢的热疲劳性能。其中含O．07wt％Nb的H13钢热疲劳性能最好。奥氏体化温度对所研究钢的热疲劳性能有明显的影响。随奥氏体化温度升高，钢的热疲劳性能先增加后降低，在1080℃奥氏体化时钢具有最好的热疲劳性能。4、对Nb微合会化H13钢和普通H13钢热疲劳后的表层硬度测试发现，在热疲劳过程中的表层硬度随循环次数的增加呈类震荡周期变化。在热疲劳循环起始阶段，表层硬度急剧下降，类震荡频率较快；在热疲劳后期，类震荡频率趋缓，表层硬度总体表现为循环软化特性。TEM&EDS分析显示，热疲劳初期表层硬度的急剧下降与M23C6碳化物的迅速粗化有关；而表层硬度的类震荡周期

4、变化与位错密度的变化密切相关。5、对几种H13类钢的碳化物形念和弥散分布程度的比较分析发现，热疲劳裂纹的萌生与其碳化物的弥散分布程度有关。Nb微合会化H13钢的碳化物分布较细小且弥散分布，其萌生的裂纹较多，但细小均匀；而普通H13钢的碳化物较粗大且碳化物聚集明显，因而萌生的裂纹较少但粗大。萌生的热疲劳裂纹几乎是垂直于试样表面向内以突进方式在扩展，显示出裂纹扩展是以穿晶方式进行的。基于Coffin—Manson公式，并计及热应变并不完全转变为机械应变这个因素，导出一个适用于自约束热疲劳寿命的预测模型，即S，跳71⋯(1-v2)o"2⋯(1-一t)I)o"I一￡．E，’6

5、、对M23C6碳化物在等温时效过程中与热疲劳过程中的粗化行为的对比研究发现，热疲劳过程加速了碳化物的粗化，表明碳化物粗化与合金元素在热应力作用下的较快扩散有关。在此基础上，运用DICTRA动力学软件模拟了700。C时效过程中的M23C6的粗化行为；同时也模拟探讨了V／Mo值的变化和添加微量Nb对M23C6碳化物粗化速率的影响，认为在H13钢中添加O．07wt％的Nb以及增加V／Mo值均可降低M23C6碳化物的粗化速率。7、基于经典的碳化物羊R化模型，计及应力作用下的合金元素扩散行为，推导出多元合金钢中的球状碳化物在应力作用下的粗化速率公式，其表达式为：一dr：堑∑≯‰

6、．÷+鲁∑(巩训。dtLKT钾忙。一k。)r胛智“”1“关键词：H13钢，Nb微合金化，热疲劳行为，循环软化，碳化物粗化，nlemo．calc&DICTRA软件IlAbstractAISIHl3hotworktoolsteeliswidelyusedforhotforging，hot-extrusionanddie．castingbecauseofitshi曲temperaturestrength，impacttoughness，heatcheckingresistanceandwearresistanceetc．Thethermallyinducedsurfaced

7、amage，i．ethermalfatigue，isbelievedtobecontrolledbythemagnitudeoftheimposedcyclicstrain．Thethermalfatigueonthesurfaceofhotworkingdie，whichisresponsibletotheinitiationofthecracks，isreportedtoresultinmorethan80％ofthefailureofdies．Inthispaper,aimedtosuppressthecrackgenerationandimp