發(fā)布時(shí)間：2020-07-23 10:01

【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(jī)械載荷循環(huán)的共同作用造成的疲勞損傷,即熱機(jī)械疲勞(TMF)。TMF是所有疲勞行為中最復(fù)雜的課題,一直由于試驗(yàn)難度大、耗時(shí)長(zhǎng)和成功率低,導(dǎo)致研究滯后,國(guó)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(shí)際服役工況,沒(méi)有綜合考慮溫度和外力的共同作用。因此,本文利用MTS熱機(jī)械疲勞液壓伺服測(cè)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(xué)顯微鏡等設(shè)備,結(jié)合碳膜萃取復(fù)型技術(shù)和力學(xué)性能測(cè)試,開展了壓鑄模具鋼基于應(yīng)變控制的TMF行為和損傷機(jī)理的研究,為壓鑄模熱龜裂失效行為和機(jī)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(yù)測(cè)模型。首先,基于拉壓對(duì)稱機(jī)械應(yīng)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(jī)械應(yīng)變幅(0.3%～1.3%)加載下的同相(IP)和反相(OP)TMF力學(xué)行為。應(yīng)力-應(yīng)變滯后回線由于H13鋼TMF循環(huán)過(guò)程中受非等溫下材料高溫強(qiáng)度和楊氏模量不斷變化的作用而呈現(xiàn)不對(duì)稱性,即IP-TMF時(shí)承受壓縮平均應(yīng)力;OP-TMF時(shí)承受拉伸平均應(yīng)力。TMF循環(huán)的高溫半周均發(fā)現(xiàn)了由于蠕變導(dǎo)致的應(yīng)力松弛,并提出了定量區(qū)分蠕變和塑性應(yīng)變的“回路延伸法”。應(yīng)力應(yīng)變循環(huán)響應(yīng)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(shí),澄清了 H13鋼TMF循環(huán)響應(yīng)過(guò)程,包括適應(yīng)、軟化和失效三個(gè)階段。然后,通過(guò)對(duì)H13鋼氧化損傷、TMF斷口、裂紋萌生與擴(kuò)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(kuò)展。IP-TMF時(shí)裂紋以沿晶+穿晶的混合方式擴(kuò)展;而OP-TMF時(shí)裂紋以穿晶的方式擴(kuò)展。同時(shí),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(zhǎng)度和根部寬度、裂紋數(shù)量均隨機(jī)械應(yīng)變幅的增加而增加;同等機(jī)械應(yīng)變幅下,主裂紋長(zhǎng)度在IP-TMF時(shí)更長(zhǎng),而主裂紋根部寬度和裂紋數(shù)量卻在OP-TMF時(shí)更寬和更多。TMF斷口均氧化嚴(yán)重,OP-TMF斷口能觀察到疲勞源區(qū)、裂紋擴(kuò)展區(qū)和斷裂區(qū),擴(kuò)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(zhǔn)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(cuò)回復(fù)及碳化物聚集和粗化。循環(huán)應(yīng)變協(xié)同作用下的過(guò)回火效應(yīng)和熱-力耦合條件下的碳化物與位錯(cuò)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(zhǎng)方形M7C3型碳化物;達(dá)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(rùn)粗短棒狀,Cr/Fe比大于2;且兩種碳化物粗化最明顯。通過(guò)碳化物數(shù)量和尺寸的對(duì)比分析,發(fā)現(xiàn)了壓鑄模具鋼服役溫度下應(yīng)變誘導(dǎo)碳化物析出與粗化這一現(xiàn)象。最后,建立了 H13鋼TMF應(yīng)變-壽命曲線,發(fā)現(xiàn)應(yīng)變-壽命曲線出現(xiàn)了交叉點(diǎn),機(jī)械應(yīng)變幅較小時(shí),OP-TMF壽命較高;機(jī)械應(yīng)變幅較大時(shí),IP-TMF壽命較高,與氧化-蠕變-疲勞交互作用時(shí)占主導(dǎo)的損傷機(jī)制有關(guān)。此外,基于滯回能損傷觀點(diǎn)和H13鋼TMF數(shù)據(jù),提出了適用于壓鑄模具鋼TMF壽命預(yù)測(cè)歸一化模型(0.84.△σ·△εin).Nf1.03958=2921.66219,并成功應(yīng)用于另一壓鑄模具鋼4Cr5Mo2V的TMF壽命預(yù)測(cè),預(yù)測(cè)和試驗(yàn)壽命的分散帶基本都在1.5倍線以內(nèi)。
【學(xué)位授予單位】：上海大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號(hào)】：TG249.2
【圖文】：

變熱應(yīng)力和機(jī)械應(yīng)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(dǎo)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(jī)制是處于拉應(yīng)力狀逡逑態(tài)下的脆性裂紋失穩(wěn)擴(kuò)展。整體脆斷通常是由于偶然的機(jī)械過(guò)載或熱過(guò)載而導(dǎo)逡逑２逡逑

上海大學(xué)博士學(xué)位論文邐壓鑄模具鋼熱機(jī)械疲勞行為及損傷機(jī)理研究逡逑特殊用鋼等研究甚少。逡逑（２）熱機(jī)械疲勞試驗(yàn)技術(shù)｜４８’５（）’６４１逡逑在ＴＭＦ試驗(yàn)過(guò)程中，由于需要同時(shí)控制溫度和機(jī)械載荷兩個(gè)變量，進(jìn)而采逡逑用傳統(tǒng)高溫試驗(yàn)用的環(huán)境箱或者是加熱爐將無(wú)法實(shí)現(xiàn)溫度循環(huán)，并且難以滿足逡逑試驗(yàn)對(duì)于升降溫速率的要求。因此，ＴＭＦ試驗(yàn)用的加熱設(shè)備明顯區(qū)別于高溫等逡逑溫試驗(yàn)，所采用的是電磁感應(yīng)線圈加熱。圖１－２所示為ＴＭＦ和ＩＦ試驗(yàn)用的加逡逑熱裝置。此外，在ＴＭＦ試驗(yàn)中還將涉及到降溫過(guò)程，相應(yīng)的實(shí)現(xiàn)方式為借助壓逡逑縮空氣或氮?dú)饫鋮s。因此，由于試驗(yàn)的特殊性，一個(gè)完整的ＴＭＦ試驗(yàn)系統(tǒng)將同逡逑時(shí)包括兩個(gè)子試驗(yàn)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(yīng)線圈在加熱試樣時(shí)，自身也將產(chǎn)生高溫，逡逑因此降溫部分還包括對(duì)感應(yīng)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(lǐng)先于機(jī)械應(yīng)變最大值，則相位角為正逡逑（０＜０＾１８０°），否則相位角為負(fù)。根據(jù)機(jī)械載荷和溫度之間相位角的不同，ＴＭＦ逡逑試驗(yàn)可分為多種情況，被國(guó)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(jiǎn)稱邋ＩＰ，０＝０）、反相位（Ｏｕｔ－ｏｆ－ｐｈａｓｅ，簡(jiǎn)稱邋ＯＰ，０＝１８０°）、順逡逑時(shí)針菱形（Ｃｌｏｃｋｗｉｓｅ邋ｄｉａｍｏｎｄ，簡(jiǎn)稱ＣＤ，＃＝＋９０°邋）和逆時(shí)針菱形逡逑（Ｃｏｕｎｔｅｒ－ｃｌｏｃｋｗｉｓｅ邋ｄｉａｍｏｎｄ，簡(jiǎn)稱邋ＣＣＤ，＃＝－９０。），如圖邋１－３邋所示。在邋ＩＰ邋條件下，逡逑機(jī)械載荷和溫度同時(shí)達(dá)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(dá)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(shí)際工作狀態(tài)而在實(shí)驗(yàn)室中完全復(fù)制其逡逑服役條件下的應(yīng)變－溫度關(guān)系建立特殊的循環(huán)波形１６７］。對(duì)于應(yīng)變控制模式下的逡逑ＴＭＦ試驗(yàn)，為了控制相位恒定并避免試樣產(chǎn)生熱應(yīng)力，因此，在試驗(yàn)中的任意逡逑加載時(shí)刻都需要進(jìn)行熱應(yīng)變補(bǔ)償。補(bǔ)償?shù)姆椒ǚ譃閮煞N：基于溫度的閉環(huán)應(yīng)變逡逑補(bǔ)償和基于時(shí)間的開環(huán)應(yīng)變補(bǔ)償，但目前普遍采用溫度補(bǔ)償方式。逡逑

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：2767177