熱疲勞是熱作模具特別是壓鑄模具最重要的無效形式之一。壓鑄件與高熱金屬材料接觸，反復(fù)加熱制冷，導(dǎo)致熱疲勞，導(dǎo)致工件表面微裂紋甚至干裂紋。因此，科學(xué)研究熱作模具鋼的熱疲勞性能非常重要。

　　熱疲勞：

　　金屬復(fù)合材料因溫度場循環(huán)系統(tǒng)引起的熱應(yīng)力循環(huán)(或熱應(yīng)變力循環(huán)系統(tǒng))而引起的疲勞損傷稱為熱疲勞。

　　早就在17 1829年，德國煤炭工業(yè)技術(shù)工程師W在新世紀(jì)初開始探索材料的熱疲勞性能.A.J.Albert首次探索了脆性斷裂。未來，德國工程師Wohler還將對金屬材料進行大量的熱疲勞實驗，并給出了地應(yīng)力-使用壽命曲線圖和疲勞強度值的概念來描述疲勞的個人行為。自20世紀(jì)30年代以來，Duhamel分析了熱疲勞極限，將原材料損壞歸咎于熱不均勻形成的內(nèi)應(yīng)力，科學(xué)研究了鋁合金在加熱過程中產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力計算公式。

　　形成原因：

　　在高溫環(huán)境下工作時，金屬零件的工作溫度不穩(wěn)定，有時會發(fā)生很大的變化。如果受到控制，零件內(nèi)部結(jié)構(gòu)會產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力（也稱為溫差應(yīng)力）。環(huán)境溫度不斷變化，內(nèi)應(yīng)力也不斷變化，導(dǎo)致原材料疲勞損傷。

　　塑性變形具有很強的耐熱應(yīng)變能力，因此不易產(chǎn)生熱疲勞。另一方面，非金屬材料的耐熱應(yīng)變能力較差，內(nèi)應(yīng)力很容易實現(xiàn)原材料的破裂應(yīng)力，因此容易受到熱沖擊和破壞。

　　特點：

　　(1)典型表面疲勞裂紋開裂，如圖所示。

　　(2)裂紋可以沿晶體結(jié)構(gòu)走，也可以穿透晶體結(jié)構(gòu)；一般裂紋頂部銳利，裂紋中有或充滿金屬氧化物。

　　(3)宏觀經(jīng)濟斷裂面呈深灰色，覆蓋金屬氧化物。

　　(4)裂紋來自表面，裂紋擴展深度與地應(yīng)力、時間和溫差變化相匹配。

　　熱疲勞裂紋外觀1熱疲勞裂紋外觀2相關(guān)因素：

　　（1）環(huán)境中的溫度場和工作頻率變化越大，就越容易產(chǎn)生熱疲勞。

　　(2)由不同線膨脹系數(shù)的材料組成時，容易發(fā)生熱疲勞。

　　(3)晶粒粗大不對稱，容易發(fā)生熱疲勞。

　　(4)位錯分布第二相質(zhì)點對熱疲勞的形成有促進作用。

　　(5)原料可塑性差，容易發(fā)生熱疲勞。

　　(6)零件的幾何結(jié)構(gòu)對金屬飆升和收攏有很大的約束作用，容易發(fā)生熱疲勞。

　　熱疲勞試驗方法：

　　(1)濕熱疲勞等試驗方法:

　　本實驗方案應(yīng)首先分析實驗鋼中熱疲勞循環(huán)中的高溫和超低溫支撐條件，選擇等效電路溫度，通過調(diào)整材料增加的機械應(yīng)力，進行應(yīng)力載荷和卸載能量循環(huán)，然后等效電路模擬磨具無效損壞。

　　(2)自管束熱疲勞試驗方法:

　　它是目前應(yīng)用最廣泛的熱疲勞實驗方案。該方法選擇熱模具的布和低環(huán)境溫度進行熱疲勞循環(huán)系統(tǒng)。熱模具表面和芯溫度場過低會產(chǎn)生壓力和拉伸應(yīng)力，導(dǎo)致熱模具表面長期下拉壓力應(yīng)力裂紋，深入研究試驗鋼的熱疲勞性能。

　　(3)熱-機械設(shè)備疲勞試驗方法:

　　該實驗方案結(jié)合了等溫過程法和自控束法的優(yōu)點，選擇熱模中的布和低環(huán)境溫度進行冷熱交替，同時不斷將實驗設(shè)備載入機械應(yīng)力。

　　熱疲勞試件的尺寸(b)熱疲勞機設(shè)備熱疲勞裂紋擴展

　　熱疲勞裂紋由表面逐漸產(chǎn)生，環(huán)節(jié)為：空缺根部形狀變化不均勻，出現(xiàn)一些細微的不均勻，然后在脆性斷裂的大部分產(chǎn)生一些契合微裂紋，充滿空氣氧化侵蝕。此后，其中一個微裂紋發(fā)展為主要裂紋，其他裂紋由于熱應(yīng)力松弛不會再擴展。此后，其中一個微裂紋發(fā)展為主要裂紋，其他裂紋由于熱應(yīng)力松弛不會再擴展。

　　H13鋼(a～c)4Cr5Mo2V鋼(d～f)經(jīng)過1000次熱疲勞循環(huán)系統(tǒng)后，試件表面裂紋外觀熱疲勞通常是晶間裂紋，裂紋周圍有晶體碎化。疲勞區(qū)的斷裂面為深灰色，其宏觀外觀在氧化層開裂時具有獨特的花卉圖案。清潔后，可注意到疲勞裂紋擴展垂直痕跡和腐蝕坑。

　　H13鋼在20-630℃下循環(huán)系統(tǒng)500次后的裂紋圖熱疲勞性能解決方案

　　(1)控制和優(yōu)化熱處理方法

　　根據(jù)熱處理方法的控制和改進，可以有效地管理模具鋼的結(jié)構(gòu)組織結(jié)構(gòu)和第二相同的結(jié)構(gòu)。與傳統(tǒng)的熱處理相比，等溫淬火具有很強的塑性韌性、耐熱性和疲勞性，還可以降低復(fù)雜磨具變形和干裂的概率。此外，真空淬火的選擇可以避免模具鋼氧化反應(yīng)引起的滲碳、熱處理變形和熱處理容易開裂，可以延長熱模具鋼的使用壽命。

　　(2)合金成分可靠性設(shè)計

　　熱疲勞裂紋通常在位錯等缺點開始萌發(fā)和擴展。因此，根據(jù)模具鋼合金成分的可靠性設(shè)計，加上一定量的Mg、Mn、V、Ni、W等合金成分并控制其在模具鋼組織中的存在，可以在一定程度上減少位錯原素，提高位錯強度，防止熱疲勞裂紋的萌發(fā)和擴展，從而提高熱疲勞性能。

　　(3)磨具表面處理

　　1)激光熔化：激光熔化是由高密度激光輻射源基材和涂層材料熔化，形成低稀釋率的表面噴涂，提高原材料的耐腐蝕性、耐磨性、耐熱性和耐熱疲勞性。

　　2) 表面處理：模具鋼采用多元化共滲，可在一定程度上提高熱疲勞性能。熱作模具鋼通過C、N、O、S、B共滲后，表面滲碳體、硼化物、氮化合物等也起到彌漫作用，防止裂縫擴張，提高熱疲勞抵抗力。此外，高頻淬火還能提高熱作模具鋼的熱疲勞性能。

　　結(jié)語

　　熱疲勞作為壓鑄鋼早期失效的重要原因，一直困擾著磨具客戶。公司開發(fā)了具有良好耐熱疲勞性能的SDH90模具鋼制品，并提供無白凈層滲氮處理，然后在材料和表面處理層處理初始熱疲勞問題。現(xiàn)階段，對于磨具出現(xiàn)小裂縫，公司發(fā)布拋丸和滲氮處理復(fù)合解決方案，可關(guān)閉裂縫，提高現(xiàn)役使用壽命。對于一些表面起泡和開裂嚴(yán)重的磨具，拋丸和鈍化可以顯著改善表面起泡。