变形温度和变形量对Cr12MoV钢裂纹产生的影响
Cr12MoV钢
简介
Cr12MoV钢是一种冷作模具钢，因具有较好的强韧性、耐磨性和淬透性，被广泛用于结构复杂、工况繁重的各种冷冲模具和工具的制造中。Cr12MoV钢含有钼、钒元素，这使其热加工性能、冲击韧度和碳化物分布情况均较好。
影响钢材性能的因素
影响钢材性能的因素有多种，如热处理工艺、应力集中以及夹杂物析出等。Cr12MoV钢中存在大量网状碳化物，这对其性能造成很大的影响，尤其降低了塑韧性。学者们对此提出了多种解决措施，如通过改进热处理工艺和锻造轧制工艺、添加微合金元素等来减少碳化物析出、均匀碳化物分布等，进而改善Cr12MoV钢的性能。
裂纹缺陷
裂纹是Cr12MoV钢生产中常见的缺陷之一。导致裂纹产生的原因有很多，既有变形温度、应变速率和应力状态等外部因素，也有材料组织缺陷，如偏析、夹杂以及第二相析出等内部因素。钢中一般先形成微观裂纹，微观裂纹进一步扩展为宏观裂纹，宏观裂纹继续扩展造成材料断裂。
SICO试验
应变诱导裂纹扩展(SICO，Strain Induced Crack Opening)试验是一种重要的材料性能检测方法，可以用来研究不同变形温度和变形量下材料表面裂纹的生成情况，以评价不同轧制工艺、锻造工艺等对热裂纹形成的影响。试验通过加热使试样形成一个轴向温度梯度，夹具之间的试样中间部位温度最高，两侧温度稍低。形变时，对试样沿轴向施加压力，由于温度梯度导致试样轴向强度变化，非一致形变会使试样向外鼓肚成环状，环状部分的外表面产生拉应力，引起试样表面开裂。
笔者对Cr12MoV模具钢进行了SICO试验，通过找出不同变形温度和变形量下裂纹出现的临界点，从而得到较理想的可加工工艺范围，以期为实际生产提供参考。
试样制备与试验方法
试验材料为Cr12MoV模具钢，尺寸为ϕ10mm×86mm。
将试样安装在夹具中，除去夹具两端夹持部分，试样剩余的自由长度与直径的比值应不大于4，以防试样在压缩时与夹具粘连。当试样长径比超过4∶1时，常会出现不同柔度的失稳现象，导致试验失败。采用Gleeble3800型热模拟试验机将试样以10℃·s-1的速率升到不同的温度(900，1000，1100，1150，1200℃)，保温3min后，以5％·s-1的速率对试样进行一定变形量(10％~80％)的压缩。采用Stemi2000-C型体视显微镜观察试样被镦粗鼓肚部分表面是否出现微裂纹。在试样裂纹附近取样，试样经研磨、抛光后，采用体积分数为4％的硝酸酒精溶液浸蚀后，采用Observer A1m型倒置显微镜观察裂纹附近的显微组织形貌。采用EPMA-1200型电子探针对试样进行碳、铬、钼、钒元素的面扫描分析。
试验结果与分析
01
不同变形温度对表面热裂纹的影响
图1 在不同温度下变形量为65％时试样的表面裂纹形貌
由图1可以看出，当试样变形量为65％，温度为900~1200℃时的试样表面均存在长度和深浅程度不同的裂纹；当温度为900℃时，试样发生开裂，且周围还有部分尺寸较大的裂纹，裂纹长度达到2~2.8mm，此时材料的塑性较差；当温度为1000℃时，试样表面裂纹较多，长度不等，大部分在0.5mm左右，最大长度达到1.5mm，最小长度只有0.1~0.2mm；当温度为1100℃和1150℃时，试样表面均刚出现裂纹，只有1~2条，且深度较浅，长度较短，最长只有0.4mm，因此可将65％变形量作为裂纹产生的起始变形量；当温度为1200℃时，试样发生开裂，说明在此温度下试样已不能承受65％的变形量。在温度为1200℃时不同试样变形量的试验中发现，当试样的变形量为18％时，试样表面就开始出现细小裂纹，所以在实际生产中应避免在这个范围内进行加工。
02
不同变形量对表面热裂纹的影响
图2 温度为1150℃时在不同变形量下试样的表面裂纹形貌
由图2也可以看出，当温度为1150℃，变形量增加到65％时，试样表面刚出现裂纹，此变形量为1150℃下试样的临界变形量。随着试样变形量的再增加，试样表面的裂纹数量增多，裂纹尺寸较均匀。当变形量为70％和75％时，试样表面分别出现5，7条微裂纹，且裂纹长度均较短，为0.3~0.5mm；当变形量为80％时，试样表面裂纹数量明显增多，裂纹数量达到12条，但长度没有明显增大，仍小于1mm。
在其他温度下对试样进行不同变形量的试验时发现，不同温度下均存在一个临界变形量，超出该临界变形量后，试样开始出现裂纹。当温度为900，1000，1100，1150，1200℃时，试样的临界变形量分别为58％，60％，65％，65％和18％，由此可见当温度为1100℃和1150℃时，材料的塑性较好。但在80％的变形量下，当温度为1100℃时试样已经开裂，而当温度为1150℃时试样未开裂，所以1150℃比1100℃更适合进行材料的锻造加工。
03
显微组织分析
图3 在不同温度下变形量为65％时试样的显微组织形貌
由图3可以看出，当温度为900，1000，1100，1150，1200℃时，试样上裂纹附近的显微组织均为铁素体和珠光体，且晶界处均存在不同程度的网状碳化物。由图3a)和图3b)可以看出，当在900，1000℃下变形时，试样中网状碳化物析出的数量较多且分布不均匀，这些网状碳化物的存在削弱了金属间的结合力，形成薄弱的脆性区，大幅降低了材料的塑韧性，导致试样在一定变形量下出现裂纹甚至开裂。由图3c)和图3d)可以看出，当在1100，1150℃下变形时，试样中的网状碳化物的析出数量明显减少且呈破碎状，分布也较均匀，这是因为随着温度的升高，部分碳化物溶解，材料塑性提高，所以当变形量相同时，该温度下的试样几乎没有裂纹产生；由图3e)可以看出，当在1200℃下变形时，由于温度过高，试样出现过热现象，使试样中碳化物分布不均匀，出现大块碳化物聚集的现象，造成应力集中，这严重降低了材料的塑韧性，导致试样出现开裂现象。
图4 温度为1100℃下变形量为65％时试样的面扫描结果
由图4可以看出，温度为1100℃，变形量为65％时，碳、铬、钼和钒元素均沿网状聚集分布，其中，钼元素在网状范围内出现了部分聚集的现象；根据颜色指示条可知，试样中铬含量最高，颜色指数为680~815；碳含量稍低于铬含量，颜色指数约为511；钼和钒含量较少，钒元素颜色指数为122~147，钼元素颜色指数为12~15，只有很小一部分区域颜色指数为31~35。综上可见，网状碳化物主要为铬的碳化物，其余为少量的钼和钒的碳化物，若能有效控制该碳化物的尺寸和分布等，则既能阻止晶粒长大，也能提高钢的耐磨性，而该碳化物一旦出现聚集长大、分布不均的现象，就会大幅降低材料的力学性能，尤其会使材料脆性增加，导致材料更易开裂。
04
热塑性图分析
评定材料的可加工性还可以采用热拉伸的方法，具体工艺为：将尺寸为ϕ10mm×121mm的Cr12MoV钢圆棒试样以10℃·s-1的速率升温到1200℃并保温5min，再以10℃·s-1的速率分别降温到900，1000，1100，1150和1200℃后以5％·s-1的速率进行拉伸至试样断裂，计算得到试样在各温度下的断面收缩率。所得试验结果分别为17％，26％，40％，49％和5％。
通过多次重复进行SICO试验可得到试样在900，1000，1100，1150，1200℃下的临界变形量分别为58％，60％，65％，65％和18％。通常选取出现第一条裂纹的临界应变量作为裂纹开始的判据(这也可表明材料可加工性的优劣)，裂纹开始的临界应变量可表示为
式中：εc为试样出现第一条裂纹的临界应变量；D1为试样压缩后出现裂纹时的直径；D0为试样的原始直径。
由式(1)可以看出，临界应变量越大，材料对裂纹的敏感性越低，即在大的变形量下才会产生裂纹，材料的可加工性也就越好。然后测量出临界变形量所对应的镦粗直径(试样压缩后出现裂纹时的直径)，根据式(1)可计算出试样在900，1000，1100，1150，1200℃下的临界应变量分别为0.46，0.49，0.59，0.63，0.24。
图5 Cr12MoV模具钢热塑性图
|