SKD61模具钢热疲劳龟裂机理

在高温成型工艺中，模具材料长期承受周期性热应力与机械应力的双重作用，极易发生表面裂纹，即热疲劳龟裂。这种失效形式在压铸、热锻、注塑等高温加工领域尤为常见，严重制约模具寿命与生产效率。SKD61作为一种典型的中合金热作模具钢，因其优异的淬透性、高温强度、抗回火稳定性和良好的韧性，被广泛应用于铝合金、镁合金及铜合金的热加工模具制造。然而，即便具备优良的综合性能，SKD61在长期服役过程中仍难以避免热疲劳龟裂的发生。其裂纹的形成与扩展过程，涉及材料微观结构演变、热应力分布、氧化行为及循环塑性累积等多重机制。

热疲劳龟裂的本质是材料在反复加热与冷却过程中，因热膨胀系数与导热性能不匹配，在模具表面与内部产生交变热应力。当温度变化速率较快时，模具表层迅速升温膨胀，而心部仍保持较低温度，导致表层受压应力；冷却阶段则相反，表层收缩受阻，转为受拉应力。这种周期性拉压应力循环，在模具表面形成局部塑性应变累积。SKD61虽具有较高的热疲劳抗力，但其碳化物分布、晶界强度及残余应力状态对裂纹萌生具有决定性影响。研究表明，当模具工作温度在300–600℃之间反复波动时，表层金属经历热循环塑性变形，位错在晶界和碳化物界面处聚集，形成微孔洞和微裂纹。这些初始缺陷在后续热循环中不断扩展，最终形成宏观可见的网状或放射状龟裂。

裂纹的萌生位置通常位于模具表面应力集中区域，如圆角、凹槽、浇口附近或冷却水道边缘。这些区域不仅几何形状突变导致应力集中，而且冷却不均进一步加剧温度梯度。此外，模具表面在高温下与空气接触，发生氧化反应，生成氧化层。SKD61中的Cr、Mo、V等合金元素虽能形成致密氧化膜，但在热循环下，氧化层反复生成与剥落，形成“氧化-剥落-再氧化”的循环过程。氧化层与基体之间存在热膨胀差异，导致界面处产生附加应力，加速微裂纹的萌生。同时，氧化层剥落后，新鲜金属暴露于高温环境，进一步加剧局部塑性损伤。

从微观组织演变角度看，SKD61在热循环过程中会发生回火软化与二次硬化现象。初始淬火+高温回火处理使其组织为回火马氏体，分布有细小弥散的碳化物。但在长期热循环下，碳化物粗化、聚集，特别是M₂₃C₆和MC型碳化物在晶界析出，削弱晶界强度，为裂纹沿晶扩展提供通道。同时，热循环促使位错重排，形成亚晶结构，局部区域出现再结晶倾向。这些组织变化导致材料局部软化，塑性变形更易集中于特定区域，形成“软区”，成为裂纹扩展的优先路径。

裂纹扩展过程可分为三个阶段：初期萌生、稳态扩展与失稳断裂。在初期阶段，裂纹长度小于100微米，主要受局部应力集中和氧化行为控制，扩展速率缓慢。进入稳态阶段后，裂纹沿晶界或碳化物界面逐步延伸，扩展速率与热循环次数呈线性关系，符合Paris公式描述的疲劳裂纹扩展规律。当裂纹深度达到临界尺寸（通常为1–2 mm），应力强度因子超过材料的断裂韧性，裂纹迅速失稳扩展，导致模具表面剥落或整体失效。

为延缓热疲劳龟裂，工程实践中常采用表面处理技术，如等离子氮化、PVD涂层（如TiAlN、CrN）或激光熔覆，以提高表面硬度、抗氧化性与热疲劳抗力。同时，优化模具结构设计，减少应力集中，合理布置冷却系统，降低温度梯度，也是有效手段。此外，控制热循环频率与升温/冷却速率，避免剧烈温度波动，可显著降低热应力幅值。材料方面，通过调整热处理工艺（如深冷处理、多次回火）细化组织、消除残余应力，或采用新型合金设计（如添加稀土元素细化晶粒），可进一步提升SKD61的热疲劳性能。

综上所述，SKD61模具钢的热疲劳龟裂是热-力-氧化-组织演变多因素耦合的结果。理解其机理不仅有助于预测模具寿命，也为材料优化与工艺改进提供了科学依据。未来研究应聚焦于原位观测热疲劳过程、多尺度建模与智能寿命预测，以推动热作模具向更高可靠性与更长服役周期发展。