模具是生产制造业的核心组成部分,其直接决定产品的质量和生产成本。而模具的质量直接取决于模具材料的性能,为提升热作模具钢的综合力学性能和热疲劳寿命,推动我国模具行业水平的发展,本课题组基于H13钢,根据热作模具的服役环境与性能要求,采用新型贝/马复相热处理工艺QBT1和QBT2进行处理,得到了不同贝/马复相组织的H13钢,分别称为QBT1-H13和QBT2-H13,并与传统HT热处理工艺H13钢(记为HT-H13)进行对比,研究了三种热处理工艺下H13钢的组织和力学性能,探讨了三种热处理工艺H13钢热疲劳过程中的组织演变规律、力学性能变化以及热疲劳行为,揭示了贝/马复相组织H13钢热疲劳裂纹萌生和扩展机制,预测了三种热处理工艺H13钢的热疲劳寿命。研究结果表明:1)HT-H13组织为回火索氏体组织,QBT1-H13组织为回火索氏体和少量下贝氏体复相组织,QBT2-H13组织为回火索氏体和大量下贝氏体复相组织。QBT1-H13和QBT2-H13的硬度和抗拉强度都明显优于HT-H13。此外QBT1-H13和QBT2-H13的塑韧性也好于HT-H13。2)HT-H13与QBT1-H13随热疲劳次数增加组织中马氏体板条逐渐合并,且先形成碳化物不断粗化,马氏体板条合并和碳化物粗化使该两种工艺H13钢在热疲劳过程中迅速软化,力学性能下降。而QBT2-H13由于过饱和下贝氏体在热疲劳中脱溶析出大量细小弥散碳化物,产生第二相强化,且延缓先形成碳化物的粗化,因此QBT2-H13在热疲劳过程中没有表现出明显软化行为。另外,由于下贝氏体在热疲劳过程中发生板条合并,形成多边形铁素体组织,使得两种贝/马复相工艺H13钢热疲劳后的塑性都明显优于HT-H13。3)两种贝/马复相工艺H13钢的裂纹扩展速度都明显低于HT-H13。其主要原因是:一方面,贝/马复相组织中下贝氏体板条与马氏体板条呈大角度界面,这种大角度界面使得裂纹扩展需要更多能量,从而减慢裂纹扩展速度。另一方面,下贝氏体的形成使基体上第二相颗粒减少,从而减少裂纹源。另外,贝/马复相组织在热疲劳过程中析出细小弥散第二相颗粒能够阻碍微裂纹扩展,同时减小先形成碳化物粗化速度,减少微裂纹萌生。通过合理的预测模型计算,QBT1-H13和QBT2-H13的热疲劳寿命分别达到2800次和3500次,明显优于HT-H13的热疲劳寿命。综上所述,QBT2工艺下的H13钢的综合力学性能和热疲劳性能最佳。