模具寿命与失效2

1、第三章 模具失效的基础知识第一节 模具失效的形式和机理一、模具失效的种类1、按经济法观点对失效分类2、按失效形式及失效机理分类2022/7/91模具的使用时间已到寿命终止期，属正常失效，应由模具使用者自己负责。若模具制造者提供的使用说明书没有对使用寿命等作出明确规定，制造者也要承担一定责任。在这种分类中你得到什么启示？按经济法观点对失效分类(1)正常耗损失效2022/7/92(2)模具缺陷失效属于模具质量问题,应由模具制造者承担责任。(3)误用失效属于使用不当造成的失效，应由模具使用者承担责任。若模具制造者提供的使用说明书没有对有关操作作出明确规定，则制造者也要承担责任。按经济法观点对失效分类

2、2022/7/93属于其它原因或自然灾害等不可抗拒的因素所导致的失效。按经济法观点对失效分类(4)受累性失效2022/7/94二、磨损失效的类型和机理由于表面的相对运动，从接触表面逐渐失去物质的现象叫磨损。模具在服役时，与成形坯料接触，产生相对运动，造成磨损。当磨损使模具的尺寸发生变化或改变了模具的表面状态使其不能继续服役时，叫磨损失效。这种失效使产品有什么变化特征?模具失效的形式和机理2022/7/951.磨粒磨损的形成和特征外来硬质颗粒存在工件与模具接触表面之间，刮擦模具表面，引起模具表面材料脱落的现象叫磨粒磨损。工件表面的硬突出物刮擦模具引起的磨损也叫磨粒磨损。工件表面的硬凸物是哪来的?

3、(一)磨粒磨损2022/7/96 磨粒磨损的形成过程用模具成形工件时，由于模具比工件硬度高，磨粒首先被压入软工件内，在模具与工件相对运动时刮擦模具，从模具表面切下细小的碎片。当模具表面存在沟槽、凹坑时，磨粒不易从凹坑中出来（或粘结在模具表面上）随着工件运动，磨粒将耕犁或犁皱工件。磨粒磨损2022/7/97 磨粒磨损的主要特征摩擦表面上有擦伤、划痕或形成犁皱的沟痕。磨粒磨损2022/7/982.磨粒磨损机理的主要理论分析1)微观切削磨损机理磨粒在材料表面的作用力F可分为与金属表面平行的分力Fx和垂直的分力Fy。Fy使磨粒压入金属表面形成压痕；Fx推动磨粒与金属表面产生相对切向运动。磨粒磨损202

4、2/7/99当磨粒棱角锐利，又具有合适的角度时：在金属表面切削出长而浅的沟痕，形成切削屑，在表面留下犁沟。这种切削形成的切屑很小，但在显微镜下观察，切屑仍具有机床切屑的特点， 所以称为微观切削。 磨粒磨损机理的主要理论分析2022/7/910当磨粒无锐利的棱角，磨粒棱角的棱边不是对着材料表面的运动方向时：磨粒和被摩擦表面之间的夹角太小；表面材料塑性很高时都不会产生表面切削。磨粒磨损机理的主要理论分析2022/7/911 2)多次塑变磨损机理当磨粒的棱角不太尖锐，突出部分高度较小时，磨粒不发生表面切削摩擦，而是以较大的力沿金属表面滑行，表面金属被推向磨粒运动的前方或 两侧，产生堆积，这些堆积物没

5、有离开金属基体，但使表面产生很大塑性变形。这种不产生切削的犁沟称犁皱。磨粒磨损机理的主要理论分析2022/7/912 2)多次塑变磨损机理在随后的磨粒继续作用时，有可能把堆积物重新压平或使已变形的沟底材料再次被犁皱变形。如此反复塑变，导致金属表面产生加工硬化，最终剥落而成为磨屑。磨粒磨损机理的主要理论分析2022/7/913多次塑变后被磨损的磨屑呈块状或片状，金属表面可以观察到反复塑变和辗压后的层状折痕以及一些台阶、压坑及二次裂纹等。 2）多次塑变磨损机理磨粒磨损机理的主要理论分析2022/7/914多次塑变磨损后产生金属表面分离的磨屑是因为材料表层微观组织受磨粒反复作用的应力超过材料表面的疲

6、劳极限所造成的。 3）疲劳磨损机理磨粒磨损机理的主要理论分析2022/7/915对于脆性材料，在压痕试验中可以观察到材料表面压痕伴有明显的裂纹根据这一现象，微观断裂磨损机理认为：脆性材料在磨粒磨损时会使横向裂纹互相交叉或扩散到表面，造成材料剥落。 4）微观断裂磨损机理磨粒磨损机理的主要理论分析2022/7/916从以上分析可知，各种机理都可以解释部分磨损特征，但都不能解释所有的磨粒磨损现象所以磨粒磨损过程可能是这几种机理综合作用的反映，而其中的某一种损害可能起主要作用。磨粒磨损机理的主要理论分析2022/7/9173.影响磨粒磨损的因素1）磨粒尺寸与几何形状 磨粒尺寸越大，金属表面的体积磨损量

7、越大。但当磨粒的尺寸超过一定值后，体积磨损量增加的幅度明显减小。当磨粒的棱角尖锐且凸出较高时，金属表面磨损率较大。当磨粒棱角不尖锐且凸出较小时，磨损率较小。磨粒磨损2022/7/9182）磨粒硬度 磨粒磨损与磨粒硬度Ha和金属硬度Hm之间的相对值的大小有关。区为低磨损状态：Hm1.25Ha，金属表面产生轻微磨损，磨损率较小。曲线上升平缓。区为磨损过渡状态：0.8HaHm1.25Ha，磨损轻、重转化阶段，磨损率急剧增加，曲线上升很陡。 影响磨粒磨损的因素2022/7/919区为高磨损状态：Hm0.8Ha，金属表面产生严重磨损，磨损量大，磨损率小。曲线平缓。影响磨粒磨损的因素试验结果表明：要减小磨

8、粒磨损量，金属的硬度Hm应比磨粒的硬度Ha高。实际经验：只要求满足 Hm1.3Ha，就可达到减小磨损量的目的。因为Hm高到一定时，不会再得到更显著的改善。 2022/7/9203）模具与工件表面压力 模具与工件之间的表面压力越大，磨粒压入金属表面的深度越深，则磨损量越大。但当压力达到一定值后，磨粒棱角变钝，使磨损量的增加减缓。4）工件厚度 工件厚度越大，磨粒越易嵌入工件，嵌入工件的深度越深，对模具的磨损量减小。影响磨粒磨损的因素2022/7/921 1.粘着磨损的形成和特征 工件与模具表面相对运动时，由于表面凹凸不平，某些接触点局部应力超过了材料的屈服强度发生粘合，粘合的结点发生剪切断裂而拽开

9、，使模具表面材料转移到工件上或脱落的现象称为粘着磨损。(二)粘着磨损磨损失效的类型和机理2022/7/922磨损的四种类型接触表面发生粘着以后，根据运动产生的切应力、接触处的粘合强度、金属本体强度三者之间的不同关系而产生的不同破坏现象，可以把粘着磨损分为：1）涂抹；2）擦伤 ；3）撕脱； 4）咬死 粘着磨损2022/7/923磨损的四种类型1）涂抹 当较软金属的剪切强度小于接触处的粘合强度，也小于外加的切应力时，剪切破坏发生在离粘着结合面不远的较软金属层内，被剪切的软金属涂抹在硬金属表面上的现象。粘着磨损2022/7/924磨损的四种类型2）擦伤 软金属表面产生细而浅的划痕；有时硬金属表面也有

10、划伤的现象。3）撕脱 剪切破坏发生在摩擦副一方或两方金属较深处，有较深划痕的现象。4）咬死 摩擦副之间咬死，不能相对运动的现象。粘着磨损2022/7/925 粘着磨损的主要特征金属表面有细的划痕，沿滑动方向可能形成交替的裂口、凹穴。摩擦副之间有金属转移，表层金相组织和化学成分均有明显变化。磨损产物多为片状或小颗粒，在金属表面形成大小不等的结疤。粘着磨损2022/7/9262.粘着磨损机理的理论分析在大气中的金属表面都存在氧的吸附层。图3-6表示了经过机械加工后，金属表层的结构。第一层为氧的物理吸附层、第二层为氧的化学吸附层。这两层是金属与周围空气中的氧交互作用而形成的。第三层为塑性变形层，是机

11、械加工所引起的。粘着磨损2022/7/927在干摩擦情况下，两摩擦表面直接接触。粘着磨损机理的理论分析2022/7/928在边界摩擦情况下，边界膜的厚度比两摩擦表面的粗糙度之和要小，所以两摩擦表面之间仍有局部接触区。粘着磨损机理的理论分析2022/7/929在液体摩擦情况下，润滑油膜的厚度大于两摩擦表面粗糙度之和，两摩擦表面之间不直接接触。粘着磨损机理的理论分析2022/7/930实验证明：当两块新鲜纯净的金属接触之后再分离，经过检测发现金属能够从一个表面转移到另一个表面的现象，这是原子间键合作用的结果。在空气中，摩擦副之间相对运动，在接触载荷较小时，金属表面吸附的一层氧化膜能起到防止纯金属新

12、鲜表面直接接触而产生粘着现象。粘着磨损机理的理论分析2022/7/931由于加工的影响，模具和工件表面存在一定的微观不平度，相互的接触表面只有少数微观凸起的部位，实际的接触面积远远小于理论接触面积。接触载荷较大时，接触处就会产生很高的应力，以致超过材料的屈服强度而引起局部的塑性变形。粘着磨损机理的理论分析2022/7/932塑性变形和摩擦过程会产生很高的热量，接触处的高温，可以使表面润滑油烧干，同时摩擦也可以使氧化膜破裂而显露出新鲜的金属表面。当裸露金属的新鲜表面直接接触，相互之间的原子产生吸引和渗透而发生熔合粘着。粘着磨损机理的理论分析2022/7/933在随后的滑动中，刚形成的粘着点被剪断

13、、拉开，并转移到工件表面或脱落形成磨屑。然后又在其他地方形成新的粘着点，然后再被破坏，如此循环过程就构成粘着磨损。粘着磨损机理的理论分析2022/7/934 3.影响粘着磨损的因素（1）材料性质 （2）材料硬度 （3）模具与工件表面压力 （4）滑动摩擦速度 粘着磨损2022/7/935 1.疲劳磨损的形成与特征两接触表面相互运动时，在循环应力的作用下，使表层金属疲劳脱落的现象称为疲劳磨损。（三）疲劳磨损磨损失效的类型和机理2022/7/936 疲劳磨损的形成过程在线、面接触的摩擦副中，在承受力和相对运动的情况下，接触表面有多变的接触压力和切应力；这些外力反复作用一定周次后，表面就会产生局部的塑

14、性变形和加工硬化；疲劳磨损2022/7/937 疲劳磨损的形成过程在某些组织不均匀处，由于应力集中，形成裂纹源，并沿着切应力方向或夹杂物走向发展。当裂纹扩展到表面或与纵向裂纹相交时，形成磨损剥落。疲劳磨损2022/7/938 疲劳磨损的种类模具疲劳磨损的外载有机械载荷和热载荷。因此疲劳磨损可分为：机械疲劳磨损、冷热疲劳磨损。疲劳磨损2022/7/939 2.疲劳磨损的特征接触表面出现许多痘状、贝壳状或不规则形状的凹坑，有些凹坑较深，底部有疲劳裂纹扩展线的痕迹。疲劳磨损2022/7/940 疲劳磨损的特点疲劳磨损裂纹一般产生在金属的表面和亚表面内，裂纹扩展的方向平行于表面，或与表面成1030的角

15、度，只限于在表面层内扩展。疲劳磨损没有一个明显的疲劳极限，寿命波动很大。疲劳磨损2022/7/941 疲劳磨损的特点疲劳磨损除受循环应力作用外，还要经受复杂的摩擦过程，可能会引起表面层一系列物理化学变化以及各种力学性能与物理性能变化等，所以工作环境比整体疲劳更复杂更恶劣。疲劳磨损2022/7/942 影响疲劳磨损的因素1）材料的冶金质量 2）材料的硬度 3）表面粗糙度 疲劳磨损2022/7/943 气蚀磨损金属表面产生的气泡破裂，在瞬间产生的冲击和高温，使模具表面形成微小麻点和凹坑的现象叫气蚀磨损。哪来的气泡？（四）其他形式磨损2022/7/944 气蚀磨损的形成过程当液体与模具接触处的局部压

16、力比液体蒸发压力低，就会形成气泡。同时溶解在液体中的气体也可能析出形成气泡。如果这些气泡承受的压力超过气泡内压力时，气泡就会破裂。哪种模具表面可能与液体接触?2022/7/945 气蚀磨损的形成过程在这种气泡的形成和破裂的反复作用下，模具浅表面将萌生疲劳裂纹，最后扩展至表面，局部金属脱离表面或气化，形成泡沫海绵状空穴。哪种模具表面可能与液体接触?其他形式磨损2022/7/946 冲蚀磨损 液体和固体微小颗粒高速落到模具表面，反复冲击模具表面，使模具表面局部材料流失，形成麻点和凹坑的现象叫冲蚀磨损。其他形式磨损2022/7/947 冲蚀磨损当小滴液体以高速(100ms)落到模具表面上，会产生很高

17、的应力，一般可以超过金属材料的屈服强度，甚至造成局部材料断裂。但速度不高的反复冲击会萌生疲劳裂纹，形成麻点和凹坑。气蚀磨损和冲蚀磨损是疲劳磨损的一种派生形式，在注塑模具与压铸模具中易出现。其他形式磨损2022/7/948 腐蚀磨损在摩擦过程中，模具表面与周围介质发生化学或电化学反应，再加上摩擦力机械作用，引起表层材料脱落的现象叫腐蚀磨损。其他形式磨损2022/7/949 腐蚀磨损形成过程当一对摩擦副在一定的环境中发生摩擦时，在摩擦面上会产生与环境介质的反应，并形成反应物；表面反应物在两摩擦副的相对运动中被磨掉；反应物被磨掉，就会暴露出未反应表面，就又开始形成反应物。其他形式磨损2022/7/9

18、50腐蚀磨损形式常发生于高温或潮湿的环境中，在有酸、碱、盐等特殊条件下最易发生。模具常见的腐蚀磨损有：氧化腐蚀磨损和特殊介质的腐蚀磨损。 其他形式磨损2022/7/951在摩擦过程中，由于金属表层凸峰的塑性变形，促使原有的氧化膜破裂，新的材料暴露，又与氧结合形成脆而硬的氧化膜。新生成的氧化膜因摩擦作用而剥落，由此造成的磨损称为氧化磨损。模具服役时一般都会出现氧化磨损。 氧化磨损其他形式磨损2022/7/952在腐蚀性环境中，金属表面与酸、碱、盐等特殊介质发生化学反应，形成化合物。在摩擦力的作用下，引起表层化合物的脱落，由此引起的磨损称为特殊介质腐蚀磨损。 特殊介质腐蚀磨损其他形式磨损2022/

19、7/953 微动磨损模具的嵌合部位或过盈配合处，在循环载荷或振动的作用下，虽然不产生宏观的相对位移，但却 产生微小(220m)的相对滑动，在配合面上有氧化物磨损粉末产生，而且不易向外排出。其他形式磨损2022/7/954 这时，该处的磨损兼有氧化磨损、磨粒磨损和粘着磨损的特征，并逐渐在嵌合部位形成磨痕蚀坑，对于钢材，蚀坑处有大量褐红色氧化物(Fe2O3)聚集。这种磨损称为微动磨损，又称咬蚀。咬蚀引起严重的应力集中，最后导致疲劳断裂。其他形式磨损2022/7/955在模具与工件(或坯料)相对运动中，摩擦磨损情况很复杂，磨损一般不只是以一种形式存在，往往是多种形式并存，并相互促进。 （五）磨损的交

20、互作用其他形式磨损2022/7/956三、过量变形失效 材料受到力的作用就会产生变形。随着力的增加，材料的变形总是要经历弹性变形阶段、塑性变形阶段、出现裂纹到裂纹扩展直至断裂阶段的过程。模具失效的形式和机理2022/7/957变形失效是逐步进行的，一般属于非灾难性的，因此不易被人关注。当变形量超过了模具的精度要求，成型的工件成为次品或废品时，也会造成模具的失效。另外，过度的变形最终也会导致断裂。过量变形失效2022/7/958模具在使用过程中，产生的弹性变形量超过模具匹配所允许的数值，使得成型的工件尺寸或形状精度不能满足要求而不能服役的现象，称为过量弹性变形失效。判断过量弹性变形失效比较困难，

21、因为在工作状态下引起的变形导致失效的模具，在剖析和测量尺寸时，变形已经恢复。 过量弹性变形失效过量变形失效2022/7/9592塑性变形失效模具在使用过程中，由于发生塑性变形改变了几何形状或尺寸，而不能通过修复继续服役的现象称为塑性变形失效。塑性变形失效的主要形式有塌陷、镦粗、弯曲等。 过量变形失效2022/7/960当模具的某些部位所承受的应力超过工作温度下模具材料的屈服强度时，就会产生过量的塑性变形而造成模具的失效。过量变形失效2022/7/961四、断裂失效 模具在工作中出现较大裂纹或部分分离而丧失正常服役能力的现象称为断裂失效。材料的断裂是力对材料作用的最终结果，意味着材料的彻底失效。

22、模具断裂通常表现为产生局部碎块或整个模具断成几个部分。 模具失效的形式和机理2022/7/962断裂失效2022/7/963断裂失效2022/7/9641.韧性断裂断裂前产生明显的宏观塑性变形，断裂过程中吸收较多的能量，一般在高于材料屈服应力条件下的高能断裂。韧性断裂断口的宏观特征为断口截面尺寸减小，有缩颈现象。断裂失效2022/7/9652.脆性断裂断裂前的变形量很小，没有明显的塑性变形量。断裂过程中材料吸收的能量很小，一般在低于允许应力条件下的低能断裂。脆性断裂断口的宏观特征为断口截面尺寸无明显变化，不产生缩颈。韧性和脆性两种断裂用肉眼或1020倍放大镜就可分辨出其断口特征。断裂失效202

23、2/7/9663.沿晶断裂 裂纹沿多晶体晶界扩展分离产生的断裂,也称为晶界断裂。当晶界上存在着脆性相、热裂纹、蠕变断裂、应力腐蚀等引起的断裂为沿晶断裂。沿晶断裂在室温下往往是脆性断裂，断口的微观形貌显示出多晶体的外形，呈“冰糖块”状。断裂失效2022/7/967金属材料在高温下的蠕变断裂往往是韧性沿晶断裂，由于晶界滑动和晶粒发生塑性变形，微观断口上有大量韧窝。断裂失效2022/7/9684.穿晶断裂裂纹的萌生和扩展穿过晶粒内部的断裂。当材料韧性较差、存在表面缺陷、承受高的冲击载荷时，易产生穿晶断裂。穿晶断裂可能是韧性断裂也可能是脆性断裂。断裂失效2022/7/969韧性穿晶断裂破坏时，常以夹杂

24、物或第二相粒子为核心，形成大量的显微孔洞。在应力作用下，这些显微孔洞发生微观塑性变形而逐渐长大、聚合，直至断裂。断裂失效2022/7/970韧性穿晶断裂断口的微观形貌呈韧窝状。韧窝越大、越深，则微观塑性变形量越大。断裂失效2022/7/971脆性穿晶断裂也称为解理断裂，解理断裂是沿一定晶面(称为解理面),迅速发生晶体分离的脆 性断裂。其断口的微观形貌特征是由若干解理台阶相汇合形成的“河流花样”。断裂失效2022/7/972根据河流支流合并为主流的方向，可以确定裂纹在微观区域内扩展的方向。解理穿晶断裂常在低温、冲击或三向拉伸的应力状态下，发生在体心立方或密排六方晶格的金属材料中。断裂失效2022/7/9735.混晶断裂 当裂纹的扩展形成既有穿晶型也有沿晶型时，则称为混晶断裂或准解理断裂。准解理断裂是由解理断裂和微孔聚合断裂组成的混合型断裂。断裂失效2022/7/974准解理断裂形成过程：断裂失效2022/7/975在准解理小平面内有向四周放射的河流花样，小平面间存在大量短而弯曲的撕裂棱。多晶体金属的断