某新型Ti-4Cr5MoSiV1模具钢的化学成分如表1所示。将模具钢制备成φ8 mm×12 mm的样品，后续在热模机上进行等温横应变速率的热压缩试验，测试过程中的变形温度设为300~650 ℃，应变速率为0.001、0.01、0.1、1 s-1，压缩量为60%，需注意的是在热压缩试验时模具钢试样的温度低于其锻造温度，但强度与硬度较高。为降低对设备的磨损，需在砧子与试样间放置合适厚度且均匀涂抹石墨的垫片，以减小锻造过程中的摩擦力，在提供润滑的同时可以降低试样热量的损失，提高试验精度。
借助Jmatpro软件通用钢模块对新型Ti-4Cr5MoSiV1模具钢的析出相进行热力学计算，将该模具钢的化学成分及热处理状态输入软件，软件将依据CALPHAD计算原则模拟模具钢在各个温度下的热物性能，为后续研究提供指导。其平衡相图参考CALPHAD技术，根据体系中每一相的吉布斯自由能绘制图表，每一相的吉布斯自由能式为：
其中，
是纯组元吉布斯自由能；
是理想混合熵引起的吉布斯自由能的增加；
是过剩吉布斯自由能；Lv为不同组元间的交互作用参数，一般在0~1变化。
2 相转变分析
2.1 平衡相组成图
利用高通量热力学计算软件，自动生成新型Ti-4Cr5MoSiV1模具钢25~1 600 ℃的平衡相图，如图1所示。由图1（a）的数据可知，该模具钢的平衡相图包含10个相组成，主要包括液相、奥氏体和铁素体等，模具钢奥氏体化临界温度分别为728.32 ℃和778.53 ℃。当加热至1 482.81 ℃时，模具钢完全转变为液态，此温度即为液相线温度。随着温度从液相线降至1 400 ℃，模具钢经历完全固液相变，进入单相奥氏体相区。为探究模具钢从室温到中温析出相组成，对平衡相图的左侧下部分相区进行单独显示，如图1（b）所示。当温度降至902.3 ℃左右时，M（C，N）相首先析出，随着温度继续降低，M（C，N）相质量分数逐渐增至约0.38%，而后保持稳定。当温度降至778.83 ℃时，M23C6相开始析出，其析出峰值温度为737.37 ℃，此时的质量分数达到最大值，为3.99%。当温度继续下降至737.64 ℃左右时，此时系统内部开始析出渗碳体并在728.32 ℃时析出量达到最大，最大渗碳体含量为7.48%。当温度降低至室温时渗碳体的含量将稳定在某一范围，约5%。同时，M23C6相的含量随着温度继续下降而减少，当温度分别降低至512.51 ℃和137.8 ℃时，开始析出M7C3相与M2（C，N）相。当冷却至室温时，模具钢中相组成及含量分别为铁素体91.12%、渗碳体5.53%、M2（C，N）相及微量的M2P相。
图2所示为模具钢的TTA曲线，曲线是通过材料热力学软件计算得出，A1为奥氏体开始转变温度，A3为奥氏体转变结束温度。从图2可以看出，随着加热速率的增加，模具钢的临界奥氏体转变温度和完全奥氏体均匀化温度均呈现升高趋势，这一现象归因于模具钢中碳元素扩散速度的加快，随着加热速率的提高而显著增强，促进模具钢的奥氏体均匀化进程。较快的加热速率不仅减少了模具钢中氧化皮和脱碳现象，还有效抑制晶粒的生长，有助于提升模具钢的综合力学性能。在实际生产过程中，可以适当提高模具钢的加热速率，以优化其热处理效果。
图3所示为模具钢经热力学计算后得到的CCT曲线，曲线可用于预测模具钢在冷却过程中所形成的微观组织构成及其比例。由图3可知，275.5 ℃为马氏体的开始转变温度（Ms），当温度冷却至236.86 ℃时，马氏体的含量为50%，当温度下降到158.6 ℃时，马氏体含量达到90%；除此之外，贝氏体（B）和珠光体（P）的转变温度分别为542.7 ℃和726.4 ℃。
除了上述外，还计算了在不同冷却速率下的模具钢的组织构成，表2所示为模具钢中组织结构的计算结果。由表2可知，在较低的冷却速率下更有利于珠光体（P）和少量铁素体（F）的组织形成，在较高的冷却速率下，由于在高温转变区停留的时间缩短，铁素体（F）与珠光体（P）组织的形核和长大被抑制，更有利于贝氏体组织（B）的形成。当冷却速率为2 ℃/s时，马氏体组织（M）与残余奥氏体（A）也开始析出。当冷却速率超过10 ℃/s时，在室温下，模具钢中铁素体（F）与珠光体（P）已消失，贝氏体（B）组织的含量也逐步减小，而马氏体（M）组织含量则大幅度增加，高含量的马氏体（M）组织有助于提升模具钢的硬度。
图4所示分别为模具钢在不同冷却速率下的强度和硬度，模具钢的强度及硬度随着冷却速率的提升而增加，这主要是由于在高的冷却速率下形成的高密度马氏体。当冷却速率超过50 ℃/s后，模具钢的强度及硬度趋于稳定。然而过高的冷却速率可能导致热处理过程中产生残余应力，导致模具零件发生变形，同时硬度过高也可能增加表面裂纹的风险，因此在模具钢的淬火工艺中，冷却速率范围建议选择10~50 ℃/s。
3 中温热变形行为分析
3.1 真应力-真应变曲线
图5所示为模具钢在不同变形条件下，通过热压缩试验所得到的真应力-真应变关系曲线。从图5可以看出，模具钢试样在中温压缩变形的初始阶段，流动应力随应变量的增加显著上升，这是由于在变形初期试样获得的能量小于位错运动所需的能量，位错无法运动导致位错缠结现象，产生加工硬化现象并引起应力显著增加。随着压缩过程的继续进行，位错运动缓解了加工硬化现象，使应力的增长趋势放缓。继续增大应变量，模具钢的流动应力增速持续放缓，在高温、低应变速率变形下模具钢发生动态软化，产生该现象是再结晶与加工硬化共同作用的结果，当应变速率较低时，单位体积内的位错密度降低，再结晶的软化作用将占据主导；当应变速率较高时，单位体积的位错密度增加，再结晶的软化作用不足以消除由于位错缠结产生的加工硬化效果，材料硬化作用仍然占据主导使流动应力仍有小幅上升。
有研究表明：对于变形过程中流动应力曲线呈现饱和趋势的材料，可以应用Voce模型预测材料的热变形行为。热压缩试验结果表明：Ti-4Cr5MoSiV1模具钢在中温变形时流动应力变化符合该趋势，满足Voce模型的应用条件。现基于热压缩试验获得的试验数据，建立基于Voce模型的中温变形流动应力模型，模型认为存在饱和趋势的流动应力模型可由下式表示：
其中，
为应变；
为应变速率；n为硬化指数；
为与材料相关的常数；T为绝对温度。为求解Voce模型，首先对式（2）两侧求对数，如式（3）所示：
对模具钢的
参数进行求解，在相同变形温度与应变量时，
为定值，记为
，则式（3）可改写为：
由式（4）可得，在同一变形温度下，理论上
与
成线性关系，基于此做出相同变形温度下的
的关系曲线并进行线性拟合，图6所示为400 ℃不同应变量
与
的关系，同时做出m0+m1T的值随变形温度T（单位：K）的关系。根据图像斜率与截距的均值求解m0=0.014 79，m1=0.000 027 8。
当变形温度一定时，模具钢的材料常数
为定值，当模具钢的变形温度与应变量一定时，设
，
，则式（3）可以改写为：
根据所得到的热压缩数据绘制各变形温度下
与ε的关系曲线，如图7所示。利用数据分析软件对式（5）进行多项式求解，根据拟合结果得n= 0.145 52，
并求解不同变形温度条件下
的数值。
由于，表明的数值与温度线性相关，则可根据式（5）做出不同变形温度与的关系，如图8所示。求解r1=0.001 69，r0=-0.386 47。最后求解不同变形温度与应变速率下的K与
的值，并代入式（2），得到基于Voce模型建立的含钛模具钢中温变形流动应力预测模型：
为了验证建立模型的精度，将不同变形条件代入式（6）与热压缩所获得的试验数据进行对比，如图9所示。建立的模型预测热压缩过程流动应力较试验值的误差仅为8.42%，证明流动应力预测模型具有较高的精度，可用于模具零件应力的预测。
原文作者：蒋小娟 孙涛 吴莉莉 杨皓
作者单位：1.重庆工业职业技术学院 机械工程学院；2.重庆大学 材料科学与工程学院， ；3.先进模具智能制造重庆市重点试验室
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