钼含量对4Cr5MoV热作模具钢冷热疲劳性能的影响
原标题：钼含量对4Cr5MoV热作模具钢冷热疲劳性能的影响
引用本文：
邓俊杰、周健、刘建雄 ，等.钼含量对4Cr5MoV 热作模具钢冷热疲劳性能的影响[J].2022年机械工程材料，46（4）：48-55.
Deng J J , Zhou J , Liu J X, et al. Effect of Mo Content on Cold and Thermal Fatigue Properties of 4Cr5MoV Hot Work Die Steel, 2022, 46（4）: 48-55.
采用室温至600℃自约束冷热疲劳试验方法包括自约束冷热疲劳试验方法.8%，3.1%)钼的 4Cr5MoV对热作模具钢的表面裂纹形状、显微组织和硬度变化进行了测试，研究了钼含量对热作模具钢冷热疲劳性能的影响。结果表明，冷热疲劳循环1000次后，质量分数为3.1%钼试验钢表面产生小的稀疏裂纹，裂纹数量明显低于质量分数1.8%钼的试验钢含有3个质量分数.1%钼试验钢具有较高的抗回火软化性度高可延缓模具钢冷热疲劳裂纹的发生；冷热疲劳循环2000次后，含质量分数3.11%钼试验钢截面裂纹扩展深度大于11%.8%钼试验钢裂纹膨胀率高，含质量分数3.室温冲击韧性低的1%钼试验钢与大量碳化物的粗化有关。
1 样品制备及试验方法
按照4Cr5MoV热作模具钢的化学成分和设定的钼元素质量分数(2%、3%)称为试验原料，采用电弧炉 钢包炉 真空脱气 电渣重熔冶炼工艺生产2炉模钢锭，钢锭高温扩散 多向锻造 球化退火后，端面厚度为30mm左右退火样品。为保证试验的准确性，采用线切割法在两种试验钢退火试样相同的取样位置取尺寸，以保证试验的准确性，在两种试验钢退火试样相同的取样位置取尺寸10mm×50mm2组冷热疲劳毛坯(每组2个)和3个尺寸为10个mm×10mm×55mm的夏比V 冲击样品类型缺口。101010年把所有样品放在一起℃保温30min后油淬火，然后在600℃回火2次，每次2次h，将样品硬度调整到46.5~47.5HRC。101010年把所有样品放在一起℃保温30min后油淬火，然后在600℃回火2次，每次2次h，将样品硬度调整到46.5~47.5HRC。将热处理后的冷热疲劳毛坯样品加工成如图1所示的冷热疲劳样品，并将两个平面抛光成光滑的表面。
自约束冷热疲劳试验机可自动控制加热、冷却和循环次数。冷热循环模式是通过线圈将样品从室温加热到600℃，加热时间小于3s，当温度达到600℃冷却时间为6s，循环1000次和2次 000次。试验结束后，去除表面氧化物，轻轻抛出清洁样品。腐蚀后，用热场发射扫描电镜(SEM)观察其表面裂纹形状。透射镜样品采用电解双喷仪制备，高氯酸酒精溶液为10%，透射电子显微镜采用(TEM)观察碳化物的形状。垂直于表面裂纹密集区的轴向切割垂直截面样品。研磨抛光后，用扫描电镜观察截面裂纹扩展深度，距表面100μm显微组织和心。按照GB/T 4340.1-2009，距冷热疲劳试样表面1000，采用半自动显微维氏硬度计μm处，每隔50μm依次测试从表面到心脏的截面硬度分布。按照GB/T 19748-2019年，采用冲击试验机测量夏比V型缺口冲
2 与讨论测试结果
2.1 表面裂纹形貌
由于冷热疲劳循环过程中温度的快速变化，热应变在循环过程中积累，更终导致材料过度变形或热疲劳开裂。
从图2可以看出，冷热疲劳循环1000次后，含质量分数1.8%钼试验钢表面裂纹细小密集，多为网状，含质量分数3.1%钼试验钢表面裂纹细小稀疏，无网状连接。与1000次冷热疲劳循环相比，2000次冷热疲劳循环后，两种钢表面裂纹较大，小裂纹连接成较大的裂纹，含有1个质量分数.8%钼试验钢表面裂纹较密，含质量分数3.1%钼试验钢表面裂纹较少，但裂纹较厚，主裂纹较多，主裂纹附近有二次网状裂纹。可见，在冷热疲劳循环过程中，钼含量高的试验钢表面冷热疲劳裂纹较少。
2.2 截面裂纹形状
图3显示，冷热疲劳循环1000次后，质量分数为1.8%钼试验钢截面裂纹密集，数量多，含质量分数3.1%钼试验钢截面裂纹稀疏，数量少，裂纹数量与表面裂纹数量一致；两种试验钢截面裂纹深度随冷热疲劳循环的增加而增加，含质量分数1.8%钼试验钢截面裂纹超过含量分数.1%钼试验钢，但含质量分数3.11%钼试验钢截面裂纹深度大于11%.8%钼试验钢。
图4显示，冷热疲劳循环1000次后，含质量分数1.8%钼试验钢截面更大裂纹深度可达19%μm，更小裂纹深度为4.8μm，含质量分数3.11%钼试验钢截面更大裂纹深度为18%μm，更小裂纹深度为3.7μm；冷热疲劳循环2000次后，质量分数为1.8%钼试验钢截面裂纹深度分布20%~46μm，更大裂纹深度为63.7μm，冷热循环比1000次增加44.7μm，含质量分数3.11%钼试验钢截面更大裂纹深度为144.4μm，与1000次冷热循环相比，增加了126次.4μm。冷热疲劳循环1000次，冷热疲劳循环2000次.11.0，26.1μm，含质量分数3.钼试验钢截面裂纹的平均深度
2.3 显微组织
冷热疲劳裂纹容易沿着粗碳化物和基体的界面扩展，小分散的碳化物会阻碍晶粒生长和疲劳裂纹的扩展，从而提高模具钢的冷热疲劳性能。
从图5可以看出，经过1000次冷热疲劳循环后，两种试验钢含有较多的颗粒状未溶碳化物，表面碳化物粗化严重，但质量分数为3.1%钼试验钢钼含量高，回火过程中沉淀大量小短杆碳化物。1%钼试验钢中仍有大量小短杆碳化物，提高了钢的强度和回火硬度。冷热疲劳裂纹的萌生主要由强度控制，表面硬度高、强度高的材料可延缓模具钢冷热疲劳裂纹的萌生。冷热疲劳裂纹的萌生主要由强度控制。高表面硬度、高强度的材料可延缓模具钢冷热疲劳裂纹的发生。在热循环过程中，由于温度分布不均匀，样品内部产生温度梯度，高温部分膨胀，低温部分约束高温部分，冷却阶段产生拉应力。拉应力的大小取决于加热过程中的压缩塑性应变。因此，提高表面硬度和屈服强度有利于降低热疲劳过程中的塑性应变范围，提高材料的热疲劳抗性。
从图6可以看出，与1000次冷热疲劳循环相比，2000次冷热疲劳循环后，2种试验钢中距表面1000次μm部位和心脏组织中的碳化物明显粗化，质量分数为3.1%钼试验钢距表面100000μm碳化物进一步粗化，比心脏更严重。与1.8%钼试验钢相比，2000次冷热疲劳循环后，含有3.1%钼试验钢中碳化物的粗化程度较严重。根据碳化物衍射点的校准，两种试验钢中的颗粒状碳化物基本相同，多为M 23 C 6 和M 6 C，如图7 所示。当这些粗碳化物聚集在裂纹的**时，它们将成为裂纹扩展的通道，加速裂纹的进一步扩展。
2.4 显微硬度
从图8可以看出，冷热疲劳循环后有两种试验 从表面到心脏，试钢的显微硬度不断增加，但经过1000次和2000次冷热疲劳循环后，试钢的软化程度不同。冷热疲劳过程相当于过回火过程，材料在整个循环过程中软化，硬度降低。冷热疲劳循环1000次后，质量分数为3.1%钼
试验钢近表面软化小于含量分数1.8% 钼试验钢。冷热疲劳循环2000次后，两种试验钢近表面的显微硬度大大降低，而心脏较小，质量分数为3.钼试验钢近表面软化程度略低于含量分数.8%钼试验钢。
从图9可以看出，与冷热疲劳循环前的试验钢相比，经过2000次冷热疲劳循环后，两种试验钢中的马氏体得到了回复，质量分数为3.1%钼试验钢马氏体回复程度低，说明钢硬度仍较高，抗回火软化能力好。抗回火软化能力强，有利于避免热作模具钢早期疲劳裂纹的发生。综上所述，含质量分数3.1%钼的4Cr5MoV由于热模具钢具有较高的抗回火软化性能，冷热疲劳裂纹不易发生，但一旦出现裂纹，容易向内膨胀，影响模具的使用寿命，质量分数为1。由于早期裂纹较多，钼的8%较多。虽然裂纹膨胀率较低，但较密集的裂纹可能会聚集，压铸模具表面块的风险增加。
3 结 论
(1) 冷热疲劳循环1000次后，含质量分数1.8%钼试验钢表面裂纹细小密集，呈网状分布，含质量分数3.1%钼试验钢表面裂纹细小稀疏；冷热疲劳循环2000次后，两种钢的裂纹变粗，含质量分数1。与8%钼试验钢相比，含质量分数3.1%钼试验钢表面裂纹较少，但是裂纹很厚。
(2) 冷热疲劳循环1000次和2000次后，含质量分数1.11.0，26.1μm，含质量分数3.钼试验钢的平均深度分别为9%.5，68.2μm；含质量分数3.11%钼试验钢截面裂纹膨胀率比含量分数高1%.8%钼试验钢快，这与室温冲击韧性低的1%钼试验钢的粗化有关。
(3) 含质量分数3.11%钼试验钢的显微硬度高于含质量分数1.8%钼试验钢抗回火软化能力强，冷热疲劳裂纹不易发生，但裂纹膨胀率大，含质量分数1.8%钼试验钢早期裂纹较多，裂纹膨胀率较低，但较密集的裂纹会连接成网状，增加表面脱落的风险。回搜狐多看看
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