壓鑄模具鋼熱機械疲勞行為及損傷機理研究分析

吳治明

摘要：熱龜裂是壓鑄模具在具體應用期間最主要的一種失效形式，其通常都是因為材料需要承受機械荷載和受熱循環共同作用而引起疲勞損傷，熱機械疲勞（TMF）各種疲勞行為中最為復雜的一項課題。熱機械疲勞行為及損傷機理研究長期以來都存在耗時長、難度大、成功率低等多項問題，這也就導致該項內容研究落后嚴重。下面，針對壓鑄模具鋼熱機械疲勞行為及損傷機理研究進行全面分析，希望文中內容對相關工作人員，以及行業發展都可以有所幫助。

關鍵詞：壓鑄模具;損傷機理;熱鋼機械疲勞;塑性性能

0? 引言

模具及材料選擇會對生產的精密零部件的尺寸、質量、性能等各項內容造成直接影響，可見，選擇高質量的模具和材料是必要的。需要相關工作人員注意的是，要想依據不同服役工況，做好鑄模材料選擇，必須正確認識鑄模在不同工況下發生的具體失效形式和機理，在此基礎上，做好材料選擇。

1? TMF行為

材料的TMF行為是相關工作人員研究的一項重點內容，采取應力循環相應行體現。開展TMF試驗時，受不同因素因影響，溫度和控制變量都會發生變化，從以往的經驗來看，材料發生變化時，力學性能參數會發生改變，不會像等溫低周疲勞試驗材料在應用時一樣的抗力循環常數[1]。TMF試驗開展過程會受不同因素影響，而溫度的改變是其中最為重要的一項影響因素，溫度的變化會改變材料彈性模量，也正是因為如此，TMF拉應力具有明顯的不對稱性，這也就使低溫半周和高溫半周循環應力值之間存在較為顯著差別，形成天然平均力，在TFM的平均應力對材料壽命拓展和高溫合金裂紋都發揮著關鍵作用[2]。在IP（加載相同）的狀況下，最大拉力與高溫間發生的具體變化情況都是相對，拉應力會對高溫環境下開展的試驗造成直接影響。在OP（加載相反）條件下，各項情況則都是相反的，平均應力主要以拉應力方式呈現。

2? 壓鑄模具鋼熱機械疲勞力學作用

TMF損傷主要是因為熱循環應力和機械循環應力兩者相互作用而產生的，但是，實際損傷情況并是兩種不同損傷的簡單向疊加。下面，針對H13鋼在應變控制基礎上的TMF循環中發生的蠕變損傷情況進行分析，同時，還存在氧化損傷和疲勞損傷交互作用，這會對壓鑄模具鋼的質量和應用造成一定影響。IP-TMF期間，拉伸半周過程中，溫度和機械應力都會變大，蠕變變形也會發生明顯變大現象，這會導致較為嚴重的不良影響，也就是說，當溫度達到制定數值后，會發生晶界滑移[3]。需要相關研究特別注意的是，如果進行拉伸半周期間，發生晶界滑移現象，將會導致半周被壓縮，難以實現恢復，造成這一現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較小，在等強度溫度下，材料在應用時發生，塑變變形集中在晶體內部，每個循環周次的發生，都會導致晶界滑移不可逆，若情況嚴重，這會造成晶體在應用期間發生開裂現象，這將會大幅度降低TMF在應用時的壽命，影響其在應用時的性能[4]。

OP-TMF期間，進行壓縮半周，隨著溫度上升，壓縮蠕變變形也會加重，但是，需要相關工作人員特別注意的是，壓縮變形通常都不會引起空洞和晶體開裂情況，因此，這一現象不會對TFM壽命造成不良影響。

對于棘輪效應（或循環蠕變）的必要條件時對荷載進行控制、循環塑性變形，以及平均壓力，在機械應變控制基礎上，主要呈現出的特征是循環應力松弛，這會是平均應力不斷趨近于零。可見，由于蠕變原因會出現平均應力，而隨著時間的推移，循環蠕變變形會導致材料在具體應用期間出現蠕變損傷，這會對材料性能和應用造成不良影響[5]。循環蠕變是一項較為復雜行為，該項行為與機械在應用時發生的應變、荷載、應力等各項內容都與材料的性能有著緊密聯系，即使在平均應力下也會出現循環蠕變，從現階段人們對這一內容的具體研究情況來看，并沒有一個相對明確的響應機制，這也對該項工作的開展與研究造成不良影響。

對于產生的裂縫來說，只要出現的裂紋保持張開狀態，在材料表面出現的應力集中點就出現在裂紋尖端處，而在壓縮半周期間，產生的應力集中會不斷變小，從具實際情況來看，一旦出現的裂紋處于閉合狀態，部分應力將會消失。

TMF循環期間會出現裂紋，產生的裂紋會在張開和閉合狀態之間不斷循環，從具體情況來看，產生的裂紋長期都保持張開，受應力集中現象影響，會導致疲勞裂紋不斷萌生，而且裂紋會不斷拓張。相反，如果壓縮平均應力與應力或變應力發生疊加，在該狀態下，應力集中一般不會起到作用[6]。此外，在TMF循環期間，對于問題的分析如果從力學角度入手，疲勞損傷加重主要體現在以下兩個方面：①循環軟化會導致塑性變形不斷加重，這會對材料的性能和應用造成不良影響。②拉伸循環蠕變會導致平均應變加劇，這可能會導致應用的材料發生斷裂問題。TMF中熱循環造成的影響較大，一方面會引起循環熱應變，另一方面也會發生熱變形損傷問題，與此同時，在采用的材料表面會出現周圍性氧化問題，氧化現象的發生會使材料表面發生的損傷情況進一步加重，因此，采用材料過程中，材料表面會形成大量尺寸不一裂紋，這將會縮短材料壽命。

3? 分析熱機械疲勞宏觀損傷特點

對經過TMF實驗后的H13進行觀察可以發現，在220-610℃范圍內，峰力值降低了約24%，而在410-710℃范圍內，試樣完全斷裂是判斷TMF試驗后的試驗狀態，因為410-710℃循環溫度高于220-610℃，因此，試樣標距內會出現較為嚴重的表面氧化問題[7]。在實際具體問題分析期間，研究人員為了能夠更加精準的對H13鋼IP-TMF和OP-TMF的裂紋、氧化情況進行觀察，可以通過線切割方式將標距內試樣部分切下，而且要沿著拉壓軸線縱剖，采用臺式全自動臺式掃面鏡和超景深顯微鏡對TMF循環后的端口外觀、裂紋情況、樣化狀態進行全面觀察，完成相應分析。

3.1 分析疲勞斷口情況

針對典型的低周疲勞宏觀段端口可以將其劃分為疲勞源區、斷裂區、裂紋拓展區三個形貌特征不同的區域，這些區域分別表示疲勞破壞的不同歷程。TMF疲勞斷口處三個區域間界限較為模糊，而且裂紋區和裂紋萌生區域都很小，拓展區占據了斷面大部分區域，同時，隨著變幅的加大，斷裂區域面積也會變大[8]。斷口處呈現了出了不同類型氧化，從整體情況來看，IP-TMF斷口處開拉狀態的具體氧化情況要重于OP-TMF斷口處氧化狀態，并且在表面形成了已成氧化膜。在兩種不同加載環境下，TMF斷口十分粗糙，OP-TMF斷口凹凸情況更加嚴重，造成這一現象的主要原因是受長期氧化作用影響，斷口在張開和閉合時，兩面相互擠壓，受力的作用影響，斷口會被磨掉。而隨著應變幅度的加劇，縮頸情況將會變得更加顯著。造成該現象的原因是OP-TMF與IP-TMF相比，前者在低溫半周承受拉伸機械應變時，要想達到同等機械應變，需要更大拉伸荷載。

疲勞斷裂是反映材料在具體應用期間的發生脆性或塑性斷裂的關鍵區域，在試驗期間，研究人員通過對斷裂區域情況進行全面觀察可以發現，不同相位加載狀況下，材料在應用期間出現的瞬間失穩斷裂的各項情況都十分相似，斷口處會出現夾雜物和碳化物，同時，受氧化作用影響，在該區域內也會產生大量氧化物，這都會對材料性能和應用造成一定影響。受拉壓機械應變作用影響，材料受力作用的影響，會發生塑性變形，并且在該期間會伴隨著擠出和擠入現象，而在較低機械應變幅下，材料中產生的孔洞或韌窩數量都較少，主要都是淺平狀，而隨著機械應變幅度加大，孔洞深度會加大，韌窩數量會增多，在高機械應變幅下，在材料上出現了大量的尺寸不一，并且出現了大量的較深的孔洞或韌窩[9]。這一結果表明，在高機械應變幅下，材料受到外界因素影響，發生了較為顯著的塑性變形，同時，塑性流動也會增加，材料中的硬質顆粒是應力的主要集中點，會產生大量更深的空洞或韌窩，而每個硬質顆粒應力集中程度會有所不同，這將會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

氧化開裂是導致H13鋼在應用期間出現裂紋的核心原因，疲勞裂紋的形成規律與機械應變幅度造成的各項影響較為相似，循環最低溫造成的影響則很小，幾乎可以忽略不計。但是，在分析疲勞斷口時，可以發現試樣內部出現了大量的二次裂紋，這些裂紋的出現并不會受到氧化因素影響。可見，相關人員在實際作業開展期間，為了能夠更好的完成對H13鋼IP-TMF和OP-TMF下各種裂紋形態的觀察，具體觀察時要在220-610℃循環時開展，確保觀察結果的精準性。此外，在具體觀察期間，可以發現除存在主裂紋之外，還存有大量長短不一裂紋，各項不同類型裂紋都出現在標距內試樣上，出現的裂紋主要分為總裂紋和支裂紋兩種不同形式，兩者在呈現上在規律上相反。通過對比IP-TMF下支裂紋與OP-TMF可以發現，前者裂紋更短，觀察起來難度較大。但是，在IP-TMF下，出現的支裂紋則十分明顯，而且會擴展。經過上述分析可以獲取到下列結論：不同相位加載下的TMF循環期間，疲勞裂紋出現都是由于多裂紋源萌生造成的，這與斷口現象分析結果較為相似。在IP-TMF下，主裂紋拓展速度快，而且拓展十分明顯，而其他裂紋發展速度相對較為緩慢，主要體現在主裂紋長，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，綜合體現在主裂紋相對較短，而其它裂紋則較長的總體情況。

4? 結語

壓鑄模具鋼熱機械疲勞行為及損傷機理研究是一項十分復雜的工作，該項工作對專業知識的要求較高，相關人員在實際問題研究期間，涉及到的內容較多，因此，為了更好完成相應分析工作，在具體問題分析期間，要從壓鑄模具鋼熱機械疲勞力學作用、熱機械疲勞宏觀損傷特點等方面入手，加強研究。

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