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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


1 

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

 

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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

 

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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。

4 

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

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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。

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图5 Cr12MoV模具钢热塑性图


冷作模