4Cr5MoSiV1热作模具钢700 ℃的低周疲劳行为

工程科学学报 Chinese Journal of Engineering 4Cr5 MoSiV1热作模具钢700℃的低周疲劳行为 赵超黄进峰张津解国良连勇李德晨马昱张尊君高文张程 Low-cycle fatigue behavior of 4Cr5MoSiV1 hot-work die steel at 700 ZHAO Chao,HUANG Jin-feng.ZHANG Jin,XIE Guo-liang.LIAN Yong.LI De-chen,MA Min-yu,ZHANG Zun-jun,GAO Wen,ZHANG Cheng 引用本文： 赵超，黄进峰，张津，解国良，连勇，李德晨，马昱，张尊君，高文，张程.4C5 MoSiV1热作模具钢700℃的低周疲劳行为仞.工 程科学学报，2020,42(5)：602-611.doi:10.13374.issn2095-9389.2019.06.10.004 ZHAO Chao,HUANG Jin-feng.ZHANG Jin,XIE Guo-liang,LIAN Yong.LI De-chen,MA Min-yu,ZHANG Zun-jun,GAO Wen, ZHANG Cheng.Low-cycle fatigue behavior of 4Cr5MoSiV1 hot-work die steel at 700 C[J].Chinese Journal of Engineering,2020, 42(5:602-611.doi:10.13374/1.issn2095-9389.2019.06.10.004 在线阅读View online:https::/doi.org10.13374.issn2095-9389.2019.06.10.004 您可能感兴趣的其他文章 Articles you may be interested in 基于应变控制的4Cr5 MoSiV1热作模具钢热机械疲劳行为 Strain-controlled thermal-mechanical fatigue behavior of 4Cr5MoSiVI hot work die steel 工程科学学报.2018,40(1)：76htps/doi.org/10.13374.issn2095-9389.2018.01.010 应力比对TC4钛合金超高周疲劳失效机理的影响 Effect of stress ratio on the very high-cycle fatigue failure mechanism of TC4 titanium alloy 工程科学学报.2019,41(2：254 https:1doi.org10.13374.issn2095-9389.2019.02.013 基于夹杂-细晶粒区-鱼眼疲劳失效的超长寿命预测模型 Aprediction model for the very high cycle fatigue life for inclusion-FGA(fine granular area)-fisheye induced fatigue failure 工程科学学报.2017,39(4：567 https::/1doi.org10.13374j.issn2095-9389.2017.04.012 两种热作模具钢的高温摩擦磨损性能 High temperature friction and wear properties of two hot work die steels 工程科学学报.2019,41(7)：906 https::/1oi.org/10.13374.issn2095-9389.2019.07.009 GH4169合金高温疲劳裂纹扩展的微观损伤机制 Microscopic damage mechanisms during fatigue crack propagation at high temperature in GH4169 superalloy 工程科学学报.2018,40(7)：822 https:ldoi.org10.13374j.issn2095-9389.2018.07.008 38MnB5热成形钢高温变形行为及本构方程 High-temperature deformation behavior and constitutive relationship of press-hardening steel 38MnB5 工程科学学报.2019,41(4)：470 https:/1doi.org/10.13374.issn2095-9389.2019.04.007

4Cr5MoSiV1热作模具钢700 ℃的低周疲劳行为 赵超 黄进峰 张津 解国良 连勇 李德晨 马昱 张尊君 高文 张程 Low-cycle fatigue behavior of 4Cr5MoSiV1 hot-work die steel at 700 ZHAO Chao, HUANG Jin-feng, ZHANG Jin, XIE Guo-liang, LIAN Yong, LI De-chen, MA Min-yu, ZHANG Zun-jun, GAO Wen, ZHANG Cheng 引用本文: 赵超, 黄进峰, 张津, 解国良, 连勇, 李德晨, 马昱, 张尊君, 高文, 张程. 4Cr5MoSiV1热作模具钢700 ℃的低周疲劳行为[J]. 工 程科学学报, 2020, 42(5): 602-611. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2019.06.10.004 ZHAO Chao, HUANG Jin-feng, ZHANG Jin, XIE Guo-liang, LIAN Yong, LI De-chen, MA Min-yu, ZHANG Zun-jun, GAO Wen, ZHANG Cheng. Low-cycle fatigue behavior of 4Cr5MoSiV1 hot-work die steel at 700 ℃[J]. Chinese Journal of Engineering, 2020, 42(5): 602-611. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2019.06.10.004 在线阅读 View online: https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2019.06.10.004 您可能感兴趣的其他文章 Articles you may be interested in 基于应变控制的4Cr5MoSiV1热作模具钢热机械疲劳行为 Strain-controlled thermal-mechanical fatigue behavior of 4Cr5MoSiV1 hot work die steel 工程科学学报. 2018, 40(1): 76 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2018.01.010 应力比对TC4钛合金超高周疲劳失效机理的影响 Effect of stress ratio on the very high-cycle fatigue failure mechanism of TC4 titanium alloy 工程科学学报. 2019, 41(2): 254 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2019.02.013 基于夹杂-细晶粒区-鱼眼疲劳失效的超长寿命预测模型 Aprediction model for the very high cycle fatigue life for inclusion-FGA (fine granular area) -fisheye induced fatigue failure 工程科学学报. 2017, 39(4): 567 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2017.04.012 两种热作模具钢的高温摩擦磨损性能 High temperature friction and wear properties of two hot work die steels 工程科学学报. 2019, 41(7): 906 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2019.07.009 GH4169合金高温疲劳裂纹扩展的微观损伤机制 Microscopic damage mechanisms during fatigue crack propagation at high temperature in GH4169 superalloy 工程科学学报. 2018, 40(7): 822 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2018.07.008 38MnB5热成形钢高温变形行为及本构方程 High-temperature deformation behavior and constitutive relationship of press-hardening steel 38MnB5 工程科学学报. 2019, 41(4): 470 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2019.04.007

工程科学学报.第42卷.第5期：602-611.2020年5月 Chinese Journal of Engineering,Vol.42,No.5:602-611,May 2020 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2019.06.10.004;http://cje.ustb.edu.cn 4Cr5 MoSiV1热作模具钢700℃的低周疲劳行为 赵超)，黄进峰2)四，张津，解国良2)，连勇)，李德晨，马旻昱， 张尊君2，高文)，张程) 1)北京科技大学新材料技术研究院，北京1000832)北京科技大学新金属材料国家重点实验室，北京1000833)河南科技大学金属材料 磨损控制与成型技术国家地方联合工程研究中心，洛阳471003 ☒通信作者，E-mail:ustbhuangif@163.com 摘要采用轴向应变幅控制的低周疲劳试验研究了总应变幅对4C5 MoSiV1热作模具钢700℃低周疲劳行为的影响，包括 循环应力响应行为、循环应力应变行为、循环迟滞回线和应变疲劳寿命行为等.结果表明：随着总应变幅从02%增大到 0.6%.4C5 MoSiV1钢在700℃时循环应力响应均表现为先循环硬化再循环软化的特性，并且应力幅最大值从220MPa增大 到308MPa.同时.随着总应变幅的增大，4C5 MoSiV1钢在700℃下的低周疲劳寿命由6750循环周次降低到210循环周次， 且其过渡寿命约为1313循环周次.疲劳断口形貌分析结果显示，高温低周疲劳过程中裂纹主要萌生于试样表面处.且随着应 变幅增大，裂纹源逐渐增多，疲劳条纹间距变宽，其断裂方式由韧性断裂转变为脆性断裂.透射电镜分析结果显示，循环软化 可能与板条结构转变为胞状结构、基体发生位错湮灭、碳化物的析出和粗化有关 关键词4C5 MoSiV1钢：高温低周疲劳：循环硬化或软化：疲劳寿命：疲劳断口 分类号TG115.5 Low-cycle fatigue behavior of 4Cr5MoSiV1 hot-work die steel at 700 C ZHAO Chao,HUANG Jin-feng,ZHANG Jin,XIE Guo-liang,LIAN Yong,LI De-chen,MA Min-yu,ZHANG Zun-jun,GAO Wen,ZHANG Cheng 1)Institute for Advanced Materials and Technology,University of Science and Technology Beijing,Beijing 100083,China 2)State Key Laboratory for Advanced Metals and Materials,University of Science and Technology Beijing,Beijing 100083,China 3)National Joint Engineering Research Center for Abrasion Control and Molding of Metal Materials,Henan University of Science and Technology, Luoyang 471003,China Corresponding author,E-mail:ustbhuangif@163.com ABSTRACT 4Cr5MoSiV1 hot-die steel exhibits excellent thermal fatigue and comprehensive mechanical properties,and it is widely used in hot forging die and hot extrusion die.Under actual service conditions,mold cavity temperature reaches 700 C during mold operation.Mold cavity surface produces tension and compression strain owing to acute heat and cooling-constraints of subsurface layer, thereby resulting in local plastic deformation of mold and low-cycle fatigue.Therefore,low-cycle fatigue behavior of 4Cr5MoSiVI steel at 700 C is studied to provide reference data for component design and life prediction of 4Cr5MoSiVI steel.The effect of total strain amplitude on low-cycle fatigue behavior of 4Cr5MoSiV1 steel at 700 C has not been studied.The influence of total strain amplitude on the low-cycle fatigue behavior of 4Cr5MoSiVI steel at 700 C was studied using the low-cycle fatigue test with an axial strain amplitude control,including cyclic stress-response behavior,cyclic stress-strain behavior,cyclic hysteresis loop,and strain-fatigue life behavior. Results show that,with the increase of the total strain amplitude from 0.2%to 0.6%,the cyclic stress responses of 4Cr5MoSiVI steel at 700 C show the characteristics of cyclic hardening and recycling softening,and the maximum stress amplitude increases from 220 MPa 收稿日期：2019-06-10 基金项目：北京市重点实验室基金资助项目(SYS100080419)

4Cr5MoSiV1 热作模具钢 700 ℃ 的低周疲劳行为 赵 超1)，黄进峰2) 苣，张 津1)，解国良2)，连 勇1)，李德晨2)，马旻昱1)， 张尊君2)，高 文1)，张 程3) 1) 北京科技大学新材料技术研究院，北京 100083 2) 北京科技大学新金属材料国家重点实验室，北京 100083 3) 河南科技大学金属材料 磨损控制与成型技术国家地方联合工程研究中心，洛阳 471003 苣通信作者，E-mail：ustbhuangjf@163.com 摘    要    采用轴向应变幅控制的低周疲劳试验研究了总应变幅对 4Cr5MoSiV1 热作模具钢 700 ℃ 低周疲劳行为的影响，包括 循环应力响应行为、循环应力应变行为、循环迟滞回线和应变疲劳寿命行为等. 结果表明：随着总应变幅从 0.2% 增大到 0.6%，4Cr5MoSiV1 钢在 700 ℃ 时循环应力响应均表现为先循环硬化再循环软化的特性，并且应力幅最大值从 220 MPa 增大 到 308 MPa. 同时，随着总应变幅的增大，4Cr5MoSiV1 钢在 700 ℃ 下的低周疲劳寿命由 6750 循环周次降低到 210 循环周次， 且其过渡寿命约为 1313 循环周次. 疲劳断口形貌分析结果显示，高温低周疲劳过程中裂纹主要萌生于试样表面处，且随着应 变幅增大，裂纹源逐渐增多，疲劳条纹间距变宽，其断裂方式由韧性断裂转变为脆性断裂. 透射电镜分析结果显示，循环软化 可能与板条结构转变为胞状结构、基体发生位错湮灭、碳化物的析出和粗化有关. 关键词    4Cr5MoSiV1 钢；高温低周疲劳；循环硬化或软化；疲劳寿命；疲劳断口 分类号    TG115.5 Low-cycle fatigue behavior of 4Cr5MoSiV1 hot-work die steel at 700 ℃ ZHAO Chao1) ，HUANG Jin-feng2) 苣 ，ZHANG Jin1) ，XIE Guo-liang2) ，LIAN Yong1) ，LI De-chen2) ，MA Min-yu1) ，ZHANG Zun-jun2) ，GAO Wen1) ，ZHANG Cheng3) 1) Institute for Advanced Materials and Technology, University of Science and Technology Beijing, Beijing 100083, China 2) State Key Laboratory for Advanced Metals and Materials, University of Science and Technology Beijing, Beijing 100083, China 3) National Joint Engineering Research Center for Abrasion Control and Molding of Metal Materials, Henan University of Science and Technology, Luoyang 471003, China 苣 Corresponding author, E-mail: ustbhuangjf@163.com ABSTRACT    4Cr5MoSiV1 hot-die steel exhibits excellent thermal fatigue and comprehensive mechanical properties, and it is widely used in hot forging die and hot extrusion die. Under actual service conditions, mold cavity temperature reaches 700 ℃ during mold operation. Mold cavity surface produces tension and compression strain owing to acute heat and cooling-constraints of subsurface layer, thereby resulting in local plastic deformation of mold and low-cycle fatigue. Therefore, low-cycle fatigue behavior of 4Cr5MoSiV1 steel at 700 ℃ is studied to provide reference data for component design and life prediction of 4Cr5MoSiV1 steel. The effect of total strain amplitude on low-cycle fatigue behavior of 4Cr5MoSiV1 steel at 700 °C has not been studied. The influence of total strain amplitude on the low-cycle fatigue behavior of 4Cr5MoSiV1 steel at 700 ℃ was studied using the low-cycle fatigue test with an axial strain amplitude control, including cyclic stress-response behavior, cyclic stress-strain behavior, cyclic hysteresis loop, and strain-fatigue life behavior. Results show that, with the increase of the total strain amplitude from 0.2% to 0.6%, the cyclic stress responses of 4Cr5MoSiV1 steel at 700 ℃ show the characteristics of cyclic hardening and recycling softening, and the maximum stress amplitude increases from 220 MPa 收稿日期: 2019−06−10 基金项目: 北京市重点实验室基金资助项目（SYS100080419） 工程科学学报，第 42 卷，第 5 期：602−611，2020 年 5 月 Chinese Journal of Engineering, Vol. 42, No. 5: 602−611, May 2020 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2019.06.10.004; http://cje.ustb.edu.cn

赵超等：4Cr5 MoSiV1热作模具钢700℃的低周疲劳行为 603· to 308 MPa.As the total strain amplitude increases,the low-cycle fatigue life of 4Cr5MoSiVI steel at 700 C decreases from 6750 cycles to 210 cycles,and its transition life is approximately 1313 cycles.The results of fatigue fracture morphology analysis show that the crack mainly occurs on the surface of the sample during the high-temperature low-cycle fatigue.With the increase in the strain amplitude,the crack source gradually increases,the distance between fatigue stripes widens,and the fracture mode changes from ductile to brittle fracture.The results of TEM analysis show that the cyclic softening may be related to the change of lath structure to cellular structure, dislocation annihilation of matrix,carbide precipitation,and coarsening. KEY WORDS 4Cr5MoSiVI steel;high-temperature low-cycle fatigue;cycle hardening or softening;fatigue life;fatigue fracture 4Cr5 MoSiV1热作模具钢具有优良的热疲劳性 表14Cr5 MoSiV1钢的化学成分（质量分数） 以及综合力学性能，并被广泛地推广应用于热锻 Table 1 Chemical compositions of 4Cr5MoSiVI steel % 模具和热挤压模具山.在实际服役条件下，模具工 C Cr Mo V Si Mn Fe 作时型腔温度会达到700℃，型腔表面由于急热 0.40 5.00 1.10 1.001.000.30 Balance 急冷且受次表层的约束而产生拉压应变，致使模 具局部产生塑性变形而产生低周疲劳川.目前，热 作模具钢的高温低周疲劳研究已有很多.日本 Tsuhii等研究了大气和应变幅值对H11(4Cr5 MoSiV) 热作模具钢在600℃下低周疲劳性能的影响，发 现H11钢疲劳寿命随着应变幅增大而降低，循环 应力响应整体呈循环软化趋势；Ma等)和Wang 等均对4Cr5 MoSiV1钢在500℃时不同应变幅 的低周疲劳性能进行研究，并基于疲劳性能提出 了不同的材料寿命预测模型：Zeng等-1研究了 在700℃时机械应变对4Cr5 MoSiV1钢的组织和 碳化物的影响，发现机械应变促进了碳化物析出 和粗化，而且析出碳化物更容易沿变形方向聚集 图14Cr5 MoSiV1钢的微观组织 生长，最终可能导致材料软化或裂纹萌生.由于关 Fig.1 Microstructure of 4Cr5MoSiV1 steel 于4Cr5 MoSiV1钢高温低周疲劳研究的温度均为 500℃，且材料在不同温度时低周疲劳行为差异很 1995,本实验选择圆形比例试样，见图2所示(M 大2，)因此根据实际工况在700℃时4Cr5 MoSiV1 代表普通螺纹直径，r代表倒角半径，C代表45°， 钢的低周疲劳行为研究是很有必要的 中代表直径).高温拉伸试验在DDL50电子万能试 本文开展4Cr5 MoSiV1钢在700℃时不同总应 验机上进行.标准规定试样在30min内加热至测 变幅下的低周疲劳行为研究，研究其循环应力响 试温度，然后在规定测试温度至少保温10~15min 应、疲劳寿命和疲劳断裂等特性，并通过疲劳后的 后开始试验 微观组织对其规律进行解释，从而为4Cr5 MoSiV1 2-r20 mm Φ5+0.03mm2×C2mm 钢的部件设计和寿命预测提供参考数据 1试验材料与方法 15 mm 30mm 15 mm 1.1试验材料 40mm 该试验使用的4Cr5 MoSiV1钢化学成分如表1 90 mm 所示.材料的热处理状态为调质态，具体工艺为 1030℃保温0.5h水冷，650℃保温2h后空冷， 图2高温拉伸试样图 4Cr5 MoSiV1钢的调质态组织为板条状回火马氏 Fig.2 High-temperature tensile sample 体，其扫描电镜微观组织照片如图1所示 根据GB/T15248一2002《金属材料轴向等幅 1.2试验方法 低循环疲劳试验方法》，试验图纸如图3所示，通 根据《金属材料高温拉伸试验》GBT4338一 过机械加工将材料试样加工成直径6.5mm、标距

to 308 MPa. As the total strain amplitude increases, the low-cycle fatigue life of 4Cr5MoSiV1 steel at 700 ℃ decreases from 6750 cycles to 210 cycles, and its transition life is approximately 1313 cycles. The results of fatigue fracture morphology analysis show that the crack mainly occurs on the surface of the sample during the high-temperature low-cycle fatigue. With the increase in the strain amplitude, the crack source gradually increases, the distance between fatigue stripes widens, and the fracture mode changes from ductile to brittle fracture. The results of TEM analysis show that the cyclic softening may be related to the change of lath structure to cellular structure, dislocation annihilation of matrix, carbide precipitation, and coarsening. KEY WORDS    4Cr5MoSiV1 steel；high-temperature low-cycle fatigue；cycle hardening or softening；fatigue life；fatigue fracture 4Cr5MoSiV1 热作模具钢具有优良的热疲劳性 以及综合力学性能，并被广泛地推广应用于热锻 模具和热挤压模具[1] . 在实际服役条件下，模具工 作时型腔温度会达到 700 ℃[2] ，型腔表面由于急热 急冷且受次表层的约束而产生拉压应变，致使模 具局部产生塑性变形而产生低周疲劳[3] . 目前，热 作模具钢的高温低周疲劳研究已有很多. 日本 Tsuhii 等[4] 研究了大气和应变幅值对 H11（4Cr5MoSiV） 热作模具钢在 600 ℃ 下低周疲劳性能的影响，发 现 H11 钢疲劳寿命随着应变幅增大而降低，循环 应力响应整体呈循环软化趋势；Ma 等[5] 和 Wang 等[6] 均对 4Cr5MoSiV1 钢在 500 ℃ 时不同应变幅 的低周疲劳性能进行研究，并基于疲劳性能提出 了不同的材料寿命预测模型；Zeng 等[7−8] 研究了 在 700 ℃ 时机械应变对 4Cr5MoSiV1 钢的组织和 碳化物的影响，发现机械应变促进了碳化物析出 和粗化，而且析出碳化物更容易沿变形方向聚集 生长，最终可能导致材料软化或裂纹萌生. 由于关 于 4Cr5MoSiV1 钢高温低周疲劳研究的温度均为 500 ℃，且材料在不同温度时低周疲劳行为差异很 大[2, 9] ，因此根据实际工况在 700 ℃ 时 4Cr5MoSiV1 钢的低周疲劳行为研究是很有必要的. 本文开展 4Cr5MoSiV1 钢在 700 ℃ 时不同总应 变幅下的低周疲劳行为研究，研究其循环应力响 应、疲劳寿命和疲劳断裂等特性，并通过疲劳后的 微观组织对其规律进行解释，从而为 4Cr5MoSiV1 钢的部件设计和寿命预测提供参考数据. 1    试验材料与方法 1.1    试验材料 该试验使用的 4Cr5MoSiV1 钢化学成分如表 1 所示. 材料的热处理状态为调质态，具体工艺为 1030 ℃ 保温 0.5 h 水冷， 650 ℃ 保温 2 h 后空冷， 4Cr5MoSiV1 钢的调质态组织为板条状回火马氏 体，其扫描电镜微观组织照片如图 1 所示. 1.2    试验方法 根据《金属材料高温拉伸试验》GB/T4338— 1995，本实验选择圆形比例试样，见图 2 所示（M 代表普通螺纹直径，r 代表倒角半径，C 代表 45°， ϕ 代表直径）. 高温拉伸试验在 DDL50 电子万能试 验机上进行. 标准规定试样在 30 min 内加热至测 试温度，然后在规定测试温度至少保温 10～15 min 后开始试验. 根据 GB/T15248—2002《金属材料轴向等幅 低循环疲劳试验方法》，试验图纸如图 3 所示，通 过机械加工将材料试样加工成直径 6.5 mm、标距 表 1 4Cr5MoSiV1 钢的化学成分（质量分数） Table 1 Chemical compositions of 4Cr5MoSiV1 steel % C Cr Mo V Si Mn Fe 0.40 5.00 1.10 1.00 1.00 0.30 Balance 10 μm 53.6 μm 5000× BSD Full 15kv-Mapping hh13-0.0 DEC 01 2018 16:12 图 1 4Cr5MoSiV1 钢的微观组织 Fig.1 Microstructure of 4Cr5MoSiV1 steel 2-r20 mm M12 mm ϕ5+0.03 mm 2×C2 mm 15 mm 15 mm 30 mm 40 mm 90 mm 图 2 高温拉伸试样图 Fig.2 High-temperature tensile sample 赵 超等： 4Cr5MoSiV1 热作模具钢 700 ℃ 的低周疲劳行为 · 603 ·

604 工程科学学报，第42卷，第5期 28mm和总长度110mm的低周疲劳试样.材料低 2 试验结果与分析 周疲劳测试在MTS NEW8I0电子液压伺服疲劳试 验机上进行，应变比R=-1,应变时间控制波形为 2.1高温拉伸性能 三角波，控制应变幅为±0.2%，士0.3%，0.4%，±0.6%， 方软志等o和Wang等对4Cr5 MoSiV1钢的 高温拉伸性能进行了深入研究，发现随着温度的 试验温度取700℃，采用轴向总应变控制的拉-压 循环加载方式，用轴向高温引伸计控制试样经受 升高，抗拉强度和屈服强度均持续下降，塑韧性增 高.当温度从常温升到400℃时，其强度下降缓 不同的总应变幅，所有疲劳试样至断裂失效.疲劳 慢；当温度从400℃升温到700℃时，其强度下降 寿命（即与疲劳破坏相对应的次数）N是到达失效 很快.因此，当温度为700℃时，材料的强度变得 循环的次数.由于循环应力应变环在N5到N2 很低导致承载能力变弱而容易断裂.因此，本文着 之间趋于稳定，因此将稳态迟滞环的循环次数设 重研究其700℃时的高温拉伸性能，从而为疲劳 为N2 试验提供数据 本试验4Cr5 MoSiV1钢在700℃时的具体性 1×45° 2-r20 mm 6.5mm 1×45 能数据如表2所示，静态拉伸曲线如图4所示.由 图4(b)可知，当应变0.6%时，应力约为202MPa,将 , 大于屈服强度187MPa,材料会产生永久变形而使 30mm 28 mm 模具失效：当应变0.2%时，应力约为102MPa,材料 110mm 塑性变形程度较低.根据实际工况和4Cr5 MoSiV1 图3低周疲劳试样图 钢的700℃拉伸试验结果分析，本文疲劳试验的 Fig.3 Low-cycle fatigue test specimen 总应变幅假设为0.2%~0.6% 采用FEI Quanta250型扫描电子显微镜观察 表24Cr5 MoSiV1钢的700℃机械性能 试样断口形貌.试样低周疲劳测试断裂后，利用线 Table 2 Mechanical properties of 4Cr5MoSiV1 steel at 700C 切割设备在距离疲劳断口约1mm处线切割疲劳 Yield strength, Tensile strength.Elongation,Reduction of area, 试样，切割过程中要注意不能损坏污染断口，切割 00.2/MPa 0/MPa A/% Z/% 187 331 60 91 完成后将疲劳试样断口部分放入丙酮溶液中利用 超声波设备进行超声清洗，从而获得洁净的疲劳 2.2 循环应力响应行为 试样断口，清洗完成后进行干燥 4Cr5 MoSiV1钢在700℃时的循环应力响应 采用Tecnai F30场发射透射电子显微镜观察 曲线如图5所示.随着总应变幅的增加，疲劳循环 碳化物的形貌、位错结构和晶界等.将断口附近 应力响应均呈现出先增大后减小的趋势，循环硬 试样线切割出的0.3mm薄片机械减薄至50μm 化、软化速率随着总应变幅的增加而增大.当总 后，冲成直径3mm的圆片，再用电解双喷减薄法 应变幅△s/2为0.2%、0.3%、0.4%和0.6%时，初始 设备制备透射电镜试样，双喷液为95%无水乙 循环应力幅值分别为215、257.5、288.5和293.5MPa 醇+5%高氯酸溶液，温度-30℃~-20℃. 分别经过42、22、12和4循环周次后应力幅达到 400 400 (a) (b) 300 300 200 202 MPa 100 100 102 MPa 0 68101214 16 0.1 0.2 0.30.40.5 0.6 0.70.8 Strain/% Strain/% 图400℃静态试验结果.(a)拉伸曲线：(b)左图中所选应变范围的局部放大图 Fig.4 Results of static tests:(a)tension diagrams,(b)magnification of the left diagram section and selection of deformation amplitude

28 mm 和总长度 110 mm 的低周疲劳试样. 材料低 周疲劳测试在 MTS NEW810 电子液压伺服疲劳试 验机上进行，应变比 R=−1，应变时间控制波形为 三角波，控制应变幅为±0.2%，±0.3%，±0.4%，±0.6%， 试验温度取 700 ℃，采用轴向总应变控制的拉−压 循环加载方式，用轴向高温引伸计控制试样经受 不同的总应变幅，所有疲劳试样至断裂失效. 疲劳 寿命（即与疲劳破坏相对应的次数）Nf 是到达失效 循环的次数. 由于循环应力应变环在 Nf /5 到 Nf /2 之间趋于稳定，因此将稳态迟滞环的循环次数设 为 Nf /2. 采用 FEI Quanta 250 型扫描电子显微镜观察 试样断口形貌. 试样低周疲劳测试断裂后，利用线 切割设备在距离疲劳断口约 1 mm 处线切割疲劳 试样，切割过程中要注意不能损坏污染断口，切割 完成后将疲劳试样断口部分放入丙酮溶液中利用 超声波设备进行超声清洗，从而获得洁净的疲劳 试样断口，清洗完成后进行干燥. 采用 Tecnai F30 场发射透射电子显微镜观察 碳化物的形貌、位错结构和晶界等. 将断口附近 试样线切割出的 0.3 mm 薄片机械减薄至 50 μm 后，冲成直径 3 mm 的圆片，再用电解双喷减薄法 设备制备透射电镜试样，双喷液为 95% 无水乙 醇+5% 高氯酸溶液，温度−30 ℃～−20 ℃. 2    试验结果与分析 2.1    高温拉伸性能 方钦志等[10] 和 Wang 等[11] 对 4Cr5MoSiV1 钢的 高温拉伸性能进行了深入研究，发现随着温度的 升高，抗拉强度和屈服强度均持续下降，塑韧性增 高. 当温度从常温升到 400 ℃ 时，其强度下降缓 慢；当温度从 400 ℃ 升温到 700 ℃ 时，其强度下降 很快. 因此，当温度为 700 ℃ 时，材料的强度变得 很低导致承载能力变弱而容易断裂. 因此，本文着 重研究其 700 ℃ 时的高温拉伸性能，从而为疲劳 试验提供数据. 本试验 4Cr5MoSiV1 钢在 700 ℃ 时的具体性 能数据如表 2 所示，静态拉伸曲线如图 4 所示. 由 图 4（b）可知，当应变 0.6% 时，应力约为 202 MPa，将 大于屈服强度 187 MPa，材料会产生永久变形而使 模具失效；当应变 0.2% 时，应力约为 102 MPa，材料 塑性变形程度较低. 根据实际工况和 4Cr5MoSiV1 钢的 700 ℃ 拉伸试验结果分析，本文疲劳试验的 总应变幅假设为 0.2%～0.6%. 2.2    循环应力响应行为 ∆εt/2 4Cr5MoSiV1 钢在 700 ℃ 时的循环应力响应 曲线如图 5 所示. 随着总应变幅的增加，疲劳循环 应力响应均呈现出先增大后减小的趋势，循环硬 化、软化速率随着总应变幅的增加而增大. 当总 应变幅 为 0.2%、0.3%、0.4% 和 0.6% 时，初始 循环应力幅值分别为 215、257.5、288.5 和 293.5 MPa， 分别经过 42、22、12 和 4 循环周次后应力幅达到 表 2 4Cr5MoSiV1 钢的 700 ℃ 机械性能 Table 2 Mechanical properties of 4Cr5MoSiV1 steel at 700 °C Yield strength， σ0.2/MPa Tensile strength， σm/MPa Elongation， A/% Reduction of area， Z/% 187 331 60 91 2-r20 mm M12 mm ϕ6.5 mm 1×45° 1×45° 30 mm 28 mm 110 mm 图 3 低周疲劳试样图 Fig.3 Low-cycle fatigue test specimen 400 300 200 100 0 0 2 4 6 8 Strain/% Stress/MPa 10 12 14 16 (a) 400 300 200 100 0 Strain/% Stress/MPa 102 MPa 202 MPa 0.1 (b) 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 图 4 700 ℃ 静态试验结果. （a） 拉伸曲线；（b） 左图中所选应变范围的局部放大图 Fig.4 Results of static tests: (a) tension diagrams; (b) magnification of the left diagram section and selection of deformation amplitude · 604 · 工程科学学报，第 42 卷，第 5 期

赵超等：4Cr5 MoSiV1热作模具钢700℃的低周疲劳行为 605· 最大值，分别为220、276、305.5和308MPa.综上 280 所述，随着总应变幅的增加，初始循环应力幅和最 Fitted curve:)=2.4474+0.0998x 260 R-squared:R=0.9913 大应力幅逐渐增大，而循环硬化阶段的循环周次 数逐渐减小 240 320 -量-△c/2=0.2% 300 △/2=0.3% 220 ·△E2=0.4% △c2=0.6% 260 240 200 102 10 10° 220 (△E2)/% 200 图64C5 MoSiV1钢在700℃时的循环应力幅与塑性应变辐的关 180 系曲线 160 Fig.6 Cyclic stress amplitude versus plastic strain amplitude of 10 10 102 103 10 4Cr5MoSiV1 steel at 700 C Cycles 0.3 图54Cr5 MoSiV1钢700℃的循环应力响应 ■△/2-0.2/% ■△c2=0.3/% Fig.5 Cyclic stress response of 4Cr5MoSiV1 steel at 700 C 0.2■△c/2=0.4/% ■△c2=0.6/% 随着疲劳循环周次数的增加，循环应力响应 0.1 曲线包含三个阶段：早期的循环硬化阶段，中期的 循环软化阶段和后期的瞬间断裂阶段.根据不同 阶段所占的比例看出，第一阶段是一个明显的循 -0.1 环硬化阶段，它占疲劳寿命的比例小于2%：第二 02 阶段为循环软化阶段，占整个疲劳寿命的90%以 -0.31 -0.6-0.4-0.200.20.40.6 上；第三阶段为瞬间断裂阶段，由于材料的瞬间失 Strain amplitude/% 效，应力幅突然下降 图74Cr5 MoSiV1钢在不同应变幅下半寿命时的迟滞回线 2.3循环应力应变行为 Fig.7 Hysteresis loops of 4Cr5MoSiVI steel at half lifetime under 材料的循环应力-应变行为是低周疲劳研究的 various strain amplitudes 一个重要方面，它反应了材料在低周疲劳条件下 增大，这说明循环变形所消耗的塑性功随总应变 的真实应力-应变特性.4Cr5 MoSiV1钢在700℃ 幅增加而增大，即循环韧性越来越差 时的循环应力幅与塑性应变幅的关系曲线如图6 2.5应变疲劳寿命 所示，图中数据点均为半寿命时的循环迟滞回线 4Cr5 MoSiV1钢在700℃时的疲劳测试结果 求得.材料的循环应力-应变曲线可用如下关系式 如表3所示，其中△8e/2和△8，/2分别取半寿命迟滞 (1)表示： 回线对应的弹性应变幅和塑性应变幅的数据，并 △c/2=K'(A,/2 (1) 用Manso-Coffin方程进行疲劳寿命预测. 著名的Manson-coffin方程认为低周疲劳中弹 其中，△σ/2为循环应力幅，△ep/2为塑性应变幅， 性应变幅、塑性应变幅和疲劳失效反向数呈指数 K为循环强度系数，n为循环应变硬化指数.根据 关系，可用下式(2)、(3)和(4)表示： 公式(1)采用双对数坐标进行线性回归分析，即可 得到n=0.0998和K=280MPa,从而得出4Cr5 MoSiV1 兰=受+学-2N+r2Nr E (2) 钢00℃的循环应力幅与塑性应变幅的关系方程 为△c/2=280(△Sp/2)0.098 兰-g2NP (3) 2 2.4循环迟滞回线 迟滞环包围的面积代表材料塑性变形时外 sp=E'2N (4) 2 力所做的功或所消耗的能量，也代表材料抵抗 式中：2W为载荷反向周次数；or'为疲劳强度系数，MPa: 循环变形的能力，同样称为循环韧性.图7为 E为试验材料在700℃时的弹性模量，MPa;b为疲 4Cr5 MoSiV1钢在700℃时低周疲劳半寿命循环 劳强度指数：为疲劳延性系数；c为疲劳延性指数 迟滞回线.迟滞环的面积随着总应变幅的增加而 △s、△e和△s,均来自于半寿命迟滞循环N=W/2

最大值，分别为 220、276、305.5 和 308 MPa. 综上 所述，随着总应变幅的增加，初始循环应力幅和最 大应力幅逐渐增大，而循环硬化阶段的循环周次 数逐渐减小. 随着疲劳循环周次数的增加，循环应力响应 曲线包含三个阶段：早期的循环硬化阶段，中期的 循环软化阶段和后期的瞬间断裂阶段. 根据不同 阶段所占的比例看出，第一阶段是一个明显的循 环硬化阶段，它占疲劳寿命的比例小于 2%；第二 阶段为循环软化阶段，占整个疲劳寿命的 90% 以 上；第三阶段为瞬间断裂阶段，由于材料的瞬间失 效，应力幅突然下降. 2.3    循环应力应变行为 材料的循环应力−应变行为是低周疲劳研究的 一个重要方面，它反应了材料在低周疲劳条件下 的真实应力−应变特性. 4Cr5MoSiV1 钢在 700 ℃ 时的循环应力幅与塑性应变幅的关系曲线如图 6 所示，图中数据点均为半寿命时的循环迟滞回线 求得. 材料的循环应力−应变曲线可用如下关系式 （1）表示[12] ： ∆σ/2 = K ′ ( ∆εp/2 )n ′ （1） ∆σ/2 ∆εp/2 K ′ n ′ n ′ = 0.0998 ∆σ/2 = 280(∆εp/2)0.0998 其中， 为循环应力幅， 为塑性应变幅， 为循环强度系数， 为循环应变硬化指数. 根据 公式（1）采用双对数坐标进行线性回归分析，即可 得到 和K'=280 MPa，从而得出4Cr5MoSiV1 钢 700 ℃ 的循环应力幅与塑性应变幅的关系方程 为 . 2.4    循环迟滞回线 迟滞环包围的面积代表材料塑性变形时外 力所做的功或所消耗的能量，也代表材料抵抗 循环变形的能力 ，同样称为循环韧性 . 图 7 为 4Cr5MoSiV1 钢在 700 ℃ 时低周疲劳半寿命循环 迟滞回线. 迟滞环的面积随着总应变幅的增加而 增大，这说明循环变形所消耗的塑性功随总应变 幅增加而增大，即循环韧性越来越差. 2.5    应变疲劳寿命 ∆εe/2 ∆εp/2 4Cr5MoSiV1 钢在 700 ℃ 时的疲劳测试结果 如表 3 所示，其中 和 分别取半寿命迟滞 回线对应的弹性应变幅和塑性应变幅的数据，并 用 Manson-Coffin 方程进行疲劳寿命预测. 著名的 Manson-coffin 方程认为低周疲劳中弹 性应变幅、塑性应变幅和疲劳失效反向数呈指数 关系，可用下式（2）、（3）和（4）表示[12] ： ∆εt 2 = ∆εe 2 + ∆εp 2 = σf ′ E (2Nf) b +εf ′ (2Nf) c （2） ∆εe 2 = σf ′ E (2Nf) b （3） ∆εp 2 = εf ′ (2Nf) c （4） 2Nf σf ′ εf ′ ∆εt ∆εe ∆εp Nf/2 式中： 为载荷反向周次数； 为疲劳强度系数，MPa； E 为试验材料在 700 ℃ 时的弹性模量，MPa；b 为疲 劳强度指数； 为疲劳延性系数；c 为疲劳延性指数. 、 和 均来自于半寿命迟滞循环 N= . 320 160 100 101 102 103 Cycles Δεt /2=0.6% Δεt /2=0.4% Δεt /2=0.3% Δεt /2=0.2% Stress amplitude/MPa 104 300 280 260 240 220 200 180 图 5 4Cr5MoSiV1 钢 700 ℃ 的循环应力响应 Fig.5 Cyclic stress response of 4Cr5MoSiV1 steel at 700 ℃ 280 200 10−2 10−1 Fitted curve: y=2.4474+0.0998x R-squared: R 2=0.9913 (Δεp /2)/% (Δσ/2)/MPa 100 260 240 220 图 6 4Cr5MoSiV1 钢在 700 ℃ 时的循环应力幅与塑性应变幅的关 系曲线 Fig.6 Cyclic stress amplitude versus plastic strain amplitude of 4Cr5MoSiV1 steel at 700 ℃ 0.3 −0.3 −0.6 −0.4 0.4 −0.2 0 0.2 Strain amplitude/% Δεt /2=0.6/% Δεt /2=0.4/% Δεt /2=0.3/% Δεt /2=0.2/% Stress amplitude/GPa 0.6 0.2 0.1 0 −0.2 −0.1 图 7 4Cr5MoSiV1 钢在不同应变幅下半寿命时的迟滞回线 Fig.7 Hysteresis loops of 4Cr5MoSiV1 steel at half lifetime under various strain amplitudes 赵 超等： 4Cr5MoSiV1 热作模具钢 700 ℃ 的低周疲劳行为 · 605 ·