熱鍛模具鋼用于制造高溫狀態(tài)下壓力加工的模具，具有高速、高溫、強(qiáng)負(fù)荷、高韌性的惡劣工作環(huán)境，型腔內(nèi)局部溫度可高達(dá)600℃，因此熱穩(wěn)定性能成為熱鍛模具鋼的一個重要指標(biāo)。

本文分析的汽車用熱鍛模材料為H13，采用電渣重溶和普通熱處理，設(shè)計硬度為48±1HRC，使用初期即發(fā)生開裂。宏觀觀察模具外觀，模具鍛造比較大，型腔較深，開裂位置貫穿模具型腔最深處。宏觀圖片如下圖：

圖1  樣品實物照片及開裂位置

圖2  斷口宏觀圖片

根據(jù)模具的失效情況，我們分別對模具的工況，材料，熱處理指標(biāo)硬度、金相等進(jìn)行了失效分析檢測

樣品前處理

一、硬度測試

結(jié)果分析：模具型腔內(nèi)硬度有明顯降低，基體硬度超出設(shè)計要求。

二、化學(xué)成分

結(jié)果分析：模具化學(xué)成分符合標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范要求，未見異常。

三、金相分析

圖3  1#件模具型腔表面顯微組織  100×

圖4  1#件模具型腔熱疲勞裂紋顯微組織  500×

圖5  1#件模具型腔熱疲勞裂紋未腐蝕  500×

圖6  1#件垂直于型腔面帶狀組織  100×

圖7  1#件心部晶粒度  100×

圖8  1#件裂紋附近顯微組織  100×

圖9  1#件裂紋附近顯微組織  500×

圖10  1#件基體顯微組織  500×

圖11  1#心部夾雜物未腐蝕  200×

結(jié)果分析：失效模具顯微組織如圖3至圖11所示。經(jīng)過對比分析，分析結(jié)果如下：型腔面存在＜0.1mm的熱疲勞裂紋（見圖3-5），基體組織為粗大貝氏體+回火馬氏體+少量共晶碳化物（見圖9/10），鋼材存在成分偏析，組織偏析形成的纖維帶狀組織與裂紋方向平行（見圖6/8），基材晶粒度8級（見圖7），有輕微夾雜物（見圖11）。模具心部存在較粗大的針狀貝氏體，組織有明顯的偏析，可能熱處理過程存在不規(guī)范。

四、分析結(jié)論

1、宏觀觀察樣品，裂紋起始位置位于型腔內(nèi)部一端中間位置，模具型腔有使用痕跡，導(dǎo)向凸起有撞擊痕跡，斷面裂紋走向由型腔面向基體呈河流狀延伸；

2、模具型腔處硬度為46HRC，基體硬度為51.5HRC左右，超出設(shè)計要求，型腔面由于使用受熱產(chǎn)生了硬度降低和疲勞微裂紋；

3、模具成分符合H13范圍要求，但存在微觀偏析，經(jīng)過顯微硬度對比，偏析處硬度約550HV1，遠(yuǎn)離偏析處約500HV1，當(dāng)基材偏析較嚴(yán)重時，易使鋼材力學(xué)性能產(chǎn)生各向異性，并且失效模具型腔面與帶狀組織垂直，有利于裂紋擴(kuò)展。

4、綜合以上分析，失效模具基體組織較粗大、硬度較高，是材料脆性增加的主要原因。