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4Cr5MoSiV1(AISIH13)热作模具钢是目前应用范围最广、应用量最大的热作模具钢。随着模具产业向大型、复杂、精密、高寿命等方向发展,模具钢的强韧性不足越来越成为制约模具服役寿命和服役安全的瓶颈问题。本文针对H13钢铸锭质量优化、强韧性调控和断裂机制等关键问题,开展了稀土微合金化、电渣重熔和热处理制度优化的基础研究,揭示了 2000 MPa级超高强高韧稀土 H13钢的强韧性调控方法和机制,明确了该稀土 H13钢的塑性形变行为和断裂机制。首先采用自主研制的电渣重熔设备,制定了合理的稀土渣系和电渣重熔参数,实现了 H13钢铸锭中稀土(0.01 wt.%)的有效添加。采用热力学计算了 1600℃高温熔池中C、Si、Al和Ca元素还原稀土氧化物的自由能,结果表明H13钢中的Si基本不能还原稀土氧化物,起还原作用的是钢中的C以及稀土渣系中的Al和Ca元素。稀土硫氧化物RE202S可以抑制二次枝晶、减少晶界处液析碳化物和细化夹杂物,从而提高铸锭组织的均匀性。与未添加稀土的H13钢试样相比,添加0.03 wt.%稀土 La的H13钢热锻淬回火试样的断后伸长率提高15.8%,冲击韧性提高67.8%,同时强度略有提高。采用预回火+回火处理可有效提高H13钢综合力学性能。对于无稀土 H13 钢 1030℃淬火试样,经 640℃(10 min)预回火+600℃(30 min)回火处理后,强度和韧性同时提升,其抗拉强度为1921 MPa、屈服强度为1533 MPa、冲击韧性为13.8 J·cm-2、断后伸长率为11.8%。对于稀土电渣H13钢1030℃淬火试样,预回火+回火处理后获得了抗拉强度2029 MPa、屈服强度1654 MPa、断后伸长率9.3%的超高强高韧良好匹配。相比常规回火工艺,预回火+回火处理的稀土电渣H13钢试样中的位错密度(5.72×1014m-2)提高73.3%,碳化物的单位面积数量(10.1μm-2)增加21.7%,从而显著提高了位错强化和析出强化。稀土将Ms点提高了 18℃,导致马氏体转变驱动力增大,同时V1/V2变体对的含量增加,因此大角度晶界(>45°)密度增加了 55.4%,从而在保留2000 MPa的高强度条件下使H13钢的断后伸长率达到10.7%,冲击功提高一倍。采用原位TEM拉伸结合离位EBSD分析,研究了 2000 MPa级稀土 H13钢拉伸过程中的塑性形变行为和断裂机制,发现微裂纹以裂纹尖端钝化机制形核,以锯齿状“Z”字形方式扩展,晶界处的残余奥氏体存在应力诱导相变效应,残余奥氏体和大角度晶界可以阻碍裂纹扩展。