对热作模具钢的应用性能要求

各种热作模具钢在工作过程中差异很大，它们的工作温度、载荷性质千差万别，而且任何一种模具钢也不可能同时具有极高的热强性、耐磨性、断裂抗力、抗热疲劳性能等。在选择模具钢时，只能抓住模具最最关键的性能要求，进行优先保证，其次再兼顾其他各项性能进行选材。热作模具钢采用以下技术指标进行热作模具钢评价。

①室温硬度、高温硬度：用以评价耐磨性和变形抗力。

②室温拉伸强度、高温拉伸强度：用以评价静载断裂抗力。

③室温冲击韧性、高温冲击韧性：用以评价冲击断裂抗力。

④长期保温后的硬度变化：用以评价抗回火能力及热稳定性。

⑤机械疲劳裂纹扩展速率：可反映热疲劳裂纹萌生后，在锻压力的作用下向内部扩展时，每一应力循环的扩展量。机械疲劳裂纹扩展速率小的材料，每锻压一次裂纹的扩展量也少，这表明裂纹扩展得很慢。

⑥断裂韧性：反映材料对已存在的裂纹发生失稳扩展的抗力。断裂韧性高的材料，其中的裂纹如要发生失稳扩展，必须在裂纹尖端具有足够高的应力强度因子，也就是必须有较大的应力或较大的裂纹长度。在应力恒定的前提下，在一种模具中已经存在一条疲劳裂纹，如果模具材料的断裂韧性值较高，则裂纹必须扩展得更深，才能发生失稳扩展。

⑦变形抗力：模具钢的变形抗力反映了模具的抗堆塌能力。为了保证热作模具钢在较高的温度下工作，应保证模具钢具备较高的抗回火能力、热稳定性和高温强度。

a．抗回火能力：钢的抗回火能力除与碳化物的热稳定性的基本的再结晶温度有关外，还取决于钢在回火时的二次硬化效应的大小。

b．热稳定性高的碳化物，自马氏体组织中析出的温度和聚集长大的温度均高，这不仅提高了马氏体的分解温度，同时，使自马氏体中析出的碳化物难以聚集长大，经高温回火后，仍能保持高的弥散度。这种现象主要是由于在回火时，合金元素妨碍钢中各种元素的扩散，因而延迟马氏体分解和碳化物聚集。

V、W、Ti、Cr、Mo等强碳化物形成元素，对回火过程中的延迟作用特别显著。Co、Si虽不形成碳化物，但均对渗碳体晶核的形成和长大，产生强烈的延迟作用。因此，Co、Si含量较高时，可以允许在较高温度回火，也不致产生钢的软化。

高熔点金属如W、Mo等固溶于铁素体中，能明显提高再结晶温度，对提高钢的抗回火能力有良好的作用。热作模具钢的二次硬化效应与钢中合金元素的类别和数量有关。V、Mo、W、Cr依次由强烈到弱影响钢的二次硬化效应。由于回火时大量残余奥氏体转变为马氏体，使钢的硬度升高，也会引起钢的二次硬化效应。

c．高温强度：在高温下保持高硬度的能力，主要取决于钢中马氏体的热稳定性及碳化物的热稳定性。钢中加入大量的铬、钨、钼、钒等元素后，一部分溶入基体中，将增加基体的高温强度，另一部分可与碳结合成特殊碳化物，具有很高的抗聚集能力。

⑧断裂抗力：由于热作模具钢的断裂过程是一种疲劳断裂，因此，热作模具钢的断裂抗力包括萌生疲劳裂纹的抗力、疲劳裂纹亚临界扩展的抗力和裂纹失稳扩展的抗力。

萌生疲劳裂纹的抗力与热疲劳抗力关系密切。疲劳裂纹亚临界扩展的抗力可采用裂纹扩展速度da/dN9（mm/次）表示，它表示每一次应力循环，裂纹的扩展长度。裂纹失稳扩展的抗力通过材料的断裂韧性Kic表示。

⑨抗热疲劳能力：可以反映热疲劳裂纹萌生前的工作寿命。抗热疲劳能力高的材料，萌生热疲劳裂纹的循环次数较多。抗热疲劳能力决定了在疲劳裂纹萌生前的那部分寿命，可以决定裂纹萌生后，发生亚临界扩展的那部分寿命。抗热疲劳能力可以用萌生热疲劳裂纹的循环数，或者经过一定的热循环后所出现的疲劳裂纹的条数及平均深度（或长度）表示。影响抗热疲劳能力的因素主要有：模具钢的热导率、线（膨）胀系数、屈服强度、抗高温氧化能力、硬度、冶金质量、合金元素以及热处理工艺等。

热作模具钢应具备高的抗热疲劳能力、低的裂纹扩展速率和高的断裂韧性值，不能仅根据材料的σb指标来选择钢种和选择热处理工艺，以免出现选用热作模具钢材谬误。

尽管锤锻模的加载速度与一次冲击试验的加载速度相近，必须评价锤锻模具钢的一次冲击韧性值，但是，大多数模具在断裂前已发生热力机械疲劳裂纹，断裂往往是疲劳裂纹失稳扩展所造成。所以，对热作模具钢应同进行一次性试验，和增加反映疲劳过程的试验考核项目。

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