冷作模具是生产汽车的重要工艺装备,要求其具有高强度、高硬度、优异的韧性、良好的耐磨性等基本性能。含质量分数为5%Cr的中碳合金钢兼具了低合金钢与高合金钢的一些优良特性。这种钢材在制造新一代大型覆盖件模具或高强度钢板冲裁类模具方面拥有很大的应用潜力。然而,冶炼钢的原材料中常含有较多Al元素,且冶炼过程采用纯铝脱氧也会增加铸造模具钢中Al元素含量。目前为止,关于Al元素在模具钢中的作用研究甚少。因此,弄清楚Al元素在钢中的作用对实现铸造模具钢的组织调控,改善其强度和韧性具有重要意义。本文以5Cr5Mo V钢为研究对象,主要研究Al元素对其组织相构成、二次碳化物以及夹杂物的数量、形态和种类的影响。同时,研究了热处理后力学性能的变化规律,揭示了Al在5Cr5Mo V钢中的强韧化作用机制。最后,通过改变热处理工艺参数,进一步调控组织和性能,提高5Cr5Mo V钢的强度和韧性。本文主要研究结果如下:1)研究了Al元素对5Cr5Mo V钢铸态和回火态组织相构成的影响规律。发现当Al含量从0 wt%增加到2.2 wt%时,铸态主要组织演化规律为:马氏体+残余奥氏体→马氏体+贝氏体+层片状珠光体→粒状珠光体→粒状珠光体+δ铁素体;回火态主要组织组成相演化规律为:板条马氏体+二次碳化物→孪晶马氏体+板条马氏体+类多边形δ铁素体+二次碳化物→片状马氏体+粗大枝晶状δ铁素体+二次碳化物。揭示了Al对马氏体亚结构、二次碳化物的影响规律。Al元素能够显著细化马氏体板条尺寸,改变其亚结构。当Al含量较低时,5Cr5Mo V钢回火组织中马氏体亚结构主要为位错,且平均板条尺寸随Al含量增加迅速下降。当Al含量较高时,马氏体亚结构主要由高密度位错和孪晶构成,且孪晶尺寸随Al含量增加而增加;同时,Al元素的加入不仅能够在一定程度上抑制粗大初生碳化物在原奥氏体晶界生成,而且增加了回火二次析出碳化物的数量,改善了二次碳化物的分布。2)研究了合金化元素Al对5Cr5Mo V钢力学性能的影响规律,随着Al含量的变化,5Cr5Mo V钢热处理后强度和塑性具有明显的两阶段特性:抗拉强度和延伸率呈先增加后下降的趋势。但不同的淬火冷却条件下,获得最佳强度和韧性搭配的Al含量不同。3)揭示出不同Al含量对5Cr5Mo V钢的强韧化作用机制:当Al含量为0-0.7 wt%时,随着Al含量的增加,马氏体板条界面和回火二次碳化物数量明显增加。相应地,5Cr5Mo V钢的强度和延伸率随之提高。此阶段,亚晶界强化和析出强化机制起主导作用;当Al含量为0.7-1.6 wt%时,马氏体亚结构由位错转变为纳米孪晶+位错的混合结构,回火二次碳化物数量持续增多,且组织中出现弥散分布的近多边形δ铁素体。相应地,5Cr5Mo V钢的强度和延伸率具有最佳搭配。此阶段孪晶强化、析出强化和第二相韧化机制主导强度和延伸率同时提高;当Al含量超过1.6 wt%时,组织中生成大量的不规则δ铁素体和位于δ铁素体与马氏体界面的粗大的碳化物。同时,强度和延伸率迅速下降。4)研究了Al合金化前后5Cr5Mo V钢奥氏体晶粒长大行为;建立了Al添加前后5Cr5Mo V钢奥氏体晶粒长大模型,为优化Al合金化5Cr5Mo V钢的奥氏体化温度和时间提供部分理论依据。总之,本文讨论了Al合金化钢铸态组织和回火组织的演化过程,分析了精细结构的变化,发现Al在一定范围内增加,马氏体的亚结构在位错的基础上出现细小孪晶,证明Al有促进孪晶生成的倾向;研究了热处理后力学性能的变化规律,揭示了Al对5Cr5Mo V钢的强韧化作用机制的影响,为实现高强韧化组织调控提供了依据;这对开发满足市场需求的模具材料具有一定的理论指导意义。