【摘要】：熱龜裂是壓鑄模具最主要的失效形式,往往是由于其材料承受熱循環(huán)和機械載荷循環(huán)的共同作用造成的疲勞損傷,即熱機械疲勞(TMF)。TMF是所有疲勞行為中最復雜的課題,一直由于試驗難度大、耗時長和成功率低,導致研究滯后,國內(nèi)外一直集中在壓鑄模具鋼自約束純熱疲勞和等溫低周疲勞行為的研究。然而,這些研究不貼合壓鑄模具鋼實際服役工況,沒有綜合考慮溫度和外力的共同作用。因此,本文利用MTS熱機械疲勞液壓伺服測試系統(tǒng),借助X射線衍射儀、掃描電鏡、透射電鏡、超景深和光學顯微鏡等設備,結(jié)合碳膜萃取復型技術(shù)和力學性能測試,開展了壓鑄模具鋼基于應變控制的TMF行為和損傷機理的研究,為壓鑄模熱龜裂失效行為和機制提供可靠的理論支撐,也為壓鑄模的服役壽命提供合理的預測模型。首先,基于拉壓對稱機械應變控制模式,研究了 H13鋼在200～600℃和400～700℃溫度范圍內(nèi),不同機械應變幅(0.3%～1.3%)加載下的同相(IP)和反相(OP)TMF力學行為。應力-應變滯后回線由于H13鋼TMF循環(huán)過程中受非等溫下材料高溫強度和楊氏模量不斷變化的作用而呈現(xiàn)不對稱性,即IP-TMF時承受壓縮平均應力;OP-TMF時承受拉伸平均應力。TMF循環(huán)的高溫半周均發(fā)現(xiàn)了由于蠕變導致的應力松弛,并提出了定量區(qū)分蠕變和塑性應變的“回路延伸法”。應力應變循環(huán)響應曲線表明H13鋼TMF損傷主要表現(xiàn)為持續(xù)循環(huán)軟化特征。同時,澄清了 H13鋼TMF循環(huán)響應過程,包括適應、軟化和失效三個階段。然后,通過對H13鋼氧化損傷、TMF斷口、裂紋萌生與擴展的分析,發(fā)現(xiàn)H13鋼TMF損傷表現(xiàn)為氧化-疲勞-蠕變交互作用下的損傷行為。疲勞裂紋從試樣表面開始呈多裂紋源穿晶萌生,氧化是誘發(fā)表面裂紋萌生的主要原因,且伴隨氧化物不斷填充裂縫而加速裂紋的萌生與擴展。IP-TMF時裂紋以沿晶+穿晶的混合方式擴展;而OP-TMF時裂紋以穿晶的方式擴展。同時,材料內(nèi)部由于蠕變損傷出現(xiàn)了晶界三叉裂紋或楔形裂紋。IP-TMF和OP-TMF的主裂紋長度和根部寬度、裂紋數(shù)量均隨機械應變幅的增加而增加;同等機械應變幅下,主裂紋長度在IP-TMF時更長,而主裂紋根部寬度和裂紋數(shù)量卻在OP-TMF時更寬和更多。TMF斷口均氧化嚴重,OP-TMF斷口能觀察到疲勞源區(qū)、裂紋擴展區(qū)和斷裂區(qū),擴展區(qū)以疲勞輝紋為主,且伴有二次裂紋及孔洞;斷裂區(qū)以大量的韌窩和孔洞為主。IP-TMF的疲勞斷口比較模糊,斷裂區(qū)以準解理、撕裂脊和韌窩混合特征為主。其次,H13鋼TMF循環(huán)軟化微觀損傷主要包括馬氏體板條寬化,位錯回復及碳化物聚集和粗化。循環(huán)應變協(xié)同作用下的過回火效應和熱-力耦合條件下的碳化物與位錯交互作用是TMF循環(huán)軟化損傷的根本原因。H13鋼TMF循環(huán)中,由于熱-力耦合作用,回火態(tài)條帶狀滲碳體分解為合金碳化物,初始階段析出了針狀富Mo和Cr(Mo/Cr比較小)的亞穩(wěn)態(tài)M2C型和小短桿狀富Cr和Fe(Cr/Fe趨于1)的亞穩(wěn)態(tài)M7C3型碳化物;隨循環(huán)周次的增加,亞穩(wěn)態(tài)M2C型碳化物轉(zhuǎn)變?yōu)槔饨敲麂J的長方形M7C3型碳化物;達到一定循環(huán)周次后,M2C形態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)楦籑o和Fe的穩(wěn)態(tài)鵝卵石狀;而M7C3形態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榉�(wěn)態(tài)棱角圓潤粗短棒狀,Cr/Fe比大于2;且兩種碳化物粗化最明顯。通過碳化物數(shù)量和尺寸的對比分析,發(fā)現(xiàn)了壓鑄模具鋼服役溫度下應變誘導碳化物析出與粗化這一現(xiàn)象。最后,建立了 H13鋼TMF應變-壽命曲線,發(fā)現(xiàn)應變-壽命曲線出現(xiàn)了交叉點,機械應變幅較小時,OP-TMF壽命較高;機械應變幅較大時,IP-TMF壽命較高,與氧化-蠕變-疲勞交互作用時占主導的損傷機制有關。此外,基于滯回能損傷觀點和H13鋼TMF數(shù)據(jù),提出了適用于壓鑄模具鋼TMF壽命預測歸一化模型(0.84.△σ·△εin).Nf1.03958=2921.66219,并成功應用于另一壓鑄模具鋼4Cr5Mo2V的TMF壽命預測,預測和試驗壽命的分散帶基本都在1.5倍線以內(nèi)。
【學位授予單位】：上海大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2018
【分類號】：TG249.2
【圖文】：

變熱應力和機械應力作用下，模具材料尤其是表層的組織性能逐步發(fā)生演變，逡逑最終導致失效。壓鑄模的主要失效形式［２（Ｕ１］包括熱龜裂、整體開裂、腐蝕磨損、逡逑塑性變形等，如圖１－１所示。逡逑整體開裂［２６］是壓鑄模致命的非正常失效形式，其物理機制是處于拉應力狀逡逑態(tài)下的脆性裂紋失穩(wěn)擴展。整體脆斷通常是由于偶然的機械過載或熱過載而導逡逑２逡逑

上海大學博士學位論文邐壓鑄模具鋼熱機械疲勞行為及損傷機理研究逡逑特殊用鋼等研究甚少。逡逑（２）熱機械疲勞試驗技術(shù)｜４８’５（）’６４１逡逑在ＴＭＦ試驗過程中，由于需要同時控制溫度和機械載荷兩個變量，進而采逡逑用傳統(tǒng)高溫試驗用的環(huán)境箱或者是加熱爐將無法實現(xiàn)溫度循環(huán)，并且難以滿足逡逑試驗對于升降溫速率的要求。因此，ＴＭＦ試驗用的加熱設備明顯區(qū)別于高溫等逡逑溫試驗，所采用的是電磁感應線圈加熱。圖１－２所示為ＴＭＦ和ＩＦ試驗用的加逡逑熱裝置。此外，在ＴＭＦ試驗中還將涉及到降溫過程，相應的實現(xiàn)方式為借助壓逡逑縮空氣或氮氣冷卻。因此，由于試驗的特殊性，一個完整的ＴＭＦ試驗系統(tǒng)將同逡逑時包括兩個子試驗系統(tǒng)，分別為：力加載系統(tǒng)和溫度控制系統(tǒng)，并且溫度控制逡逑系統(tǒng)包括升溫和降溫兩部分。由于感應線圈在加熱試樣時，自身也將產(chǎn)生高溫，逡逑因此降溫部分還包括對感應線圈內(nèi)部的水冷。逡逑（３）

為了便于參考，如果溫度最大值領先于機械應變最大值，則相位角為正逡逑（０＜０＾１８０°），否則相位角為負。根據(jù)機械載荷和溫度之間相位角的不同，ＴＭＦ逡逑試驗可分為多種情況，被國內(nèi)外研宄者廣泛采用的相位角主要有四種［６６］：同相逡逑位（Ｉｎ－ｐｈａｓｅ，簡稱邋ＩＰ，０＝０）、反相位（Ｏｕｔ－ｏｆ－ｐｈａｓｅ，簡稱邋ＯＰ，０＝１８０°）、順逡逑時針菱形（Ｃｌｏｃｋｗｉｓｅ邋ｄｉａｍｏｎｄ，簡稱ＣＤ，＃＝＋９０°邋）和逆時針菱形逡逑（Ｃｏｕｎｔｅｒ－ｃｌｏｃｋｗｉｓｅ邋ｄｉａｍｏｎｄ，簡稱邋ＣＣＤ，＃＝－９０。），如圖邋１－３邋所示。在邋ＩＰ邋條件下，逡逑機械載荷和溫度同時達到各自的最大值或最小值；而在ＯＰ條件下，情況正好逡逑相反，二者異步達到各自的最大和最小值；而在其他相位條件下，情況依次類逡逑推。此外，還有一些研宄者依據(jù)構(gòu)件的實際工作狀態(tài)而在實驗室中完全復制其逡逑服役條件下的應變－溫度關系建立特殊的循環(huán)波形１６７］。對于應變控制模式下的逡逑ＴＭＦ試驗，為了控制相位恒定并避免試樣產(chǎn)生熱應力，因此，在試驗中的任意逡逑加載時刻都需要進行熱應變補償。補償?shù)姆椒ǚ譃閮煞N：基于溫度的閉環(huán)應變逡逑補償和基于時間的開環(huán)應變補償，但目前普遍采用溫度補償方式。逡逑

【參考文獻】

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本文編號：2767177