H13热作模具钢多尺度复相组织调控与热疲劳机制的关联性研究

H13 steel is widely used for hot work dies in the world. However, the thermal fatigue cracks appear earlier in the grain boundaries and the interface between carbides has become the bottleneck problem of related application field due to its microstructure is a single martensitic matrix, which is subjected to high temperature in service leading to carbides precipitation and coarsening easily. Therefore, improve and enhance the thermal fatigue properties is the key to prolonging the service life of mould.The multi-phase microstructure can effectively delay the thermal fatigue crack initiation and propagation to improve the service life of H13 hot-work die steel, but the mechanism is no systematic studied yet. . This project intends to research the phase characteristics, microstructural evolution, mechanical properties and thermal fatigue performance by carbon partitioning process combined with sub-zero treatment to adjust the state of microstructure and control the phase scale of H13 hot-work die steel. To explore the effects of multi-phase microstructure on the thermal fatigue performance. To clarify the law and mechanism of the thermal fatigue crack initiation and extension under the condition of multi-phase and multi-scale of the microstructure. And establish a correlation between process - microstructure(scale) - thermal fatigue mechanism and the corresponding model to provide the theoretical directions in engineering applications by multi-phase and multi-scale microstructure controlling for improvement the thermal fatigue performance and service life of H13 steel. Related research plays an important role in whole evolution process of thermal fatigue crack initiation and propagation under the condition of different microstructure state and scale.

H13热作模具钢应用广泛，但由于其单一马氏体基体组织在模具服役中因高温回火易使碳化物析出和粗化，在晶界和碳化物界面处过早出现热疲劳裂纹已成为相关工程应用领域效率提升的瓶颈问题。因此，改善热疲劳性能是提高模具使用寿命的关键。复相组织能有效延缓H13热作模具钢热疲劳裂纹的萌生和扩展，但其作用机制尚不清楚。本项目采用碳分配结合低温处理对H13钢进行多尺度复相组织调控，研究碳分配及低温处理过程的相变特征、组织结构演变、力学性能及热疲劳性能的影响规律；探讨碳分配和低温处理对H13热作模具钢组织状态和组织尺度的影响；揭示多尺度复相组织条件下热疲劳裂纹萌生和扩展的作用机制，建立工艺-组织（尺度）-热疲劳机制的关联性及相应模型。相关研究对深入认识不同组织状态和组织尺度条件下热疲劳裂纹萌生和扩展的整个演变过程有重要作用，为H13钢多尺度复相组织调控提高热疲劳性能和模具寿命的工程应用提供科学指导。

模具工业发展水平己成为衡量国家制造业水平高低的重要标志之一。H13热作模具钢常规处理后具有的单一马氏体基体组织在回火过程中碳化物易析出和粗化，导致模具在服役过程中常出现软点或局部塌陷以及热疲劳裂纹的过早萌生和快速扩展而降低模具的使用寿命。模具在服役中因热疲劳裂纹的萌生和快速扩展导致模具寿命不理想已成为制约现代装备制造业生产效率提升的瓶颈问题之一。如何进一步改善H13热作模具钢的热疲劳性能和提高模具的使用寿命已成为装备制造业急需解决的关键课题。本项目通过对H13热作模具钢强韧化机理以及热疲劳裂纹萌生和扩展机制的深入研究，明确了热作模具钢在服役过程中出现软点或局部塌陷以及热疲劳裂纹萌生和扩展的微观机制。通过采用低温处理、M/BL等温复相处理及M/RA碳配分复相处理等方式调控H13钢基体组织形态、组织尺度、组织分布以及第二相碳化物的析出行为和粗化进程，并对经低温处理、M/BL等温复相处理及M/RA碳配分复相处理的H13钢进行深入研究，探讨了具有不同尺度、形态和分布的复相组织对H13钢力学性能、热稳定性及热疲劳性能的影响规律。基于对复相组织的形态、尺度和分布及碳化物数量、分布、尺寸等影响因素条件下的力学性能、热稳定性和热疲劳性能之间的关联性总结和理论分析，揭示了复相组织形态、尺度及碳化物状态等因素对热疲劳裂纹萌生和扩展的微观机制，并建立了复相组织调控工艺制度—复相组织微观特征—热疲劳性能之间的关联性模型。在本项目的实施过程中，发表了多篇具有较高学术价值的学术论文并申请了多项专利，培养本领域硕士研究生5人。所获得的复相组织调控技术可为H13热作模具钢及其同类高温服役钢铁材料的热处理工艺和组织调控创新提供思路和借鉴。目前研究团队正在积极推进所取得成果的技术转化及推广应用，预期可为装备制造行业中广泛使用的H13热作模具钢的组织性能调控以及改善热疲劳性能和提高模具寿命等工程应用和实践提供理论指导和应用推广。