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，反復加熱制冷，導致熱疲勞，導致工件表面微裂紋甚至干裂紋。因此，科學研究熱作模具鋼的熱疲勞性能非常重要。

　　熱疲勞：

　　金屬復合材料因溫度場循環系統引起的熱應力循環(或熱應變力循環系統)而引起的疲勞損傷稱為熱疲勞。

　　早就在17 1829年，德國煤炭工業技術工程師W在新世紀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應力，科學研究了鋁合金在加熱過程中產生的內應力計算公式。

　　形成原因：

　　在高溫環境下工作時，金屬零件的工作溫度不穩定，有時會發生很大的變化。如果受到控制，零件內部結構會產生內應力（也稱為溫差應力）。環境溫度不斷變化，內應力也不斷變化，導致原材料疲勞損傷。

　　塑性變形具有很強的耐熱應變能力，因此不易產生熱疲勞。另一方面，非金屬材料的耐熱應變能力較差，內應力很容易實現原材料的破裂應力，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)裂紋可以沿晶體結構走，也可以穿透晶體結構；一般裂紋頂部銳利，裂紋中有或充滿金屬氧化物。

　　(3)宏觀經濟斷裂面呈深灰色，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相關因素：

　　（1）環境中的溫度場和工作頻率變化越大，就越容易產生熱疲勞。

　　(2)由不同線膨脹系數的材料組成時，容易發生熱疲勞。

　　(3)晶粒粗大不對稱，容易發生熱疲勞。

　　(4)位錯分布第二相質點對熱疲勞的形成有促進作用。

　　(5)原料可塑性差，容易發生熱疲勞。

　　(6)零件的幾何結構對金屬飆升和收攏有很大的約束作用，容易發生熱疲勞。

　　熱疲勞試驗方法：

　　(1)濕熱疲勞等試驗方法:

　　本實驗方案應首先分析實驗鋼中熱疲勞循環中的高溫和超低溫支撐條件，選擇等效電路溫度，通過調整材料增加的機械應力，進行應力載荷和卸載能量循環，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境溫度進行熱疲勞循環系統。熱模具表面和芯溫度場過低會產生壓力和拉伸應力，導致熱模具表面長期下拉壓力應力裂紋，深入研究試驗鋼的熱疲勞性能。

　　(3)熱-機械設備疲勞試驗方法:

　　該實驗方案結合了等溫過程法和自控束法的優點，選擇熱模中的布和低環境溫度進行冷熱交替，同時不斷將實驗設備載入機械應力。

　　熱疲勞試件的尺寸(b)熱疲勞機設備熱疲勞裂紋擴展

　　熱疲勞裂紋由表面逐漸產生，環節為：空缺根部形狀變化不均勻，出現一些細微的不均勻，然后在脆性斷裂的大部分產生一些契合微裂紋，充滿空氣氧化侵蝕。此后，其中一個微裂紋發展為主要裂紋，其他裂紋由于熱應力松弛不會再擴展。此后，其中一個微裂紋發展為主要裂紋，其他裂紋由于熱應力松弛不會再擴展。

　　H13鋼(a～c)4Cr5Mo2V鋼(d～f)經過1000次熱疲勞循環系統后，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℃下循環系統500次后的裂紋圖熱疲勞性能解決方案

　　(1)控制和優化熱處理方法

　　根據熱處理方法的控制和改進，可以有效地管理模具鋼的結構組織結構和第二相同的結構。與傳統的熱處理相比，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)合金成分可靠性設計

　　熱疲勞裂紋通常在位錯等缺點開始萌發和擴展。因此，根據模具鋼合金成分的可靠性設計，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。現階段，對于磨具出現小裂縫，公司發布拋丸和滲氮處理復合解決方案，可關閉裂縫，提高現役使用壽命。對于一些表面起泡和開裂嚴重的磨具，拋丸和鈍化可以顯著改善表面起泡。