3Cr2W8V热疲劳裂纹的止裂与修复

3Cr2W8V 热疲劳裂纹的止裂与修复*

燕山大学 高殿奎 付宇明 王 平 白象忠 李 慧

摘 要：运用电磁效应理论最新研究成果，采用脉冲放电方法，对3Cr2W8V 热挤压凸模的热疲劳裂纹实施了止裂试

验。止裂后的裂纹尖端变得十分圆整。达到了钝化止裂的目的。显微组织分析证明：止裂处出现了强韧性极高的超细化组织，改善了裂尖处的机械性能。止裂也为热疲劳裂缝刷镀修复创造了理想的先决条件。

关键词：脉冲放电止裂 3Cr2W8V 修复

中图分类号：O346.23；TG142.144 文献标识码：A 文章编号：1007–9289(2001)04–0042–03

1 引 言

塑性加工成型技术在现代工业生产中的地位非常重要，而在塑性加工成型中，模具是主要的工具。3Cr2W8V 是应用较多的热作模具钢。在锤锻模、挤压模、压力机锻模乃至压铸模中都被大量地使用。3Cr2W8V 热作模具在使用中最常出现的失效形式就是热疲劳。通过对裂纹止裂控制热疲劳裂纹的扩展，实现对已出现裂纹模具的修复是工业生产中迫切需要解决的问题。本文针对这一问题研究和探讨了3Cr2W8V 热作模具裂纹快速止裂和修复的原理和方法，并对止裂效果进行了分析。

2 裂纹止裂试验

2.1 试样的选取

从生产现场选取已失效的热挤压凸模为试验对象。热挤压凸模的热疲劳失效见图1。从凸模上抽样进行化学分析，平均成分见表1；

图1 失效的热挤压凸模 Fig.1 Failed thermal extrusion die

表1 热挤压凸模化学成分（%）

Table 1 Chemistry composition of thermal extrusion die C Si Mn Cr

W V P S

0.34 0.38 0.37 2.30 8.10 0.40 0.025 0.023

基金项目：河北省自然科学基金(599255)、国家自然科学基金(19772046) 作者简介：高殿奎 男 (1944－) 副教授 收稿日期：2001–02–12

由分析知：热挤压凸模的材料为3Cr2W8V ，经检测其平均硬度为49HRC 。在热疲劳裂纹处取样进行金相组织分析，结果见图2。由图2知：凸模的金相组织为回火马氏体+粒状碳化物。

图2 热挤压凸模金相组织（×500） Fig.2 The metallographic microstructure of thermal extrusion die

热挤压凸模最终热处理工艺为1 050 ℃油冷淬火，550 ℃回火。在热挤压凸模上用线切割割取试样，所取的试样上带有已形成的裂纹。试样尺寸为40 mm ×20 mm ×2 mm 。

2.2 常用的热疲劳裂纹修复方法的缺点

用3Cr2W8V 制作的热作模具多数体积较大、加工工艺复杂、成本很高。使用中一经产生热疲劳裂纹往往需要修复再用。现时生产中用得最多的修复方法是堆焊修复。由于3Cr2W8V 是高合金钢，

焊接性能差，不仅堆焊工艺严格而复杂，而且焊后易在裂纹尖端处产生二次裂纹，使修复失败。必须探求新的方法，以期使3Cr2W8V 裂纹止裂、修复简便而又效果良好。

2.3 裂纹止裂试验的理论基础

现代电磁热效应理论研究表明：带有裂纹的导电体，在通电的瞬间，裂纹尖端处电流密度高度集中。由于金属的电磁热效应，使裂纹尖端处熔化，形成局部焊口，增大裂纹尖端处的曲率半径而使裂

中国表面工程2001年第4期(总第53期) 43

纹钝化[1~4]。

断裂力学的研究结果指出：增加裂纹尖端的曲率半径使裂纹钝化，可以达到止裂的目的。据此可以设想，如能对裂纹尖端实施脉冲放电，可使裂尖熔化形成焊口。裂纹止裂试验装置即是在这一理论指导下自行设计制作的。

2.4 裂纹止裂试验装置

3Cr2W8V热疲劳裂纹止裂试验是在自制的ZL –1型超强度脉冲电流发生器上进行的。其工作原理为：采用倍压整流电路为电容组充电。由可控硅3CT控制电容放电，串联试件在电容放电回路中，可使试件获得瞬时电流。通过调整充电电容容量和放电电压来改变试件被施加的能量。

2.5 裂纹止裂试验过程

根据电磁热效应理论，由文献[4]的计算方法，可以计算出裂纹尖端温度场的分布状态。对于材料为3Cr2W8V的薄板，其电导率ó=7.77×107 (Ù・m)-1, 磁导率ì=2.50×10-3 H/m, 导热系数ë= 33.9 W/(m・Ｋ),表面热扩散系数á0=40 W/ (m2・Ｋ), 导温系数á0=1.16×10-5m2/s, 密度ñ= 7850kg/m3, 板厚2 h=2×10-3m。按文献[4]有关公式计算得到在不同放电条件下裂纹尖端的温度值如表2：

表2 裂纹尖端处的温度值

Teble 2 Temperature around the crack tip

当选取的电压超过500 V时，裂纹尖端的温度超过了3Cr2W8V的熔点。所以选取500 V的电压进行脉冲放电止裂试验。止裂前，将试件串联在放电回路中，卡好试件，接通电源即完成了放电过程，具有快速、简捷、方便等优点。

根据计算结果选取电压数值进行试验，所得到的试验结果与文献[4]计算结果相符。止裂后，裂纹尖端熔化后的宏观形貌如图3。

3 止裂处的宏微观分析

3.1 裂纹尖端宏观分析

由图3知：脉冲放电止裂后，裂纹尖端熔化凝固后形状接近椭圆形。椭圆的边缘圆滑完整，无齿状凸起和坑状的凹陷。无宏观可见的二次裂纹，达到了钝化止裂的目的。止裂后的裂纹尖端可看作曲率半径为ñ，长半轴为2d的椭圆。其应力集中系数为[5]：

1

/

2+

=ρ

αd（1）

图3 裂纹尖端宏观形貌(×10)

Fig.3 The macroscopic morphology around the crack tip 由图3知：d的尺寸已与ñ接近，所以止裂后的应力集中系数接近于3。即裂纹尖端应力集中情况类似于定位孔的作用。完全达到了止裂的目的裂尖形貌特征在很大程度上决定了材料的韧性，裂纹尖端的超钝化提高了材料的韧性。断裂力学研究结果表明：裂纹前缘的平面应变段材料断裂韧性的确定对裂纹的开裂起关键作用。裂尖处超钝化现象的出现对增韧体系表现得尤为明显，直接造成材料的增韧，提高了材料的起裂韧性J1c。由弹塑性断裂力学得知，材料的起裂韧性J1c表达为[6]：J1c=óyäc/d（2）

式中，d为无量纲因子，是硬化指数n和三轴约束度的函数；óy为材料的屈服应力；äc为裂尖张开位移。式（2）表明：J1c除正比于材料的屈服应力óy 外，还正比于裂尖张开位移äc。裂尖处的超钝化将明显地提高äc值，有效地改善了J1c。裂尖的超钝化行为，极大地降低了该处的应力集中，从而可抑制裂纹的扩展。可见，脉冲放电止裂后不但消除了裂尖处的应力集中，也提高了裂尖处的裂纹形成功。

3.2 裂纹尖端形成了强韧性极高的组织

裂纹尖端的金相显微组织，如图4中的白色组织为白亮组织。在脉冲放电瞬间，电流密度可达到[7] 105～107A/cm2，放电时间仅为十几微秒。由于放电能量在时间和空间上的高度集中，使该区的局部材料熔化。放电时产生的骤热使部分材料抛离基体，向周围溅射。放电在空气介质中进行，空气电离产生的氮离子和氧离子，同时发生了冶金化学过程，形成了氮化物、合金化合物等耐腐蚀性能极高

放电电压（V） 500 600 700 裂纹尖端温度（℃）

1580 1780 2050