随着机械制造业的发展，人们对模具钢使用性能的要求也越来越高.热作模具钢在使用时承受冷热交替，应力较大，在该过程中组织和尺寸会发生变化且表面被氧化.尺寸发生变化，从而影响模具钢的使用寿命，这就对模具钢的抗热疲劳性能提出了要求.另外，模具与高温工件长时间接触，模具本身的温度升高容易造成模具型腔塌陷、热疲劳、表面氧化和损磨[1-3].本研究以新型热作模具钢4Cr4Mo4WV2Co4为对象，采用不同的淬火温度进行热处理，目的是找到合适的工艺参数，获得良好的抗热疲劳性能.

1 实验方法

实验所选用的4Cr4Mo4WV2Co4模具钢的化学成分如表1所示.淬火工艺为800 ℃预热20 min，然后在淬火温度下保温20 min ,随后采用普通淬火油淬火，淬火温度分别为900 ℃，950 ℃，1 000 ℃，1 050 ℃，1 100 ℃，1 150 ℃.回火工艺为600 ℃保温50 min，空冷，二次回火.打磨抛光腐蚀后观察试样金相组织，腐蚀剂采用饱和苦味酸水溶液15 mL+盐酸25 mL+硝酸10 mL+乙醇50 mL，现配现用.热处理后，对试样进行热疲劳实验，试样直径为20 mm、高度为10 mm，采用钼丝线切割的方式加工有人工缺口，缺口宽度为0.18 mm、长度为2 mm，指向圆心.热疲劳实验在SX2-5型箱式电阻炉中进行，上限温度Tmax为600 ℃，下限温度Tmin为室温(20±2)℃.把试样放在电阻炉中加热，600 ℃保温2 min，然后迅速放入冷水中，待试样冷却至Tmin后，将试样取出干燥进行下一次循环，以免试样表面的水分加剧表面氧化及破坏炉体.重复以上操作，每隔一定次数采用HRD-150型洛氏硬度计测试试样硬度，采用读数显微镜(JTS-9型)测量试样上下表面的主裂纹长度并求平均值.

 

表1 试样的化学成分Tab.1 Chemical composition of the sample %

  

元素w(C)w(Cr)w(Mo)w(W)w(V)w(Co)w(S+P)w(Si+Mn)含量0．36～0．433．8～4．33．7～4．30．7～1．31．6～2．33．6～4．3≤0．4≤0．3

2 实验结果与讨论

2.1 热处理对组织和硬度的影响

淬火后的组织见图1.淬火温度较低时，晶粒比较细小，但碳化物的溶解量较少，在组织中能见到残余的块状碳化物，这使得奥氏体中的合金含量偏低，硬度值也较低，仅为54 HRC，见图1(a).随着淬火温度的逐渐升高，碳化物的溶解量逐渐加大，见图1(b).当淬火温度为1 000 ℃时，晶粒仍然比较细小，组织为细板条状马氏体+碳化物+残余奥氏体，碳化物呈粒状均匀分布在基体中；当淬火温度进一步升高时，晶粒尺寸明显变大，见图1(c).这是由于碳化物过多溶入基体，对晶界的钉扎作用减少[4]，晶粒容易长大.经过不同的淬火工艺，试样硬度都有所提高，图2是淬火后试样的平均硬度.随着淬火温度的升高，试样硬度呈现先上升后下降的趋势，1 000 ℃时达到峰值65 HRC.这是由于淬火温度的升高会使更多的碳化物溶解于基体，奥氏体中的碳含量升高.因此，淬火后马氏体的碳含量升高且硬度提高,但是过高的淬火温度会使奥氏体中的碳和合金元素含量大大增加，奥氏体的稳定性增加，使得淬火时出现大量残余奥氏体，同时晶粒也会明显粗化，造成淬火后试样硬度的逐渐下降.

试样经过二次回火后硬度均有所升高，见图2.由于4Cr4Mo4WV2Co4淬火后得到的马氏体中含有一定量的强碳化物形成元素铬，同时还配有少量钨、钼、钒，使得试样在600 ℃回火时析出MO2C，W2C，VC等简单合金碳化物在基体内弥散分布，造成试样硬度上升.图1(d)是淬火温度为1 000 ℃时试样的SEM照片(型号为HITACHI-4800)，从图1(d)中可以看出，碳化物非常细小，尺寸仅为几十纳米，均匀分布在基体上.

有了第二个角的测量经验，对于第三个角，学生想到把45°的角再折小点，经过几番尝试，发现把45°角进行三等分，每个角为15°，再用自制的量角工具进行第三次量角，得出待测角与正方形里的15°角的两边刚好重合，是15°。

  

图1 淬火后试样的组织形貌Fig.1 Microstructure of the sample after quenching treatment

2.2 淬火温度对抗热疲劳性能的影响

从图4(b)中可以看出，淬火温度为1 150 ℃时，试样裂纹萌生，在热循环50次后就已经萌生裂纹，而淬火温度为1 000 ℃时裂纹萌生最晚，热循环100次后才萌生裂纹.这是由于裂纹的萌生受到基体强度、碳化物分布情况及应力大小等综合影响的原因.尤其是大块碳化物的堆积不仅影响材料的力学性能，还会大大影响材料的抗热疲劳性能.随着热循环次数的增加，在温度应力的作用下，碳化物界面前的基体会形成一个位错塞积群，推动位错运动的有效切应力为(τc-τi ).其中，τc为晶格阻力，τi为σ在滑移面上的切应力的分量，在塞积群前端将造成应力集中，若满足式(1)，则会促使材料在大块碳化物的前端产生裂纹[4]：

  

图2 淬火温度对试样硬度的影响Fig.2 Influence of quenching temperature on hardness

  

图3 热疲劳裂纹Fig.3 Thermal fatigue crack

式中：α为裂纹长度，mm；N为热循环次数，无量纲；σ为热应力，MPa； C，Y，n是材料实验常数，无量纲.

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热疲劳裂纹的扩展通常可以分为3个阶段：萌生阶段、亚临界扩展阶段和瞬时断裂阶段.主裂纹总是从人工缺口出发，这是由于人工缺口处的应力集中，有利于裂纹萌生，见图3(a).有多条楔形小裂纹从人工缺口出发，但这些裂纹中最终只有一条会发展成为主裂纹，见图3(b).

 

(1)

从图4(b)中可以看出淬火温度对裂纹扩展速率有较大的影响，经过250次热循环后，淬火温度为1 000 ℃时试样热疲劳裂纹最短，裂纹长度为0.18 mm,抗热疲劳性能最好；淬火温度为1 150 ℃时试样热疲劳裂纹最长，裂纹长度为0.78 mm,抗热疲劳性能最差.

  

图4 热疲劳实验结果Fig.4 Results of thermal fatigue test

(1)淬火温度过低，碳化物溶入量太少；淬火温度过高，碳化物溶入过多，使得晶粒尺寸明显变大且残余奥氏体增多.当淬火温度是1 000 ℃时，碳化物的溶入及晶粒尺寸均适中，二次回火后试样硬度最高，达到 65 HRC.

式中：v为泊松比；rp为基体的比表面能与碳化物的比表面能之和；E为弹性模量；d为晶粒直径.

回顾性分析2016年9月至2017年5月间上海长海医院术前行MRI检查、术后经病理证实的14例胰腺导管腺癌患者的DWI资料。其中男性7例，女性7例，年龄44～73岁，平均59岁。肿瘤位于胰头部9例、胰体尾部5例，肿瘤最长径1.0～8.0 cm，平均2.9 cm。

随着热疲劳次数的增多，碳化物与氧化物增多，裂纹源也增多，主裂纹通过连接这些微裂纹从而扩展形成宏观裂纹.热疲劳实验初期，一方面a增大，增大；另一方面，裂纹长度的增加会引起局部约束比减少，使热应力σ松弛，降低.在一定范围内，这两种相反作用的效果抵消，表现为近似等于常数.当淬火温度为1 000 ℃时，250次热循环后仍然近似于常数，扩展速率约为0.7 μm/次，而其他淬火温度的试样由于碳化物的脱落、晶粒粗化及强度低等的综合影响，裂纹扩展速度迅速提升，已经开始急剧变大.

 

(2)

热疲劳过程中的主裂纹长度和硬度的变化见图4.从图4(a)中可以看出，在热循环次数为50时，试样的硬度保持不变甚至有所升高，淬火温度为1 150 ℃时试样硬度提升幅度最大.这是因为该温度下淬火后残余奥氏体量最多，而热循环过程中加热使得试样合金元素氧化马氏体点降低，冷却相当于淬火，所以在实验初期试样硬度反而有一定幅度的上升.在热疲劳实验初期，残余奥氏体向马氏体转变使得硬度有升高趋势，但热疲劳过程往往伴随着表面氧化、晶粒粗化及碳化物脱落等，二者的综合作用使所有试样在热疲劳实验初期硬度不变或者上升；在热疲劳实验后期，残余奥氏体基本消失，而反复的热疲劳会造成一个类似回火的累积效应，使马氏体发生回火，同时表面氧化、晶粒粗化、碳化物脱落等现象进一步加重，后期试样硬度呈下降的趋势.

在亚临界扩展阶段，裂纹扩展速率满足Paris公式[6]：

3 结论

当淬火温度较低时，基体中碳化物较多且有大块碳化物存在，在热疲劳过程中由于骤热骤冷，碳化物颗粒与基体之间的热膨胀系数相差较大.这些碳化物颗粒容易脱落，在表面形成空洞，有利于氧的进入，使组织氧化，造成强度下降、组织疏松，容易成为微裂纹源[5].淬火温度过高时，由于晶粒比较粗大，同时热疲劳过程中会发生大量残余奥氏体向马氏体的转变，马氏体转变会在基体内部造成较大的应力，造成局部变形.当变形量超过其承受能力时，试样开始产生微裂纹.当淬火温度为1 000 ℃时，晶粒尺寸不会过大，碳化物也比较细小均匀，裂纹萌生困难.

叶炜、刘秀峰著《墨香阁藏北朝墓志》(上海古籍出版社2016年版)，是对私人收藏墓志整理的重要成果。该书共收录墨香阁藏墓志151方，其出版为北朝历史文化研究提供了重要的第一手资料。但我们在研读过程中，发现该书文字识读方面偶有疏误，今择其要者以求教于叶炜先生及诸位方家。

(2)淬火后进行二次回火，试样均会出现二次硬化，硬度较淬火后有所提升.

(3)当淬火温度是1 000 ℃时，热疲劳裂纹萌生最晚且扩展最慢，在250次热循环后热疲劳裂纹长度为0.18 mm，抗热疲劳性能最好.

大约经过半个小时的捶打，米糊就变得很细、很黏，妈妈把它从“大石碗”中小心翼翼地取出来，放入竹匾里，让它稍微晾晒风干。过了几个小时，奶奶和爷爷把糍粑从竹匾里取下来，切成一条一条的块状，还印上福字花纹，十分好看。

(4)热疲劳过程中会发生累积回火效应，实验初期试样硬度呈先上升或不变的趋势，随着实验次数的增加，马氏体分解，表面缺陷增多，硬度下降.

参考文献：

[1] 崔昆，王铁柱．中国模具钢现状及发展[J]．机械工程材料，2001，25(1)：1-10.

[2] 李大鑫，张秀棉．模具技术现状与发展趋势综述[J].模具制造，2005，2(11)：1-4.

[3] 于波，胡忠诚．新型热作模具用钢的发展现状及应用[J]．热处理技术与装备，2008，29(6)：6-8.

[4] 秦茶，于旭光，吴立志，等．碳化物堆积对钨钼系高速钢性能的影响[J].特殊钢，2008，29(3)：20-21.

[5] 丁冉，司乃潮，刘光磊，等.不同工艺条件下A356合金的力学性能、微观组织和热疲劳特性研究[J].铸造，2016 (1):6-12.

[6] 倪向贵，李新亮，王秀喜.疲劳裂纹扩展规律Paris公式的一般修正及应用[J].压力容器，2006，23(12)：8-9.