外文翻譯譯文

1、<p>　　本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）</p><p>　　外文參考文獻(xiàn)譯文及原文</p><p>　　學(xué) 院 </p><p>　　專 業(yè) </p><p>　　年級(jí)班別 </p><p>　　學(xué) 號(hào) </p&g

2、t;<p>　　學(xué)生姓名 WORD2007 </p><p>　　指導(dǎo)老師 </p><p><b>　　2016年5月</b></p><p>　　譯文1：汽車零部件熱鍛模具失效分析</p><p>　　Failure analysis of hot fo

3、rging dies for automotive components</p><p>　　Ryuichiro Ebara a,*, Katsuaki Kubota b</p><p>　　a：Department of Mechanical System Engineering, Hiroshima Institute of Technology, 2-1-1, Miyake, Sae

4、ki-ku, Hiroshima 731-5193, Japan</p><p>　　b ：Nichidai Corporation, 14, Shiotani, Zenjoji, Ujitawara-cho, Tsuzuki-gun, Kyoto 610-0201, Japan</p><p>　　Received 16 October 2007; accepted 19 October

5、 2007</p><p>　　Available online 4 November 2007</p><p><b>　　摘 要</b></p><p>　　本文主要概述影響汽車零部件熱鍛模具失效的原因和影響變量，熱鍛模具的失效特征，強(qiáng)調(diào)微觀斷口對(duì)熱鍛模失效分析的重要作用。然后分析了熱鍛模具失效實(shí)例，以及針對(duì)影響變量如模具材料、模具設(shè)計(jì)、

6、模具制造和鍛造操作提出對(duì)策。最后就汽車零部件的熱鍛模具失效分析工程失敗提出幾個(gè)對(duì)策并進(jìn)行簡(jiǎn)要說(shuō)明。</p><p>　　關(guān)鍵詞：熱鍛模，斷口，拉伸的區(qū)域，低周疲勞，熱疲勞</p><p><b>　　1 引 言</b></p><p>　　汽車零部件的熱鍛模具失效是由于模具材料、模具設(shè)計(jì)、模具制造和鍛造操作等變量的不充分性造成的。為了防止模

7、具失效和提高模具壽命，到目前為止已經(jīng)做了很多嘗試。</p><p>　　本文主要從作者的實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)汽車動(dòng)力部件熱鍛模具的失效分析工程失敗的幾個(gè)重要問(wèn)題進(jìn)行簡(jiǎn)要總結(jié)，在影響變量和汽車零部件模具失效的原因進(jìn)行了分類。汽車零部件熱鍛模失效的宏觀特性被視為汽車零部件熱鍛模具的代表。在工程熱鍛模具的失效分析，強(qiáng)調(diào)了斷口重要作用。然后分析熱鍛模具失效原因的例子，介紹應(yīng)對(duì)影響變量的措施，如模具材料、模具設(shè)計(jì)、 模具制造及鍛造操

8、作。最后，對(duì)未來(lái)解決汽車零部件熱鍛模具工程失效分析的問(wèn)題進(jìn)行簡(jiǎn)要描述。</p><p>　　2 熱鍛模具的宏觀特性及失效原因分析</p><p>　　絕大多數(shù)的熱鍛模具的失效主要由不完全影響變量如模具材料、模具設(shè)計(jì)、模具制造和鍛造操作引起的。引起熱鍛模具的失效的原因和影響變量分類如表1所示。</p><p>　　熱鍛模具失效經(jīng)常出現(xiàn)在應(yīng)力集中的角落。圖1為一個(gè)典型

9、失效的熱鍛模具。從宏觀的斷裂面，可以很容易地判斷脆性破壞由角落發(fā)起。這些裂縫經(jīng)常在熱鍛模具的肘桿、控制連接桿、汽車零部件曲軸和凸緣被觀察到。然而，據(jù)低倍放大觀察，絕大多數(shù)裂縫由于機(jī)械疲勞和熱疲勞開(kāi)始從角落發(fā)生脆性斷裂。這些失效特征在汽車部件熱鍛模具的轉(zhuǎn)向節(jié)、凸緣、凸輪軸與汽輪機(jī)葉片出現(xiàn)。圖2為由SKT4鋼制造的凸緣軛在2000次鍛造操作后的斷裂面?？梢院苋菀椎匕l(fā)現(xiàn)，沖擊破壞深度為從表面開(kāi)始往下2.6毫米。圖3為一個(gè)典型的熱鍛模具的熱裂紋

10、連接桿。這些表面裂紋主要由鍛造產(chǎn)品的質(zhì)量原因引起。圖4和圖5分別為觀察節(jié)鍛模表面裂紋和鍛造節(jié)表面上觀察到的表面裂紋。</p><p>　　圖1 汽車用節(jié)鍛模具的宏觀斷裂面，箭頭A和B顯示裂紋起始點(diǎn)，SKD62。</p><p>　　圖2 凸緣軛鍛模斷裂面</p><p>　　（箭頭所示為MnS的沖擊破壞作用點(diǎn)）</p><p>　　表1

11、 熱鍛模具的失效原因和影響變量</p><p>　　3 故障分析過(guò)程和熱鍛模具失效分析微觀斷口的作用</p><p>　　熱鍛模具失效分析過(guò)程與傳統(tǒng)機(jī)械零件失效分析方法基本一致。調(diào)查過(guò)程如圖6所示。首先，熱鍛模具的失效情況及其相關(guān)的數(shù)據(jù)可以被查?。蝗缓?，對(duì)熱鍛模具進(jìn)行宏觀觀察。分別研究鍛造設(shè)備、模具的制造工藝和鍛造模具鋼等影響變量對(duì)熱鍛模具的失效影響，針對(duì)失效原因進(jìn)行詳細(xì)地失效分析。

12、如果有必要，可對(duì)熱鍛模具進(jìn)行模擬試驗(yàn)，在可控范圍內(nèi)制定對(duì)策。</p><p>　　在詳細(xì)分析的過(guò)程中進(jìn)行微觀觀察。到目前為止，相比傳統(tǒng)的機(jī)械和結(jié)構(gòu)，微觀斷口并不常用在熱鍛模具的失效方面。有兩點(diǎn)原因，首先，如前面提到的脆性斷裂，可以很容易地用肉眼觀察在斷面上識(shí)別出來(lái)；第二，有幾個(gè)基本的微觀斷口形式失效，包括鍛造模具鋼在內(nèi)的硬質(zhì)材料。</p><p>　　圖3 連桿熱鍛模具失效</p&

13、gt;<p>　　圖4 熱鍛模具失效，“a”為發(fā)現(xiàn)在熱鍛模具上的小裂縫</p><p>　　因此，對(duì)熱鍛模具鋼進(jìn)行拉伸、沖擊、低循環(huán)疲勞和熱疲勞試驗(yàn)，對(duì)每個(gè)基本微觀斷口數(shù)據(jù)采用實(shí)驗(yàn)4-6 。對(duì)2毫米U型缺口夏比沖擊試樣裂紋進(jìn)行示波沖擊試驗(yàn)。圖7為SKD 61鋼動(dòng)態(tài)沖擊斷裂韌度關(guān)于的試驗(yàn)溫度的函數(shù)，最大組 達(dá)到573 K，韌脆轉(zhuǎn)變溫度為423 K。圖8為SKD62鋼的沖擊斷口。在室溫下觀察到解理斷裂

14、（圖8a），在673 K觀察到韌窩（圖8b）。一般熱鍛模具鋼的韌脆轉(zhuǎn)變溫度在373K～423K范圍內(nèi)。以解理和沿晶斷裂為主的鋼材的韌脆性轉(zhuǎn)變溫度比混合模式溫度下的溫度低，而以韌窩為主的鋼材的韌脆轉(zhuǎn)變溫度具有更高的溫度比。因此，利用這些沖擊斷口的微觀特征可以定性鑒別斷裂面是否為沖擊韌性或脆性斷裂。圖9為觀察錘鍛模具鋼SKT4拉伸區(qū)和沖擊斷口，測(cè)試溫度越高，拉伸帶寬度越寬。圖10為一組 與拉伸區(qū)寬度的函數(shù)。正如所提及的熱鍛模具失效后的溫度可

15、以通過(guò)測(cè)量拉伸斷裂面寬度來(lái)定量測(cè)定。</p><p>　　圖5 節(jié)鍛件發(fā)現(xiàn)的小裂紋，箭頭顯示為鍛造時(shí)發(fā)現(xiàn)的小裂紋</p><p>　　圖6 熱鍛模具失效分析方法</p><p>　　圖7 動(dòng)態(tài)斷裂韌度與測(cè)試溫度函數(shù)</p><p>　　圖8 沖擊斷口，SKD62：（a）RT；（b）673 K。</p><p>　　

16、對(duì)于應(yīng)力集中的圓形缺口圓棒試樣的低周疲勞壽命試驗(yàn)系數(shù)，室溫下為2.3，573 K，1CT時(shí)，試樣在室溫下的裂紋擴(kuò)展試驗(yàn)，SKD62鋼在473 K和723 K溫度下進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)。在低循環(huán)疲勞壽命試驗(yàn)中，觀察試件條紋斷口結(jié)果，確定失效的周期數(shù)大于100（圖1d）。失效次數(shù)低于10時(shí)，在疲勞裂紋萌生區(qū)可觀察到的韌窩（圖11B）。</p><p>　　圖9 延伸區(qū)，SKD62 ：（a）RT；（b）673 K. SZ：拉伸

17、區(qū)，F(xiàn)：疲勞區(qū)，C：解理區(qū)，D：韌窩區(qū)。</p><p>　　圖10 動(dòng)態(tài)斷裂韌度與拉伸區(qū)的寬度函數(shù)</p><p>　　紋主要出現(xiàn)在裂紋擴(kuò)展測(cè)試的試樣在室溫、473 K和723 K的斷裂表面。在對(duì)SKD62鋼板試樣熱疲勞試驗(yàn)結(jié)果分析，采用實(shí)驗(yàn)室自制的熱疲勞試驗(yàn)裝置的加熱溫度增加，裂紋萌生的周期數(shù)下降。</p><p>　　圖11 低周疲勞斷裂面。</p&g

18、t;<p>　?。╝、b）軸向應(yīng)力：1274.9MPa，循環(huán)次數(shù)：7；</p><p>　?。╟,d）軸向應(yīng)力：1029.7MPa，循環(huán)次數(shù)：；</p><p>　　（b，d）為（a、c）的放大圖，箭頭指示為裂紋擴(kuò)展方向。</p><p>　　熱疲勞裂紋穿晶擴(kuò)展路徑和條紋狀圖案的主要出現(xiàn)在圖12。圖13為反向齒輪熱鍛模具在1000次熱鍛后的失效斷裂面，

19、熱疲勞裂紋在表面上明顯地出現(xiàn)。此外，條紋或條紋狀圖案可在斷裂面可見(jiàn)。這些條紋或條紋狀圖案與那些在圖12中觀察到的非常相似，熱疲勞斷裂可定量識(shí)別條紋狀圖案。使用循環(huán)的熱鍛模的疲勞失效次數(shù)和熱疲勞條紋間距進(jìn)行定量分析是將來(lái)的問(wèn)題。</p><p>　　4 熱鍛模具失效原因分析及對(duì)策</p><p>　　4.1 熱鍛模具由鍛造模具鋼引起失效</p><p>　　斷裂韌

20、性是熱鍛模具鋼的重要力學(xué)性能之一。眾所周知，斷裂韌性不同于取向錠。錘鍛模具鋼SKT4 不同方向沖擊試驗(yàn)結(jié)果表明：2毫米U型缺口夏比沖擊值在573 K時(shí)有40%的數(shù)據(jù)不同。因此在熱鍛模設(shè)計(jì)時(shí)，必須考慮由模具鋼所采取的鍛造比和流量方?jīng)Q定模具的重力方向。圖2中的1毫米長(zhǎng)度的非金屬夾雜物MnS可以在沖擊破壞起始點(diǎn)觀察。D6×400鋼的清潔度為0.083，為正常值，這種鋼的顯微組織也很正常。這種失效是由不當(dāng)?shù)腻懺毂纫鸬?。?duì)鍛造比和鍛件

21、數(shù)量的控制，可以阻止這一失效?？鼓p性能和機(jī)械加工性能也是熱鍛模具鋼的重要屬性。通過(guò)對(duì)熔融熱鍛模具鋼熱處理的小心控制可以防止熱鍛模具失效。</p><p>　　圖12 試樣的熱疲勞斷裂面</p><p>　　（a）、加熱溫度：673K，循環(huán)次數(shù)：100；（b）、加熱溫度：873K，循環(huán)次數(shù)：100。</p><p>　　4.2由模具設(shè)計(jì)引起熱鍛模具失效</p&

22、gt;<p>　　大部分熱鍛模具失效都是從拐角處開(kāi)始。因此在模具設(shè)計(jì)中對(duì)拐角尺寸的測(cè)定是非常重要的。SKD62鋼圓棒U型缺口試樣的低周疲勞試驗(yàn)在應(yīng)力集中系數(shù)1.4–2.6進(jìn)行。圖14為104個(gè)周期的疲勞強(qiáng)度和應(yīng)力集中系數(shù)的關(guān)系。提高應(yīng)力集中系數(shù)，疲勞強(qiáng)度在104次循環(huán)時(shí)降低。熱鍛模具鋼的低周疲勞強(qiáng)度與熱鍛模具的疲勞強(qiáng)度不完全一致。然而，由熱鍛模具的機(jī)械重復(fù)載荷和應(yīng)力集中系數(shù)引起的裂紋萌生應(yīng)力的關(guān)系可以認(rèn)為幾乎相同。為了防止

23、熱鍛模的失效，拐角尺寸必須非常仔細(xì)地確定。</p><p>　　4.3 由模具制造引起的熱鍛模具失效</p><p>　　Tufftride 和離子氮化等表面處理方法被頻繁地用于防止熱鍛模具失效，延長(zhǎng)模具壽命。很明顯，表面處理如涂Tufftride和離子氮化在高應(yīng)力區(qū)不能達(dá)到預(yù)期效果，如圖15所示。表2中總結(jié)了預(yù)期改善的應(yīng)力和循環(huán)次數(shù)。二者的差異在于表面處理的疲勞強(qiáng)度取決于表面硬度、淬火硬

24、化層深度和淬硬層的性能。</p><p>　　圖13 熱鍛模具的熱疲勞斷裂面：（a）、起始；（b）、表面0.75mm處。</p><p>　　圖14 104次循環(huán)疲勞強(qiáng)度與應(yīng)力集中系數(shù)的函數(shù)</p><p>　　圖15 SKD62鋼低周疲勞強(qiáng)度表面硬化效應(yīng)</p><p>　　表2 表面硬化對(duì)低循環(huán)疲勞強(qiáng)度的影響</p>

25、<p>　?。侯A(yù)期應(yīng)力的表面硬化影響，：抗拉強(qiáng)度，：表面硬化影響的預(yù)計(jì)周期次數(shù)。</p><p>　　圖16 預(yù)期表面硬化效應(yīng)與應(yīng)力集中系數(shù)之間的函數(shù)關(guān)系</p><p>　　圖16為改善預(yù)期應(yīng)力與表面處理和應(yīng)力集中系數(shù)之間的關(guān)系。熱鍛模具表面處理對(duì)低應(yīng)力集中系數(shù)的影響。</p><p>　　4.4 鍛造操作引起的熱鍛模具失效</p>

26、<p>　　作為上述，熱鍛模具鋼的斷裂韌性在573 K時(shí)有一個(gè)最大的斷裂韌度。這意味著在鍛造操作前進(jìn)行預(yù)熱是絕對(duì)必要的。到目前為止，由預(yù)熱溫度不充分引起熱鍛模失效可以在鍛造操作過(guò)程中判斷。</p><p>　　最近在斷裂面上測(cè)得的拉伸帶寬度，使熱鍛模具預(yù)熱溫度可以定量假設(shè)。圖17為連桿和反向齒輪熱鍛模具斷裂面上觀察到的拉伸區(qū)域，疲勞和沖擊斷裂面之間的拉伸帶可以清楚地觀察到。利用如圖6所示的在拉伸區(qū)區(qū)域測(cè)

27、得動(dòng)態(tài)斷裂韌度的關(guān)系，再在圖7所示的關(guān)系中找到加熱溫度。熱模鍛連桿，SZW；，；和失效溫度328 K。在這種情況下將導(dǎo)致預(yù)熱不足，失效溫度可能低于373 K，熱鍛模具由于預(yù)熱不充分，在10次鍛造操作后，在表面產(chǎn)生裂紋。</p><p>　　圖17 熱鍛模具斷口拉伸區(qū)：（a）、連桿；（b）反向齒輪；C：解理面；F：疲勞區(qū)；SZ：拉伸區(qū)。</p><p>　　對(duì)于反向齒輪，SZW；，；和失效溫

28、度473 K，在這種情況下，預(yù)熱充分，失效原因可認(rèn)為是不正確的模具設(shè)置。如圖2所示為凸緣軸軛熱鍛模具失效所測(cè)量的拉伸區(qū)域?qū)挾?。失效溫度?73K。</p><p><b>　　總 結(jié)</b></p><p>　　本文簡(jiǎn)要地總結(jié)了引起熱鍛模具失效的影響變量和原因、失效特征、熱鍛模具失效分析實(shí)例以及相應(yīng)的應(yīng)對(duì)措施，引起熱鍛模具失效的原因很復(fù)雜，主要有模具材料、模具設(shè)計(jì)、

29、模具制造和鍛造操作等。當(dāng)然，熱鍛模具失效必須針對(duì)每一個(gè)失效進(jìn)行分析。模具鋼的最新進(jìn)展，使得模具鋼的表面處理和應(yīng)力分析形成通用的失效分析方法。熱鍛的操作趨勢(shì)嚴(yán)重趨向溫鍛成形，除了裂紋問(wèn)題，耐磨性必須進(jìn)行評(píng)估，模具設(shè)計(jì)和潤(rùn)滑方式有必要改進(jìn)?？茖W(xué)分析積累的知識(shí)必須有效地鏈接到現(xiàn)代技術(shù)，進(jìn)而有效地防止熱鍛模具的失效和延長(zhǎng)模具壽命。</p><p><b>　　參考文獻(xiàn)</b></p>

30、<p>　　[1] 荏原R,久保田K.日本SoC塑料技術(shù)[J].1982，23:977–83.</p><p>　　[2] 荏原R,久保田K,尼斯貝特,梅利利等編輯.鋼鍛件.ASTM STP 903；1987，583–92.</p><p>　　[3] 荏原R,西田編輯.宏觀和微觀的斷裂[M].WIT出版社,2003,243-53.</p><p>

31、　　[4] 荏原R,井上K,久保田K.日本SOC材料科學(xué)[J].1980,29:599–604。</p><p>　　[5] 荏原R,山田Y,山田T,久保田K.日本材料科學(xué)[J].1987,36:513–9。</p><p>　　[6] 荏原R,久保田K,koterazawa R,西田.斷口分析，目前日本的材料研究，6卷， </p><p>　　Elsevie

32、r科學(xué)應(yīng)用；1990,第125-40頁(yè).</p><p>　　[7] 日本模具技術(shù)協(xié)會(huì).熱鍛模具壽命對(duì)策[A]. Nikkankogyoshinbunsha,2001.</p><p><b>　　原文1</b></p><p>　　Failure analysis of hot forging dies for automotive com

33、ponents</p><p>　　Ryuichiro Ebara a,*, Katsuaki Kubota b</p><p>　　a：Department of Mechanical System Engineering, Hiroshima Institute of Technology, 2-1-1, Miyake, Saeki-ku, Hiroshima 731-5193, Ja

34、pan</p><p>　　b ：Nichidai Corporation, 14, Shiotani, Zenjoji, Ujitawara-cho, Tsuzuki-gun, Kyoto 610-0201, Japan</p><p>　　Received 16 October 2007; accepted 19 October 2007</p><p>　　A

35、vailable online 4 November 2007</p><p>　　譯文2：冷鍛模具的微觀斷口失效分析</p><p>　　Microfractography in failure analysis of cold forging dies</p><p>　　R.Ebara a,*, K. Takeda a, Y. Ishibashi b, A.

36、Ogura c, Y. Kondo c, S. Hamaya c</p><p>　　a:Department of Mechanical System Engineering, Hiroshima Institute of Technology, 2-1-1, Miyake, Saeki-ku, Hiroshima 731-5193, Japan</p><p>　　b:MHI S

37、olution Technologies, 4-6-22, Kan-on-shin-machi, Hiroshima 733-0036, Japan</p><p>　　c:Nichidai Corporation, 14, Shiotani, Zenjoji, Ujitawara-cho, Tsuzuki-gun, Kyoto 610-0201, Japan</p><p><b&

38、gt;　　摘 要</b></p><p>　　本文主要對(duì)52–68HRC模具鋼的拉伸、疲勞斷口、三點(diǎn)彎曲和沖擊冷鍛的微斷裂圖形特征的介紹。重點(diǎn)是放在前面的疲勞裂紋擴(kuò)展區(qū)的疲勞裂紋與這些冷鍛模具鋼的拉伸帶的寬度以及斷裂韌性之間的關(guān)系。最后簡(jiǎn)要描述為冷鍛模具失效的定量分析可以通過(guò)測(cè)量拉伸區(qū)的寬度來(lái)衡量。</p><p>　　關(guān)鍵詞：微觀斷口失效分析，冷鍛模具鋼的硬度，疲勞<

39、/p><p><b>　　1 引 言</b></p><p>　　冷鍛模具的失效是由于模具材料、模具設(shè)計(jì)、模具制造和鍛造操作等變量的不充分性造成的。大部分冷鍛模具失效是由于冷鍛過(guò)程中受應(yīng)力集中所導(dǎo)致疲勞裂紋萌生的影響。為了防止故障的發(fā)生，以及提高冷鍛模具的壽命，因此有必要對(duì)FA疲勞和冷鍛模具鋼的斷裂行為進(jìn)行評(píng)估。研究者們已經(jīng)對(duì)冷鍛模具鋼的低循環(huán)疲勞、超高周疲勞和斷裂行為

40、進(jìn)行研究。然而，應(yīng)用于冷鍛模具鋼的失效故障分析的微觀斷口非常罕見(jiàn)，原因在于冷鍛模具鋼的斷口形貌和硬度比常規(guī)結(jié)構(gòu)鋼的斷裂表面形貌少。</p><p>　　本文主要對(duì)52-68HRC商用冷鍛模具鋼的拉伸、疲勞、沖擊和三點(diǎn)彎曲的斷裂表面形貌特征進(jìn)行介紹，重點(diǎn)對(duì)放置在前面的疲勞裂紋的拉伸帶的特征與冷鍛模具鋼硬度的關(guān)系進(jìn)行描述。最后，利用冷鍛模具的定量失效分析來(lái)描述冷鍛模具鋼的拉伸帶寬度與斷裂韌性之間的關(guān)系。</p&

41、gt;<p>　　2 冷鍛模具鋼的斷口形貌</p><p>　　在本文中，商用冷鍛模具鋼的斷口形貌，如工具鋼SKD61、SKD11、QCM8，高速鋼YXM1，YXM4，YXR3、YXR33和YXR3，以及粉末高速鋼和硬質(zhì)合金GM60、HAP72。這些鋼淬火和回火后的洛氏硬度值分別為52 - 68。這些鋼的化學(xué)成分和熱處理?xiàng)l件請(qǐng)見(jiàn)單獨(dú)附頁(yè)。</p><p><b>

42、　　2.1拉伸斷口</b></p><p>　　采用8毫米直徑的圓棒試樣進(jìn)行了商用冷鍛模具鋼的拉伸試驗(yàn)。冷鍛模具鋼的硬度越高，抗拉強(qiáng)度越高。相反，硬度越高，伸長(zhǎng)率越小。以相對(duì)較小的硬度HRC52對(duì)試樣SKD61進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，如圖1a所示的杯錐型斷口。在主要觀察韌窩B和C區(qū)的宏觀裂縫真實(shí)表面（圖1B、C和D），斷裂表面上觀察到高硬度鋼如碳基體高速鋼如圖2a所示不是杯錐型斷口。如圖2a所示的是解理斷裂面，圖2

43、B所示的是韌窩混合模式的穿晶斷裂面。在B和C區(qū)域觀察到相同的斷口形貌。圖3顯示了高速鋼， YXM4，粉末鋼，HAP72和燒結(jié)鋼WC-Co的裂紋萌生區(qū)斷口，YXM4與YXR3鋼的斷口相似。對(duì)HAP72，斷口呈穿晶擴(kuò)展（圖3b），而WC-Co主要是沿晶斷裂（圖3c）。</p><p><b>　　2.2疲勞斷口</b></p><p>　　為了研究影響YXM4和YXR3鋼

44、的表面粗糙度、熱處理、應(yīng)力集中系數(shù)和表面處理，對(duì)高速鋼SKD61、YXM4和YXR3鋼進(jìn)行低周期和超高周期疲勞試驗(yàn)。YXR3鋼主要突出觀察應(yīng)力集中系數(shù)對(duì)低循環(huán)疲勞強(qiáng)度的影響；表面粗糙度對(duì)低循環(huán)和超高周疲勞強(qiáng)度的顯著影響是YXM4鋼的洛氏硬度值HRC66 。在低于8×104循環(huán)周期的YXR3鋼和4.5×104循環(huán)周期的YXM1鋼中，平面試件裂紋起源于表面，而非金屬夾雜物在對(duì)于超過(guò)8×104周期的YXR3鋼和4

45、.5×104周期的YXM1鋼的表面區(qū)域萌生裂紋（見(jiàn)圖4）。</p><p>　　觀察所有試樣在超高周疲勞循環(huán)條件下子表面裂紋萌生情況。對(duì)于缺口試樣YXR3鋼，開(kāi)始從缺口表面萌生相反的裂紋。宏觀斷口觀察表明：YXR3鋼試樣缺口觀察到較小的應(yīng)力集中系數(shù)和較大的應(yīng)力幅值不等的光滑疲勞斷口。圖5顯示疲勞斷口形貌與應(yīng)力幅值之間的關(guān)系。應(yīng)力幅值越大，疲勞斷口形貌越小。應(yīng)力集中系數(shù)越大，則疲勞斷口形貌越大。穿晶斷裂面

46、集中在缺口試樣的平面裂紋擴(kuò)展區(qū)，在低周期和千兆周期疲勞斷裂表面沒(méi)有觀察到條紋。使用2.5毫米鋸切的碳化鎢鈷燒結(jié)鋼試樣進(jìn)行的沖擊韌性和斷裂韌性測(cè)試，同樣可以觀察到疲勞萌生的沿晶斷口裂紋。</p><p>　　圖1 拉伸斷裂表面，SKD61，HRC 52，Ru 1674 MPa</p><p>　?。╝）、宏觀斷口；（b）、圖a中韌窩A的放大圖；（c）、圖d為圖a中韌窩B的放大圖,圖c為a圖中

47、韌窩C的放大圖。</p><p>　　圖2 拉伸斷口，YXR3，HRC 61,RU 2487 MPa：（a）、宏觀斷口;（b）、圖a中韌窩A放大圖。</p><p>　　圖3 拉伸斷裂表面的裂紋萌生區(qū)</p><p>　?。╝）YXM4 ，HRC 64，RU 2688 MPa；（b）HAP72, HRC 67，RU 2618 MPa;</p><

48、p>　　（c）WC-Co, HRC 68，Ru2108 MPa。</p><p><b>　　2.3沖擊斷口</b></p><p>　　圖6顯示為5毫米，2.5毫米和2.5毫米鋸切疲勞裂紋（1.64–2.25毫米）U型缺口試樣進(jìn)行的夏比沖擊試驗(yàn)。這些標(biāo)本的尺寸分別為長(zhǎng)55毫米、寬10毫米、厚10毫米。</p><p>　　冷鍛模具鋼的夏

49、比沖擊功對(duì)試樣缺口非常敏感。在SKD61上能觀察到最突出的缺口效應(yīng)，硬度越大，沖擊能量越小。冷鍛模具鋼的沖擊能量與其他韌性結(jié)構(gòu)鋼管相比較低，5毫米缺口試樣宏觀斷裂面均為脆性帶。觀察SKD61試樣能發(fā)現(xiàn)具有較小的硬度的剪切邊。2.5毫米鋸切的宏觀斷裂面和經(jīng)2.5毫米疲勞鋸切的裂紋更脆。剪切觀察試件除SKD61鋼沒(méi)有剪切邊。除了WC-Co鋼，觀察各試驗(yàn)鋼均發(fā)現(xiàn)解理斷口。WC-Co硬質(zhì)合金的斷口為沿晶斷口。圖7為2.5毫米斷面鋸切與耐熱疲勞裂

50、紋。在宏觀斷裂表面很容易區(qū)分疲勞斷口和沖擊斷口（圖7A）。圖7a中，在低倍鏡下，可以很容易的辨別出斷裂面（圖7b）。鋼的硬度越高，辨別不容易。YXR3鋼較容易辨別（圖8a），而HAP72則較為困難（圖8b）。工具鋼和高速鋼的疲勞斷口形貌呈穿晶擴(kuò)展（圖7），沖擊斷口為解理擴(kuò)展（圖7C）。然而，WC-Co鋼主要是沿晶斷裂，在工具鋼和高速鋼的疲勞斷裂面和沖擊斷裂面之間可以清楚地觀察到拉伸帶（圖9），從此圖中，可以明顯發(fā)現(xiàn)，寬度較大的拉伸區(qū)的鋼

51、的硬度較低。圖10a所示，硬質(zhì)鋼的拉伸區(qū)發(fā)現(xiàn)了粉末鋼HAP72，而燒結(jié)鋼WC-Co的拉伸區(qū)不易確定（圖10</p><p>　　圖4 疲勞斷裂面。YXM4，HRC61.5，600 MPa，1×105周期：（a）、萌生區(qū)和（b）擴(kuò)展區(qū)。</p><p>　　圖5 缺口試樣疲勞斷口形貌應(yīng)力幅值函數(shù)曲線</p><p>　　圖6 不同缺口的冷鍛模具鋼硬度與夏

52、比沖擊功的關(guān)系曲線</p><p>　　圖7 沖擊斷口，SKD61，HRC 52，2.5毫米疲勞裂紋鋸切</p><p>　　（a）、宏觀斷口；（b）、a圖中D處放大圖；（c）、沖擊斷口（圖c中韌窩A的放大圖）；（d）、疲勞斷口（圖c中韌窩C放大圖）。</p><p>　　2.4三點(diǎn)彎曲試樣的斷口形貌</p><p>　　三點(diǎn)彎曲斷裂韌性測(cè)

53、試按照ASTM標(biāo)準(zhǔn)E399-90，用長(zhǎng)55 mm、寬10毫米，厚度為10毫米的試樣進(jìn)行測(cè)試，裂紋的長(zhǎng)度為1.64~2.25毫米，短于試樣的鋸切缺口長(zhǎng)的2.5毫米。</p><p>　　圖11顯示了冷鍛模具鋼的斷裂韌性與硬度的關(guān)系。硬度越高，斷裂韌度越低。硬度和斷裂韌性之間的關(guān)系可以表示如下：</p><p>　　斷裂韌度（MPa）=-1.445×HRC+110.37。</p

54、><p>　　圖8 疲勞和沖擊斷口。2.5毫米的鋸切疲勞裂紋：（a）YXR3，HRC61；（b）、 HAP72，HRC67。</p><p>　　圖9 延伸區(qū)：（a）、SKD61，HRC52；（b）、YXR3，HRC61；（c）、 YXM4，HRC64。</p><p>　　三點(diǎn)彎曲斷裂面斷口形貌基本與夏比2.5 mm鋸切切疲勞裂紋的沖擊斷口形貌相同。三點(diǎn)彎曲斷裂面

55、上的疲勞斷口形貌和不穩(wěn)定斷口形貌與沖擊斷口的形貌特征相同。斷裂面上清楚地觀察到疲勞斷裂與不穩(wěn)定斷裂的伸長(zhǎng)區(qū)域。圖12所示為HAP72和 SKD62鋼材的三點(diǎn)彎曲斷裂面。從宏觀斷口（圖12a和c）上很容易區(qū)分疲勞斷裂面和不穩(wěn)定斷裂面。在伸長(zhǎng)區(qū)可以清楚地區(qū)別疲勞斷裂面和失穩(wěn)斷裂面（圖12b和d）。</p><p>　　拉伸區(qū)的寬度可以很容易地用掃描電鏡低倍放大無(wú)誤差地測(cè)量，拉伸區(qū)的寬度幾乎是不變的。硬度較低的鋼材，鋼

56、中的拉伸帶寬度越寬。拉伸帶的寬度與斷裂韌度相關(guān)。對(duì)冷鍛模具鋼進(jìn)行定性分析，得到拉伸區(qū)寬度越大，材料的斷裂韌性越小。貝茨和克拉克研究表明，拉伸帶寬度與KC / RY 有很好的相關(guān)性。已經(jīng)有學(xué)者研究證實(shí)這種關(guān)系適用于廣泛的結(jié)構(gòu)材料的韌性分析。本文的研究結(jié)果表明，拉伸區(qū)的寬度和KC / RY之間的關(guān)系可以描述各種結(jié)構(gòu)材料，包括如圖13所示的冷鍛模具鋼。SZW（）和之間的聯(lián)系可以表示如下：</p><p>　　圖10

57、伸長(zhǎng)區(qū)：（a）、HAP72, HRC68；</p><p>　　（b）、WC-Co，HRC67，圖中箭頭所指處是疲勞斷裂面和沖擊斷裂表面的分界。</p><p>　　圖11 冷鍛模具鋼的斷裂韌性與硬度的關(guān)系</p><p>　　圖12 拉伸區(qū)三點(diǎn)彎曲斷裂面：（a，b）為SKD61;（c，d）為 HAP72。</p><p>　　3 冷鍛

58、模具失效分析</p><p>　　如上所述的基本斷裂面形貌如拉伸、疲勞、沖擊和三點(diǎn)彎曲在數(shù)十種熱鍛模具鋼中被發(fā)現(xiàn)。在失效分析過(guò)程中，這些基本的宏觀和微觀斷口形貌可以進(jìn)行定性分析，找出冷鍛模具鋼失效的原因。已經(jīng)有研究者研究表明：熱鍛模具鋼的動(dòng)態(tài)斷裂韌性和拉伸區(qū)域的寬度具有良好的相關(guān)性。這種關(guān)系被證實(shí)對(duì)熱鍛模具故障的定量分析是有用的。</p><p>　　圖13 拉伸區(qū)域?qū)挾扰c之間的函數(shù)關(guān)系

59、</p><p>　　圖14 冷鍛模具鋼斷裂面</p><p>　　熱鍛模失效的原因，如連桿，倒檔齒輪和凸緣的失效原因已經(jīng)通過(guò)使用動(dòng)態(tài)斷裂韌性和拉伸區(qū)寬度這一關(guān)系證實(shí)。在冷鍛模具失效的情況下，也觀察到了一個(gè)如圖14所示的冷鍛模具的斷裂面。通過(guò)測(cè)量冷鍛模具失效的拉伸斷裂區(qū)域的寬度可以確定斷裂韌性。因此，通過(guò)測(cè)量拉伸區(qū)域?qū)挾葋?lái)確定冷鍛模具的失效分析是可能的。</p><p&

60、gt;<b>　　4 總 結(jié)</b></p><p>　　本文對(duì)硬度為HRC50~68的商用冷鍛模具鋼進(jìn)行了拉伸、疲勞、沖擊和三點(diǎn)彎曲的基本斷裂面形貌的分析，并對(duì)對(duì)冷鍛模具鋼的疲勞裂紋擴(kuò)展和硬度進(jìn)行了表征。最后，利用冷鍛模具鋼的拉伸帶寬度與斷裂韌性之間的關(guān)系，可以使冷鍛模具的失效分析成為可能。</p><p><b>　　參考文獻(xiàn)</b>&l

61、t;/p><p>　　[1] 山下，巴林，荏原、久保田K，ATEM'07，CDROM，JSME-MMD，2007.</p><p>　　[2] 荏原R，方山，山本，Ueji R,村K，小倉(cāng)等.疲勞和塑性：從機(jī)械化到設(shè)計(jì)，加爾 </p><p>　　蒂埃，鮑得里克編輯.JIP2008出版,SF2M,2008,第257-64頁(yè).</p><p

62、>　　[3] 小林H、荏原、小倉(cāng)、近藤Y，Hamaya S,埃里森杰，瓊斯JW，拉森，里奇R編著.</p><p>　　第四屆超高周期性疲勞國(guó)際會(huì)議.2007年，頁(yè)碼：319-24.</p><p>　　[4] 荏原,武田K,石橋,小倉(cāng),近藤Y,hamaya S.ECF17會(huì)議記錄.2008,頁(yè)碼：2369-76.</p><p>　　[5] Spitz

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65、ng dies</p><p>　　R.Ebara a,*, K. Takeda a, Y. Ishibashi b, A. Ogura c, Y. Kondo c, S. Hamaya c</p><p>　　a:Department of Mechanical System Engineering, Hiroshima Institute of Technology, 2-1-1,

66、 Miyake, Saeki-ku, Hiroshima 731-5193, Japan</p><p>　　b:MHI Solution Technologies, 4-6-22, Kan-on-shin-machi, Hiroshima 733-0036, Japan</p><p>　　c:Nichidai Corporation, 14, Shiotani, Zenjoji, U