變形溫度和變形量對Cr12MoV鋼裂紋產生的影響

王程明, 安治國, 孫曉冉, 海 巖, 任 帥

(河鋼集團 鋼研總院， 石家莊 050000)

Cr12MoV鋼是一種冷作模具鋼[1-2]，因具有較好的強韌性、耐磨性和淬透性，被廣泛用于結構復雜、工況繁重的各種冷沖模具和工具的制造中。Cr12MoV鋼含有鉬、釩元素,這使其熱加工性能、沖擊韌度和碳化物分布情況均較好。影響鋼材性能的因素有多種，如熱處理工藝、應力集中以及夾雜物析出等[3-4]。Cr12MoV鋼中存在大量網狀碳化物，這對其性能造成很大的影響，尤其降低了塑韌性。學者們對此提出了多種解決措施[5-10]，如通過改進熱處理工藝和鍛造軋制工藝、添加微合金元素等來減少碳化物析出、均勻碳化物分布等，進而改善Cr12MoV鋼的性能。裂紋是Cr12MoV鋼生產中常見的缺陷之一。導致裂紋產生的原因有很多，既有變形溫度、應變速率和應力狀態等外部因素，也有材料組織缺陷，如偏析、夾雜以及第二相析出等內部因素。鋼中一般先形成微觀裂紋，微觀裂紋進一步擴展為宏觀裂紋，宏觀裂紋繼續擴展造成材料斷裂。應變誘導裂紋擴展(SICO,Strain Induced Crack Opening)試驗[11-12]是一種重要的材料性能檢測方法，可以用來研究不同變形溫度和變形量下材料表面裂紋的生成情況，以評價不同軋制工藝、鍛造工藝等對熱裂紋形成的影響。試驗通過加熱使試樣形成一個軸向溫度梯度，夾具之間的試樣中間部位溫度最高，兩側溫度稍低。形變時，對試樣沿軸向施加壓力，由于溫度梯度導致試樣軸向強度變化，非一致形變會使試樣向外鼓肚成環狀，環狀部分的外表面產生拉應力，引起試樣表面開裂。筆者對Cr12MoV模具鋼進行了SICO試驗，通過找出不同變形溫度和變形量下裂紋出現的臨界點，從而得到較理想的可加工工藝范圍，以期為實際生產提供參考。

1 試樣制備與試驗方法

試驗材料為Cr12MoV模具鋼，尺寸為φ10 mm×86 mm。

將試樣安裝在夾具中,除去夾具兩端夾持部分，試樣剩余的自由長度與直徑的比值應不大于4，以防試樣在壓縮時與夾具粘連。當試樣長徑比超過4∶1時，常會出現不同柔度的失穩現象，導致試驗失敗[13]。采用Gleeble3800型熱模擬試驗機將試樣以10 ℃·s-1的速率升到不同的溫度(900，1 000，1 100，1 150，1 200 ℃)，保溫3 min后，以5 %·s-1的速率對試樣進行一定變形量(10%～80%)的壓縮。采用Stemi2000-C型體視顯微鏡觀察試樣被鐓粗鼓肚部分表面是否出現微裂紋。在試樣裂紋附近取樣，試樣經研磨、拋光后，采用體積分數為4%的硝酸酒精溶液浸蝕后，采用Observer A1m型倒置顯微鏡觀察裂紋附近的顯微組織形貌。采用EPMA-1200型電子探針對試樣進行碳、鉻、鉬、釩元素的面掃描分析。

2 試驗結果與分析

2.1 不同變形溫度對表面熱裂紋的影響

由圖1可以看出，當試樣變形量為65%， 溫度為900～1 200 ℃時的試樣表面均存在長度和深淺程度不同的裂紋；當溫度為900 ℃時，試樣發生開裂，且周圍還有部分尺寸較大的裂紋，裂紋長度達到2～2.8 mm，此時材料的塑性較差；當溫度為1 000 ℃時，試樣表面裂紋較多，長度不等，大部分在0.5 mm左右，最大長度達到1.5 mm，最小長度只有0.1～0.2 mm；當溫度為1 100 ℃和1 150 ℃時，試樣表面均剛出現裂紋，只有1～2條，且深度較淺，長度較短，最長只有0.4 mm，因此可將65%變形量作為裂紋產生的起始變形量；當溫度為1 200 ℃時，試樣發生開裂，說明在此溫度下試樣已不能承受65%的變形量。在溫度為1 200 ℃時不同試樣變形量的試驗中發現，當試樣的變形量為18%時，試樣表面就開始出現細小裂紋，所以在實際生產中應避免在這個范圍內進行加工。

圖1 在不同溫度下變形量為65%時試樣的表面裂紋形貌Fig.1 Surface cracks morphology of specimens at different temperatures with 65% deformation

2.2 不同變形量對表面熱裂紋的影響

由圖2也可以看出，當溫度為1 150 ℃，變形量增加到65%時,試樣表面剛出現裂紋,此變形量為1 150 ℃下試樣的臨界變形量。隨著試樣變形量的再增加，試樣表面的裂紋數量增多，裂紋尺寸較均勻。當變形量為70%和75%時，試樣表面分別出現5，7條微裂紋，且裂紋長度均較短，為0.3～0.5 mm；當變形量為80%時，試樣表面裂紋數量明顯增多，裂紋數量達到12條，但長度沒有明顯增大，仍小于1 mm。

在其他溫度下對試樣進行不同變形量的試驗時發現，不同溫度下均存在一個臨界變形量，超出該臨界變形量后，試樣開始出現裂紋。當溫度為900，1 000，1 100，1 150，1 200 ℃時，試樣的臨界變形量分別為58%，60%，65%，65%和18%，由此可見當溫度為1 100 ℃和1 150 ℃時，材料的塑性較好。但在80%的變形量下，當溫度為1 100 ℃時試樣已經開裂，而當溫度為1 150 ℃時試樣未開裂，所以1 150 ℃比1 100 ℃更適合進行材料的鍛造加工。

圖2 溫度為1 150 ℃時在不同變形量下試樣的表面裂紋形貌Fig.2 Surface cracks morphology of specimens at 1 150 ℃ under different deformation

2.3 顯微組織分析

由圖3可以看出，當溫度為900，1 000，1 100，1 150，1 200 ℃時，試樣上裂紋附近的顯微組織均為鐵素體和珠光體，且晶界處均存在不同程度的網狀碳化物。由圖3a)和圖3b)可以看出，當在900，1 000 ℃下變形時，試樣中網狀碳化物析出的數量較多且分布不均勻，這些網狀碳化物的存在削弱了金屬間的結合力，形成薄弱的脆性區，大幅降低了材料的塑韌性，導致試樣在一定變形量下出現裂紋甚至開裂。由圖3c)和圖3d)可以看出，當在1 100，1 150 ℃下變形時，試樣中的網狀碳化物的析出數量明顯減少且呈破碎狀，分布也較均勻，這是因為隨著溫度的升高，部分碳化物溶解，材料塑性提高，所以當變形量相同時，該溫度下的試樣幾乎沒有裂紋產生；由圖3e) 可以看出，當在1 200 ℃下變形時，由于溫度過高，試樣出現過熱現象，使試樣中碳化物分布不均勻，出現大塊碳化物聚集的現象，造成應力集中，這嚴重降低了材料的塑韌性，導致試樣出現開裂現象。

圖3 在不同溫度下變形量為65%時試樣的顯微組織形貌Fig.3 Microstructure morphology of specimens at different temperatures with 65% deformation

由圖4可以看出，溫度為1 100 ℃，變形量為65%時，碳、鉻、鉬和釩元素均沿網狀聚集分布，其中，鉬元素在網狀范圍內出現了部分聚集的現象；根據顏色指示條可知，試樣中鉻含量最高，顏色指數為680～815；碳含量稍低于鉻含量，顏色指數約為511；鉬和釩含量較少，釩元素顏色指數為122～147，鉬元素顏色指數為12～15，只有很小一部分區域顏色指數為31～35。綜上可見，網狀碳化物主要為鉻的碳化物，其余為少量的鉬和釩的碳化物，若能有效控制該碳化物的尺寸和分布等，則既能阻止晶粒長大，也能提高鋼的耐磨性，而該碳化物一旦出現聚集長大、分布不均的現象，就會大幅降低材料的力學性能，尤其會使材料脆性增加，導致材料更易開裂。

圖4 溫度為1 100 ℃下變形量為65%時試樣的面掃描結果Fig.4 Surface scan results of specimen at 1 100 ℃ and 65% deformation

2.4 熱塑性圖分析

評定材料的可加工性還可以采用熱拉伸的方法，具體工藝為：將尺寸為φ10 mm×121 mm的Cr12MoV鋼圓棒試樣以10 ℃·s-1的速率升溫到1 200 ℃并保溫5 min，再以10 ℃·s-1的速率分別降溫到900，1 000，1 100，1 150和1 200 ℃后以5%·s-1的速率進行拉伸至試樣斷裂，計算得到試樣在各溫度下的斷面收縮率。所得試驗結果分別為17%，26%，40%，49%和5%。

通過多次重復進行SICO試驗可得到試樣在900，1 000，1 100，1 150，1 200 ℃下的臨界變形量分別為58%，60%，65%，65%和18%。通常選取出現第一條裂紋的臨界應變量作為裂紋開始的判據(這也可表明材料可加工性的優劣)，裂紋開始的臨界應變量可表示為[14-15]

(1)

式中：εc為試樣出現第一條裂紋的臨界應變量；D1為試樣壓縮后出現裂紋時的直徑；D0為試樣的原始直徑。

由式(1)可以看出，臨界應變量越大，材料對裂紋的敏感性越低，即在大的變形量下才會產生裂紋，材料的可加工性也就越好。然后測量出臨界變形量所對應的鐓粗直徑(試樣壓縮后出現裂紋時的直徑)，根據式(1)可計算出試樣在900，1 000，1 100，1 150，1 200 ℃下的臨界應變量分別為0.46，0.49，0.59，0.63，0.24。

圖5為試樣的斷面收縮率和臨界應變量隨溫度的變化曲線，該曲線即為Cr12MoV模具鋼的熱塑性圖。由圖5可以看出，試樣通過SICO試驗得到的臨界應變量和熱拉伸試驗得到的斷面收縮率隨溫度的升高均呈現先增加后降低的趨勢，兩者得到的最優加工溫度范圍一致，均為1 100～1 150 ℃，當溫度為1 150 ℃時，兩者熱塑性均達到最大值，而后急速下降。

圖5 Cr12MoV模具鋼熱塑性圖Fig.5 Thermoplasticity diagram of Cr12MoV die steel

3 結論

(1) 當溫度一定時，Cr12MoV鋼達到一定變形量時才會出現裂紋。隨著變形量的再增加，試樣表面的裂紋數量增多。在不同溫度下，Cr12MoV鋼具有不同的臨界變形量，高于該臨界變形量時，裂紋數量隨著變形量的增大而增多，直至造成試樣開裂。

(2) 試樣在低溫開裂的原因主要為網狀碳化物析出較多，在晶界形成薄弱區，導致試樣在一定變形量下開裂；試樣在高溫開裂的原因主要為過熱現象引起的碳化物聚集長大，造成應力集中，降低了材料的塑韌性，導致材料開裂。

(3) 通過SICO試驗和熱拉伸試驗得到的Cr12MoV模具鋼最宜加工溫度范圍相同，均為1 100～1 150 ℃，且1 150 ℃為Cr12MoV鋼的最佳鍛造溫度。