不同试验参数下3Cr2W8V钢热疲劳性能研究

论文摘要

3Cr2W8V钢是我国热作模具的传统用钢,热疲劳是其主要失效形式,但对热疲劳性能测试时的试验参数一直没有明确规定。本文采用Uddeholm自约束热疲劳试验方法,通过改变热循环过程中的上限温度以及加热速度,对经过不同热处理工艺的3Cr2W8V钢进行热疲劳试验;借助金相显微镜、扫描电镜等分析手段,研究了各试验参数对3Cr2W8V钢热疲劳性能的影响。试验结果表明:3Cr2W8V钢在热循环过程中,构成了加热时产生压应变,冷却时产生拉应变的热疲劳循环过程;热循环上限温度是3Cr2W8V钢热疲劳裂纹萌生、扩展的主要影响因素:热循环上限温度的升高,缩短了3Cr2W8V钢热疲劳裂纹萌生的时间,加速了热疲劳裂纹沿晶界扩展的速度。当热循环上限温度超过3Cr2W8V钢的回火温度时,热疲劳裂纹扩展速度急剧增大,导致抗热疲劳性能显著降低。热应力分析及热疲劳裂纹形貌观察表明:热循环上限温度升高,试样所受热应力增大;热疲劳裂纹首先沿圆柱试样表面轴向形成,随着热循环次数的增加,轴向裂纹粗化、扩展并沿横向分枝,最终形成网状裂纹。热循环加热速度决定热疲劳破坏的机制。高的热循环加热速度,试样因热应力作用而以热疲劳裂纹过度扩展失效;当加热速度很低时,试样表面高温氧化占主导地位,其失效形式主要是氧化腐蚀失效:当加热速度介于上述二者之间时,3Cr2W8V钢受热应力和氧化腐蚀的共同作用,因热疲劳裂纹扩展和氧化腐蚀的相互促进而导致失效。在高的热循环加热速度下,上限温度的升高增大了热应力与氧化现象,两者共同促进热疲劳裂纹的扩展速率,加速了试样以热疲劳裂纹的形式失效。热循环加热速度的快慢影响了3Cr2W8V钢在加热过程中热应力的大小以及热疲劳裂纹的扩展速率,并对材料热疲劳性能的测定产生影响;加热速度的减小使得试样受到的热应力减小,热疲劳裂纹的扩展速率下降,金属热变形率增大,氧化程度加重。3Cr2W8V钢的最终热处理组织决定了其热疲劳性能。在相同的热循环试验参数下,经过高温淬火+高温回火后的试样,具有较高的热疲劳抗力。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 热疲劳的研究历史与进展
• 1.2 热疲劳影响因素
• 1.2.1 化学成分的影响
• 1.2.2 力学性能的影响
• 1.2.3 热处理工艺的影响
• 1.2.4 微观结构的影响
• 1.2.5 模具结构及其他影响因素
• 1.3 热疲劳试验方法
• 1.4 本文研究的目的和主要内容
• 2 试验与分析方法
• 2.1 试验用原材料
• 2.2 试验方法
• 2.2.1 热处理试验
• 2.2.2 热疲劳试验
• 2.3 分析方法
• 2.3.1 组织与表面形貌观察
• 2.3.2 表面成分分析
• 2.3.3 硬度测试
• 3 热处理工艺对3Cr2W8V钢的影响
• 3.1 3Cr2W8V钢的退火
• 3.1.1 退火工艺的制定
• 3.1.2 退火工艺对组织与硬度的影响
• 3.2 3Cr2W8V钢的淬火
• 3.2.1 淬火工艺的制定
• 3.2.2 淬火工艺对组织的影响
• 3.2.3 淬火工艺对硬度的影响
• 3.3 3Cr2W8V钢的回火
• 3.3.1 回火工艺的制定
• 3.3.2 回火工艺对组织的影响
• 3.3.3 回火工艺对硬度的影响
• 3.4 本章小结
• 4 不同热循环上限温度下3Cr2W8V钢热疲劳试验研究
• 4.1 上限温度为650℃的热疲劳试验
• 4.1.1 3Cr2W8V钢表面形貌的演化
• 4.1.2 不同热处理工艺下3Cr2W8V钢的硬度变化
• 4.1.3 试验结果讨论
• 4.2 上限温度为690℃的热疲劳试验
• 4.2.1 690℃加热对3Cr2W8V钢表面形貌的影响
• 4.2.2 不同热处理工艺下3Cr2W8V钢的硬度变化
• 4.2.3 试验结果讨论
• 4.3 上限温度为730℃的热疲劳试验
• 4.3.1 730℃加热对3Cr2W8V钢表面形貌的影响
• 4.3.2 不同热处理工艺下3Cr2W8V钢的硬度变化
• 4.3.3 试验结果讨论
• 4.4 热循环上限温度对热疲劳裂纹萌生的影响
• 4.5 热处理组织对3Cr2W8V钢热疲劳性能的影响
• 4.6 本章小结
• 5 不同热循环加热速度下3Cr2W8V钢热疲劳试验研究
• 5.1 加热速度为138℃/秒的热疲劳试验
• 5.1.1 20 次热循环后3Cr2W8V钢的表面形貌
• 5.2 加热速度为86℃/秒的热疲劳试验
• 5.2.1 86℃/秒加热对3Cr2W8V钢表面形貌的影响
• 5.2.2 86℃/秒加热对3Cr2W8V钢硬度的影响
• 5.2.3 试验结果讨论
• 5.3 加热速度为63℃/秒的热疲劳试验
• 5.3.1 63℃/秒加热对3Cr2W8V钢表面形貌的影响
• 5.3.2 63℃/秒加热对3Cr2W8V钢硬度的影响
• 5.3.3 试验结果讨论
• 5.4 热循环加热速度的影响
• 5.4.1 加热速度对热疲劳裂纹的影响
• 5.4.2 加热速度对试样体积变化的影响
• 5.5 本章小结
• 6 不同热疲劳试验参数下3Cr2W8V钢热疲劳失效机制研究
• 6.1 3Cr2W8V钢热疲劳裂纹失效机制
• 6.1.1 热疲劳裂纹的萌生
• 6.1.2 热疲劳裂纹的扩展
• 6.2 不同热循环上限温度下3Cr2W8V钢的热疲劳失效机制
• 6.2.1 不同热循环上限温度下的热应力
• 6.2.2 热应力作用下热疲劳裂纹的萌生与扩展
• 6.3 不同热循环加热速度下3Cr2W8V钢的热疲劳失效机制
• 6.3.1 加热速度对3Cr2W8V钢表面氧化的影响
• 6.3.2 3Cr2W8V钢的氧化机制
• 6.4 本章小结
• 7 结论
• 致谢
• 参考文献