溫度與載荷對(duì)冷作模具靜態(tài)及循環(huán)性能的影響

文 /Gerhard Jesner·B?HLER Edelstahl GmbH & Co KG Stefan Marsoner·Materials Center Leoben Forschung Gmbh

張維，劉權(quán)，李志仁·編譯

本文著重論述了在最高測(cè)試溫度為300℃的條件下，兩種不同型號(hào)的粉末冶金工模具鋼的機(jī)械性能。并演示了其在不同的載荷條件下，靜態(tài)和循環(huán)單向拉伸試驗(yàn)。通過(guò)研究PM-M3類(lèi)的粉末冶金高速鋼，以及一種具有不同金相組織的新型粉末冶金冷作鋼，來(lái)確認(rèn)金相組織對(duì)鋼材機(jī)械性能帶來(lái)的影響。同時(shí)展示了它們?cè)陟o態(tài)和循環(huán)條件下的單向拉伸測(cè)試結(jié)果，以及在不同的溫況下，金相組織對(duì)材料機(jī)械性能的影響。通過(guò)試驗(yàn)，論述了它們?cè)诶溴懗尚沃锌赡艹霈F(xiàn)的結(jié)果。

背景介紹

冷鍛成形是最高效的零件終成形和近終成形的生產(chǎn)方式之一。冷鍛模具的載荷條件通常十分復(fù)雜且多樣，從模具表面貫穿到模具內(nèi)部。在冷鍛成形過(guò)程中，冷鍛模具會(huì)周期性地受到極高的機(jī)械載荷。

在冷鍛模具受力的單位周期內(nèi)，其受到的壓強(qiáng)通常遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于其屈服強(qiáng)度。這會(huì)導(dǎo)致模具局部產(chǎn)生塑性變形，出現(xiàn)早期疲勞裂紋，并隨著疲勞裂紋的萌生和擴(kuò)展，最終導(dǎo)致模具報(bào)廢。一般來(lái)說(shuō)，冷鍛模具的使用壽命在10,000模次以內(nèi)。使用壽命較低的冷鍛模具，通常表現(xiàn)為在壓力集中的區(qū)域出現(xiàn)開(kāi)裂，比如模具的型腔中出現(xiàn)缺口。這些信號(hào)說(shuō)明材料的失效是由低周疲勞(LCF)造成的。正是因?yàn)樾枰邆涠喾N機(jī)械性能，冷鍛模具會(huì)經(jīng)常使用高性能粉末冶金工模具鋼。

通過(guò)相關(guān)著作記載，我們已經(jīng)熟知粉末冶金的工模具鋼和高速鋼在室溫條件下的各項(xiàng)機(jī)械性能，例如它們經(jīng)常規(guī)工藝熱處理后的硬度、強(qiáng)度或韌性。它們的疲勞性能和疲勞裂紋擴(kuò)展方式在文獻(xiàn)中也有記載，然而針對(duì)這些高合金粉末冶金鋼材的低周疲勞特性(LCF)，卻較少為人所知。

在冷鍛成形的工藝中，模具除了要承受極高的機(jī)械載荷外，其所處的環(huán)境溫度可能接近300℃。隨著鍛壓零件的熱傳遞，鍛壓模具的溫度梯度也會(huì)相應(yīng)升高。這類(lèi)模具的穩(wěn)態(tài)環(huán)境溫度取決于它加工什么材料和變形量，以及模具和被加工材料之間產(chǎn)生的摩擦力。

實(shí)驗(yàn)

下文展示了兩種不同高強(qiáng)度、高性能粉末冶金鋼材的力學(xué)性能測(cè)試結(jié)果。

表1為兩種鋼材的化學(xué)成分。

從表中可以看出：被研究材料的化學(xué)成分主要區(qū)別在鉻、鎢，鉬和鈮元素的含量。它們?cè)谔肌⒐琛㈠i、釩元素上的差別不大。

表1 被研究材料的化學(xué)成分（%）

被研究材料的熱處理工藝由淬火和多次回火完成，并將兩種型號(hào)鋼材的熱處理硬度控制在62±0.3HRC范圍內(nèi)。K490 MICROCLEAN的奧氏體化溫度(1030～1080℃)遠(yuǎn)低于PM-M3類(lèi)鋼材的溫度(通常為1100～1200℃)。這種較低的奧氏體化溫度，正是D2類(lèi)冷作鋼，以及傳統(tǒng)冶煉或電渣重熔冶煉的8%鉻鋼典型的淬火溫度區(qū)間。K490 MICROCLEAN熱處理后最高的硬度值為64HRC。

圖1呈現(xiàn)了這兩種鋼材淬火并回火后的金相組織。K490 MICROCLEAN和PM-M3兩種材料的金相組織均由回火馬氏體和顆粒狀的合金碳化物組成。兩種材料中，各類(lèi)型的碳化物的體積分?jǐn)?shù)都在約10%。這里可以觀察到，和PM-M3相比，K490 MICROCLEAN中碳化物的平均尺寸明顯更小。

這些高性能的鋼材需要通過(guò)多軸銑削方式加工，這給理論研究和實(shí)際生產(chǎn)帶來(lái)很大的挑戰(zhàn)，同時(shí)也是非常引人關(guān)注的話題。由于這些鋼材具有高硬度、高韌性、以及高抗壓強(qiáng)度等材料性能，因而可以承受更高的機(jī)械載荷。

通過(guò)研究K490 MICROCLEAN和PM-M3在高速銑加工上的表現(xiàn)證明：它們的差異在金相組織上。K490 MICROCLEAN中更小尺寸的碳化物，能夠減少對(duì)刀具的磨損，進(jìn)而提高切削刀具的使用壽命。圖2對(duì)比了K490 MICROCLEAN和PM-M3在高速銑加工上的表現(xiàn)。

圖1 研究材料熱處理后的金相組織

圖2 兩種研究材料在不同狀態(tài)下切削刀具后刀面的磨損情況

試驗(yàn)

單向抗壓測(cè)試和單向拉伸測(cè)試是鑒定材料靜態(tài)性能最權(quán)威的方式。這類(lèi)測(cè)試特有的好處在于，它們可以分別檢測(cè)出材料的變形量和強(qiáng)度值。待定試樣如圖3所示，為了認(rèn)定這些高性能粉末鋼的材料性能參數(shù)，如屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、抗壓強(qiáng)度以及斷裂延伸率，我們采用特定幾何形狀試樣，對(duì)其進(jìn)行拉伸測(cè)試（室溫）和抗壓測(cè)試（室溫和最高溫度為300℃的條件下）。

為了認(rèn)定材料的循環(huán)性能，我們采用和靜態(tài)測(cè)試中相同的試樣，在室溫條件下以不同的載荷對(duì)其進(jìn)行應(yīng)變控制的低周疲勞測(cè)試。所有的測(cè)試都在安置了特殊液壓夾具的電液伺服疲勞測(cè)試機(jī)上完成，其載荷數(shù)值通過(guò)最高精度的無(wú)接觸式激光計(jì)量?jī)x測(cè)出。為了完成在溫度梯度下的檢測(cè)，還用到了感應(yīng)加熱裝置。

圖3 用于檢測(cè)材料靜態(tài)和循壞性能的特定試樣

測(cè)試結(jié)果

以下展示的是K490 MICROCLEAN和PM-M3靜態(tài)和循環(huán)測(cè)試的結(jié)果，圖4和圖5為K490 MICROCLEAN和PM-M3的應(yīng)力應(yīng)變表現(xiàn)。

通過(guò)圖4中應(yīng)力應(yīng)變曲線（拉伸測(cè)試）對(duì)比可以看出，K490 MICROCLEAN的屈服強(qiáng)度和極限抗拉強(qiáng)度比PM-M3略低少許，它的塑韌性表現(xiàn)明顯高于PM-M3類(lèi)的鋼材，這使它可以有效地抵抗開(kāi)裂。K490 MICROCLEAN和PM-M3在相近的硬度水平下，還能具備更高塑韌性的主要原因是：它的碳化物尺寸更加均勻細(xì)小。

圖4 靜態(tài)拉伸測(cè)試下，兩種研究材料的應(yīng)力應(yīng)變曲線

圖5對(duì)比了兩種材料在室溫（RT）和最高溫度為300℃的條件下，靜態(tài)性能的測(cè)試結(jié)果。表2是它們?cè)诟鳒y(cè)試溫度下的抗壓屈服強(qiáng)度。結(jié)果顯示，溫度對(duì)兩種被研究的材料都造成了較大的影響。

圖5 抗壓測(cè)試下，兩種研究材料的應(yīng)力應(yīng)變曲線

表2 兩種測(cè)試材料的抗壓屈服強(qiáng)度

表2是在各測(cè)試溫度條件下，兩種測(cè)試材料的抗壓屈服強(qiáng)度。

圖6為K490 MICROCLEAN和PM-M3在硬度值同為62HRC的情況下，其循環(huán)的應(yīng)力應(yīng)變表現(xiàn)，并標(biāo)明了其不同的應(yīng)變系數(shù)Rε和總的應(yīng)變幅度。式(1)為Rε的計(jì)算公式。

盡管這兩種粉末冶金工具鋼的金相組織大不相同，但它們?cè)趹?yīng)變控制測(cè)試下所表現(xiàn)出的循環(huán)性能接近。

圖7是硬度值同為62HRC的K490 MICROCLEAN和PM-M3類(lèi)鋼材，其在應(yīng)變系數(shù)Rε為-1和-5的條件下，其靜態(tài)和循環(huán)應(yīng)力應(yīng)變曲線的比較。為確認(rèn)出它們循環(huán)應(yīng)力應(yīng)變曲線，我們?cè)跍y(cè)試時(shí)間進(jìn)行到一半的時(shí)候，測(cè)定它們的壓力和應(yīng)變幅度。從圖7可以看到，兩種被研究材料的曲線非常相近，特別是在應(yīng)變系數(shù)Rε為-1和-5時(shí)，它們周期性的軟化也幾乎相當(dāng)。

圖6 室溫下，兩種鋼材根據(jù)不同的應(yīng)變系數(shù)的循環(huán)應(yīng)力應(yīng)變表現(xiàn)

圖7 不同應(yīng)變系數(shù)下靜態(tài)和循環(huán)的應(yīng)力應(yīng)變表現(xiàn)(static stress-strain curve:靜態(tài)下的應(yīng)力應(yīng)變曲線；cyclic stress-strain curve：循環(huán)/周期性的應(yīng)力應(yīng)變曲線)

結(jié)論

⑴我們研究了溫度和載荷條件對(duì)兩種冷作應(yīng)用鋼材的靜態(tài)和循環(huán)性能造成的影響。通過(guò)比較粉末冶金工具鋼K490 MICROCLEAN和PM-M3類(lèi)高速鋼表明：它們的金相組織雖然不同，但它們靜態(tài)和循環(huán)性能的表現(xiàn)比較接近。

⑵檢測(cè)表明：兩種材料從室溫升溫到最高300℃的過(guò)程中，它們的靜態(tài)抗壓屈服強(qiáng)度的降幅比較相似，最大為15%。在最高溫度不超過(guò)300℃的測(cè)試中，材料屈服強(qiáng)度的降幅明顯。這可能歸因于高位錯(cuò)密度的淬火和回火組織。并由于熱激活的過(guò)程，使得材料高位錯(cuò)的變化愈發(fā)容易，從而導(dǎo)致其屈服強(qiáng)度降低。

⑶室溫中，兩種材料在相同硬度和應(yīng)變系數(shù)的條件下，即使它們的金相組織完全不同，但其表現(xiàn)出的循環(huán)性能相當(dāng)。這意味著在有復(fù)雜循環(huán)載荷的冷鍛應(yīng)用中，兩種材料的軟化性能接近。冷鍛模具的高機(jī)械載荷，通常取決于模具鋼在室溫條件下的機(jī)械性能（硬度水平）。在設(shè)計(jì)這類(lèi)模具的過(guò)程中，應(yīng)考慮即使在較低溫度的條件下，模具鋼的屈服強(qiáng)度也會(huì)明顯下降。

⑷K490 MICROCLEAN和PM-M3類(lèi)高速鋼的靜態(tài)和循環(huán)機(jī)械性能表現(xiàn)十分接近。鑒于K490 MICROCLEAN中昂貴合金元素的含量更低，熱處理工藝更常規(guī)，以及其出色的高速銑加工性能，因此在62～64 HRC這個(gè)硬度范圍內(nèi)，K490 MICROCLEAN會(huì)比PM-M3類(lèi)的材料或其他類(lèi)似的粉末冶金高速鋼更有優(yōu)勢(shì)。