5CrMnMo模具材料及其失效分析解析.docx

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5CrMnMo模具材料及其失效分析解析

《模具材料及其失效分析》

结课大作业

系别：

班级：

姓名：

学号：

任课教师：

2013年4月26日

1、5CrMnMo钢简介

模具钢材5CrMnMo是在中碳钢的基础上主要加入Cr、Mn、Mo三元素而研制成的，也可看作把5CrNiMo钢中的Ni元素由Mn元素取代而形成的。

该钢是热作模具钢，除淬透性，耐热疲劳性稍差外，5CrMnMo钢具有与5CrNiMo钢类似的性能，淬透性稍差。

此钢适于制作要求具有较高强度和高耐磨性的各种类型锻模。

要求韧性较高时，可采用电渣重熔钢。

5CrMnMo钢中碳含量保持在0.40%~0.60%，可获得较高的强度与耐热疲劳强度、一定的硬度与耐磨性、良好的韧性钢与导热性。

适合制造边长≤400mm的中型锤锻模即热切边模。

化学成分：

C（0.50~0.60）、Si（0.25~0.60）、Mn（1.20~1.60）、S（≤0.030）

P（≤0.030）、Cr（0.60~0.90）、Ni（允许残余含量≤0.25）

Cu（允许残余含量≤0.30）、Mo（0.15~0.30）

2、5CrMnMo钢锻造和热处理特点

5CrMnMo钢相变点为AC1710℃、Ac3760℃、Ar1650℃、Ms220℃。

5CrMnMo钢始锻温度1050~1100℃，终锻温度800~850℃，锻造后坑中冷却或砂中冷却。

常见的热处理工艺及特点：

a、等温退火：

加热850~870℃，保温3h，650~680℃等温，保温5h，炉冷至550℃以下出炉空冷197~255HBSAc1710℃，Ac3760℃，加热温度在Ac3线以上，等温温度低于Ar1727℃，以获得珠光体+铁素体组织；

b、普通退火：

加热810~830℃，保温3h，炉冷至550℃以下出炉空冷197~241HBSAc1710℃，Ac3760℃，加热温度Ac3线以上，得到珠光体+块状铁素体组织；

c、去应力退火：

加热720~740℃，保温3h，炉冷至550℃以下出炉空冷197~255HBS消除从残余应力，消除加工硬化；

d、淬火：

加热820~850℃，保温，油冷至150~180℃，出油，加热时Cr、Mn、S、Mo元素溶入奥氏体中，提高淬透性，改善回火稳定性。

试样的热加工工艺

1）锻造

5CrMnMo钢的锻造工艺参数与5CrNiMo钢相当。

4Cr3Mo3V钢由于Cr、Mo、V的含量较高，其开锻和停锻温度约高于5CrNiMo钢50℃。

2）退火

3）淬火

5CrMnMo钢的淬火温度与5CrNiMo钢一样，淬火后的硬度略高。

4Cr3Mo3V钢虽然淬火温度比5CrNiMo钢高170℃，但是因含碳量低0.16％，所以淬火后硬度约低8HRC。

4）回火

（1）5CrMnMo钢回火温度和硬度的关系

5CrMnMo钢在300～550℃回火后硬度高于5CrNiMo钢1～4.5HRC，其中以400℃的硬度差别最大，随着回火温度的提高二者硬度基本一致。

（2）4Cr3Mn3V钢回火温度与硬度的关系（保温2h）

4Cr3Mo3v钢在400℃回火后硬度逐渐高于5CrNiMo钢，温度越高差别越大。

如4Cr3Mo3V钢在660℃回火硬度为40.2HRC，与5CrNiMo钢525℃回火硬度（40.1HRC）相当，二者将相差135℃。

另外，同样经700℃回火其硬度要高于5CrNiMoSlV钢和2Cr3Mo2NiVSi钢3.4HRC和5HRC。

（3）性能试样的回火工艺

室温力学性能

1室温力学性能

5CrMnMo钢室σb和σs值与5CrNiMo钢完全相同，但δs和ψ却下降2％和10％。

4Cr3Mo3V钢因其硬度比5CrNiMo钢约高7HRC，所以拉伸强度明显提高，如σb和σs增加210MPa和60MPa，而且δs和ψ也分别增加2％和22％。

从而说明4cr3M03V钢的室温拉伸性能优于5crNiMo钢。

2室温冲击韧性

5crMnMo钢的室温AK值低于5CrNiMo钢18J。

4Cr3Mo3V钢由于硬度高，所以也造成室温AK值低于5CrNiMo钢16.3。

3室温断裂韧性（K1c）

5CrMnMo钢的室温断裂韧性没有测定。

4Cr3Mo3V钢的室温断裂韧性为40.3MPa•m1/2。

各项热处理工艺的具体作用如下：

●退火：

细化晶粒，均匀组织，消除内应力

●淬火：

获得细致的板条马氏体组织，提高强韧性，并提高使用寿命

●回火：

使奥氏体转变为下贝氏体，避免上贝氏体的产生

3、5CrMnMo材料热处理规范

5CrMnMo钢相变点为AC1710℃、Ac3760℃、Ar1650℃、Ms220℃。

5CrMnMo钢始锻温度1050~1100℃，终锻温度800~850℃，锻造后坑中冷却或砂中冷却。

4、5CrMnMo材料应用举例

适合制造边长≤400mm的中型锤锻模即热切边模。

（以下举例均为锻模）

4.1模具的服役条件及要求

锤锻模属于热作模具，是用各种吨位锤产生巨大的冲击功进行毛坯变形的工具，毛坯在短时间内快速成形，模具承受很大的冲击载荷和热磨损。

4.2模具的制造工艺

锻模是在高温条件下冲击加压强迫金属成型的工具。

它经受恶劣复杂的工作条件：

反复受冷受热、承受很大的压应力、张应力和变曲应力；以及炽热金属对模锻型腔的摩擦。

所以模具材料应具有下列的性能：

1.高的机械性能。

在高温下应保持高强度、高韧性、高耐磨性、

2.高的淬透性。

以保证整个模具截面得到均匀一致的机械性能。

3.优良的耐热疲劳性。

使模具表面不因反复受冷受热而产生裂纹。

4.足够的导热性。

确保由锻件传到模具型腔表面的热量能迅速散逸。

以免因温度过高而降低机械性能。

5.良好的工艺性和抗氧化性。

热处理工艺路线：

下料一锻造一退火一粗加工一调质一精加工一淬火+回火一研磨。

始锻温度为1050℃左右，终锻温度为850℃左右，锻造比为2。

退火工艺为830~850℃加热炉冷．调质工艺为860℃加热油冷，670～680℃回火。

精加工后淬火温度为840～860℃，油冷到180℃，立即出油装炉回火，，回火温度为440---470℃，硬度要求为46--47HRC。

毛坯的等温退火工艺曲线（在箱式炉中进行）

锻模毛坯的退火粗车后的调质处理工艺曲线（在盐浴炉中进行）

锻模毛坯的正火——中温回火工艺曲线（在箱式炉中进行）

锻模最终淬火处理工艺曲线

4.3模具材料经淬火及回火的微观组织与机械性能（参考）

4.4微观组织检验要求

正常退火后的组织为细珠光体；淬火后组织为针状马氏体。

经退火后的工件必须立即进行回火，否则将引起开裂。

正常回火后组织为较细的回火屈氏体。

这种组织有合适的硬度和组织稳定性。

若于过低或过高温度回火，则将分别得到回火马氏体和回火索氏体，致模具的硬度达不到要求。

4.5可能出现的失效方式、失效分析、改进方案

主要的失效方式有变形失效、热疲劳失效、磨损失效和断裂失效

变形失效：

模锻是由于外加载荷过大或局部温升过高，使锻模产生塑形变形而造成局部压塌现象以及因锻模工作零件材料的热硬性不足，或者因回火温度过高而造成硬度降低，也会引起锻模局部发生塑性变形。

热疲劳失效：

锻模与炙热（1100~1200℃）坯料金属反复接触，会不断升温，为防止型腔表面发生高温回火而导致锻模硬度下降，就得不断进行冷却，锻模受到高温金属的冷却润滑剂的交替作用，产生交变热应力，容易导致热疲劳破裂。

磨损失效：

模锻中，毛坯在型槽内受挤压流动，同时与型槽壁面发生剧烈的摩擦，造成型槽面磨损，以致引起型槽尺寸变化与表面质量劣化，尤其是飞边槽过桥处磨损最为严重。

因为毛坯金属变形填满型槽后流入飞边槽时，过桥处厚度薄，冷却快，金属与过桥壁摩擦特别剧烈。

锻模磨损的主要类型是磨粒磨损与黏着剪断、脱落现象。

如果锻模淬火后挥霍温度过高，硬度不足，或者因为毛坯氧化皮未除尽，模具型槽表面粗糙，润滑不良等，都会造成锻模加速磨损。

断裂失效：

锻模断裂失效的原因是多方面的，可以分以下类型：

a过载断裂。

当锻模工作零件外加载荷超过其危险界面所能承受的极限应力时，讲发生过载断裂；b疲劳断裂。

锻模经过一定次数的循环载荷或交变应力作用后引发的疲劳断裂，其成分分为3个阶段：

疲劳裂纹的萌生、裂纹的扩展、断裂或瞬断；c脆性断裂。

因锻模刚才存有夹杂物缺陷，或工艺处理不当都有可能使其材质变脆，从而引发脆性断裂。

改进方案：

通过分析原热处理工艺曲线,，我们发现原工艺存在以下不足之处:

：

5CrMnMo钢传统的淬火加热温度为830~870，温度偏低。

淬火组织以针状马氏体为主,材料的力学性能特别是断裂韧度不足锻模淬火入油前在空气中预冷时，若预冷的时间太短，则起不到降温减少热应力的作用；若预冷的时间过长，则型腔中凸起部位温降过多，会发生非马氏体转变,，影响淬火效果。

而且锻模的型腔一般都较为复杂,若采用空气预冷，很难控制型腔中各部位均匀预冷至760~780℃时再进行淬火；5CrMnMo钢的Ms点为215℃当模具淬火冷却至其表面上所附着的油不燃烧,而呈冒青烟（温度约150~200℃）时,若马上在500℃以上回火只会在表面产生马氏体,心部大量的过冷奥氏体会在500℃以上回火时转变成珠光体或粗大的上贝氏体,这两种组织的力学性能都很差,没有利用价值。

热锻模改进后的淬火回火工艺曲线

5、课程学习体会

模具材料这门课虽说是一门选修课，开学初我对这门课并没有什么兴趣，觉得那些东西枯燥乏味，但在这次在撰写课程报告的过程中我发现自己在一点一滴的努力中对其兴趣也在逐渐增加。

这次的结课作业做的并不顺利，找资料成了最头疼的事情，但经过这么久的不懈努力，我又怎么会去在乎那个先后问题呢，因为对我来说学到的不仅是那些知识，更多的是一种态度。

现在想来，也许老师安排的这次作业有着它更深层的意义吧，它不仅仅让我更深入的了解专业的相关知识、运用专业的知识，还让我普及了很多课堂上没有讲到的知识，并且提高了我在这方面的能力!

没开始写之前还在为选材而伤脑筋，然后又在找资料的时候不知从何下手，随之而来的问题却远比我想象的要困难的多。

没想到这看似简单的报告却是非常需要耐心和精力的，今天我已明白这次作业对我来说的意义。

虽然我这次花了很多时间，但我相信我得到的也会更多!

作为一名材料成形专业的大三学生，我觉得这次作业是十分有意义的，而且是十分必要的。

在已度过的大学时间里，我们大多数接触的是专业课，我们在课堂上掌握的仅仅是专业课的理论知识，并没有真正了解这究竟应用到了那里？

所说资料都是从网上、图书馆找来的，但是在整合的过程中不仅提高了自己的逻辑思维，还能让专业知识得以应用。

通过这次作业我也发现了自身存在的不足之处，就是专业知识学得不够踏实，在运用过程中仍有意想不到的困惑，经过一番努力才得以解决。

这也激发了我今后努力学习的兴趣，我想这将对我以后的学习产生积极的影响。

并且我懂得了学习的重要性，了解到理论知识的重要意义，学会了坚持、耐心和努力，这将为自己今后的学习和工作做出了最好的榜样。

我认为这个收获应该说是相当大的。

参考文献

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机械工业出版社

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[5]樊东黎.徐跃明.佟晓辉.热处理工程师手册.北京：

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[6]第一机械工业部机械科学研究院材料研究所.工具钢金相图谱：

第一机械工业部第二局上海工具厂

[7]XX百科