模具材料的抗失效性能指标.ppt

13模具材料的抗失效性能指标各种模具在服役过程中都要承受一定的机械负荷，有的还要经受热负荷和环境介质的作用。在这些因素的作用下，经过一定的服役周次，模具可能会发生过量变形、断裂和表面损伤等失效现象。任何模具都是用一定的材料制造的，模具的失效实质上就是在特定负荷作用下，具有特定形状的模具材料的失效。,材料对某种失效的抵抗能力（简称失效抗力）可用材料的某些性能指标来衡量。材料具有各种不同的性能指标，可以反映材料对不同形式失效的抗力。通过失效分析，不仅要找出造成材料失效的主因，还要找出能正确评价材料这种失效抗力的性能指标判据。根据对这些性能指标的要求，我们就能针对模具的工作条件和失效特点，选择最合适的材料成分及组织状态，并制定相应的工艺技术措施，制造出既安全可靠、又经济合理，同时又能满足寿命要求的模具。,131材料抵抗过量变形失效的性能指标模具（即一定形状的材料）受到力的作用就会产生变形，首先是弹性变形。当模具某一部位的应力值大于材料的屈服点时，又开始产生塑性变形。模具的弹性变形不可避免，但其弹性变形量不能超过一定的允许值。模具的塑性变形是不允许的，或者只允许有局部的微小塑性变形。当模具的弹性变形量超过了允许值或发生了较明显的塑性变形时，都会导致模具不能正常工作，即发生了过量变形失效。显然，弹性变形和塑性变形的性质不同，材料抵抗这两种变形的性能指标也不同。,1311弹性变形的抗力指标,材料抵抗弹性变形的性能指标主要是弹性模量E和切变模量G，它们分别是使材料产生单位正应变和单位切应变所需的正应力和切应力的大小。材料的E或G越大，则在相同载荷下所产生的弹性变形越小，即越不易发生过量弹性变形失效。,金属材料的弹性模量和切变模量主要与材料基体原子本身的性质有关，而对材料组织结构的变化不敏感。除了温度升高，原子结合力减小，弹性模量和切变模量降低以外，材料的合金化、热处理、冷变形等强化手段对弹性模量和切变模量的影响很小。因此，要减少模具的弹性变形，提高其刚度，只能通过合理设计模具的截面形状、尺寸，并提高其结构刚度来解决。,1312塑性变形的抗力指标模具发生塑性变形的根本原因，是在外加载荷作用下模具整体或局部产生的应力值大于模具材料的屈服点s。因而，模具材料本身的屈服强度不高，或者热处理不当而未能发挥材料的强度潜力，是塑变失效的内因；操作不当或者意外因素引起的超载是塑变失效的外因。,塑性变形因模具种类的不同和使用材料特质的各异，因此需测定和观察不同的塑变抗力指标：,冷作模具，高含碳量钢：适宜用压缩试验测定其压缩屈服点。,对脆性较大的材料：常用弯曲试验测定其抗弯屈服点。,热作模具：材料室温下的屈服强度；材料的回火抗力；高温下的屈服强度。,模具材料的硬度在一定范围内与该材料的抗压屈服强度成正比，因而硬度（包括高温下的硬度）也可以用来评价材料的塑变抗力。,但是应该注意，屈服强度要比硬度对材料的组织状态敏感，具有相同硬度的不同材料，因其成分和组织不同，它们的抗压屈服强度并不相当。如模具用钢Cr6WV、Crl2MoV、W18Cr4V等，它们经淬火回火后的硬度同为63HRC时，其抗压屈服强度依次递增。,132材料抵抗断裂失效的性能指标模具的断裂失效是模具中的应力水平超过材料相应的断裂抗力的结果。模具承受载荷或应力的性质不同，材料抵抗断裂失效的性能指标也不相同。当模具中的应力单调地增加并超过一定的临界值时，材料便会迅速发生断裂，这种断裂可称为一次断裂或快速断裂；当模具承受高于一定临界值的交变应力作用时，尽管其最大应力低于材料的屈服点，经过相当多周次的服役后，材料也会发生断裂，这种断裂则称为疲劳断裂。显然，材料对这两种断裂的抗力指标是不相同的。,应力临界值线,一次断裂或快速断裂,应力单边增加,应力临界值线,疲劳断裂,1321快速断裂失效的抗力指标1断裂的类型和方式模具的快速断裂可在多种工作条件下发生，例如，高温或室温，静载荷或冲击载荷，表面光滑或有缺口或有裂纹，有腐蚀介质或无腐蚀介质，等等。模具的工作条件不同，所用的材料不同，其断裂的类型和方式可以不同。工程上，常根据断裂件的断口状况对断裂进行分类，如表1-1所示。,穿晶断裂,晶界断裂,2影响脆性断裂的基本因素脆性断裂事先没有明显的征兆，且在名义应力较低的情况下突然发生（故又称低应力脆断），其危害性最大。因而，人们一直关注脆性断裂的预防。模具在服役过程中是否会发生脆性断裂，一方面取决于材料本身的性质和健全度，另一方面还受模具工作条件，如应力状态、工作温度、加载速度、环境介质等外界因素的影响。,（1）材料的性质和健全度如前所述，在单调增加的载荷作用下，材料尚未发生宏观的塑性变形就发生了正断，这种断裂就是脆性断裂。材料的正断抗力低，其脆性断裂的倾向就大。,金属材料的正断抗力首先取决于基体相原子间的键合强度，键合力高者其正断抗力自然也高；其次取决于材料的健全度，冶金缺陷、冷热加工缺陷等使材料的宏观和微观键全度降低，因而也导致正断抗力下降；再次取决于材料显微组织中各薄弱相（或组成体）相遇的几率，当各个薄弱环节有机会连接在一起形成薄弱面时，其正断抗力必然下降。由此可以推断材料的体积尺寸越大，所包含的缺陷就越多，各种缺陷相遇的几率也越大，其正断抗力就越低。,（2）应力状态使金属材料产生塑性变形的是切应力，而拉应力增大时则易使材料脆性断裂。模具结构形状的突变部位、表面缺口及材料的各种缺陷等，都会使这些部位产生应力集中并造成三向不等拉深等硬性应力状态，因而增大脆性破坏的倾向。另外，截面尺寸大的模具，当在某一方向产生拉应变时，另两个方向的收缩变形均会受到较大的约束，即易产生平面应变状态或三向拉应力状态，因而也倾向于脆性断裂。,（3）工作温度工作温度降低时，金属材料，特别是体心立方晶格的金属材料的塑性变形抗力增大，即屈服强度升高，而对正断抗力（主要取决于原子键合力）影响不大。因而当温度降低至一定程度（T1300MPa的高强度钢，以及在加热或腐蚀条件下工作的所有金属材料，它们的-N曲线都不存在水平线部分，一般规定N5107108时所对应的最大循环应力值（记作1n），作为材料的条件疲劳极限。,1n,4疲劳极限1和静强度的关系大量的统计研究表明，材料的疲劳极限1和抗拉强度b之间存在一定的经验关系。当某种材料没有现成的1数据时，可根据其静强度值来估算其1的大致数值。还可根据这种关系找到提高材料疲劳强度的途径。,5材料在其他循环应力下的疲劳极限1为材料在对称循环弯曲应力情况下的疲劳极限，其测定比较简便，积累的数据也多。但模具实际承受的循环应力多是不对称的，而且应力状态也比较复杂，这时材料的疲劳极限有所不同于1，且不便试验测定。理论分析和经验表明，它们都与1有密切的关系。,6材料的低周疲劳及其抗力低周疲劳的特点是：最大循环应力接近或高于材料的屈服强度，它足以使材料的应力集中处等薄弱部位发生塑性变形，因而材料在每一周次的循环应力作用下，均产生一定幅度的塑性变形。低周疲劳寿命较短，一般在102105次的范围内。,一般用塑性应变幅（p）对应于疲劳断裂周次的p-Nf曲线来描述材料的低周疲劳抗力，如图l-27所示。,由图可知，塑性应变幅p是决定材料低周疲劳寿命Nf的主要因素。对于同一材料，p越小，Nf越高；对于不同材料，塑性越高，对塑性应变循环的耐受性越好，低周疲劳寿命也越高。,因此，为了提高模具的低周疲劳寿命，它的选材应在满足强度要求的前提下，尽量选用高塑性的材料。而在高周疲劳条件下，当强度不是很高时，则侧重选用高强度的材料。,另外，周期性的塑性应变会使材料的塑变抗力发生改变。有时，反复的塑性应变会使材料的塑变抗力增大，这种现象称为循环硬化；而有时，又会出现材料的塑变抗力减小的现象，称为循环软化。循环软化首先使应力集中处的材料软化，使应力得以重新分布，削减应力集中。因此，在保证不发生过量塑变的前提下，选用循环软化的材料是有意义的。,7影响疲劳强度的因素模具或零件的疲劳强度对各种外在因素和内在因素是非常敏感的。外在因素包括模具的形状、尺寸、表面粗糙度及使用条件等，内在因素包括材料本身的成分、组织状态、纯净度和残余应力等。这些因素的细微变化，均会造成模具疲劳性能的波动甚至大幅度变化。,（1）应力集中的影响前面所讲的材料的疲劳极限，都是用精心加工的光滑试样测得的。实际模具或其他零件都存在各种缺口，如凸阶、沟槽、孔洞等。这些几何形状不光滑连续的部位均造成应力集中，使该处的实际应力水平远高于名义应力，疲劳破坏往往就从这里开始。据统计，因应力集中导致的疲劳失效，在各种影响因素中居首位。,试验结果也表明，缺口的存在使材料的疲劳极限降低，且缺口越尖锐，1降低得越多。缺口对材料疲劳抗力的影响程度又随材料不同而有差异，受其影响大的材料称它的疲劳缺口敏感度大。通常，材料的强度越高，疲劳缺口敏感度越大，而强度较低、内部又有许多缺陷的灰铸铁，其疲劳缺口敏感度很小。,（2）表面状态的影响模具或零件的表面粗糙度、加工缺陷、表面处理工艺及残余应力等均影响疲劳强度。表面粗糙、刀痕或裂纹等损伤会引起应力集中，未完全去除的表面脱碳层会使表面强度降低，某些加工或处理会使表面存在残余拉应力等，这些因素均导致疲劳强度的大幅度降低。而能提高表面强度和产生表面残余压应力的各种表面强化处理，如表面冷作变形（喷丸、滚压等）和表面热处理（表面淬火、薄壳淬火、渗碳、渗氮、氮碳共渗等）均能显著提高疲劳强度。表面镀层也能使表面强化，但若镀层中存在裂纹，或镀层引起基体金属表面产生残余拉应力、氢脆等现象时，将会使疲劳强度下降。,（3）尺寸因素的影响用来测定材料疲劳极限的试样较小，其截面直径一般为712mm，而模具或零件的截面尺寸往往大于试样。试验表明，随着试样直径加大，所测得的疲劳极限下降，且材料的强度越高，下降的幅度越大。这就是疲劳极限的尺寸效应。其原因，可以认为是随着尺寸增大，材料处于高应力区的体积增大，所包含的缺陷增多，产生疲劳破坏的几率增加。尺寸因素对不同载荷或不同应力状态下的疲劳极限影响的程度不同，一般对交变弯曲下的1影响较大。,（4）材料本身的影响材料本身的化学成分、组织状态和内部缺陷，是决定材料疲劳强度的内因。由于在一定的强度范围内，疲劳极限和抗拉强度关系密切因而提高抗拉强度的合金化和热处理手段均能提高疲劳极限。但对高强度钢，还要改善其塑性才能使疲劳极限继续提高。,8材料在其他条件下的疲劳及其抗力根据模具的载荷性质和工作环境条件，还可能发生具有其他特点的疲劳。如承受冲击载荷的模具会发生冲击疲劳，热作模具会发生热疲劳，经常与腐蚀介质接触的模具会发生腐蚀疲劳等。,（1）冲击疲劳冷镦模和锤锻模等在冲击载荷的多次作用下所发生的疲劳破坏称为冲击疲劳。冲击疲劳和静疲劳具有相同的破坏过程和破坏机制，对材料的性能要求也有相似的规律。在冲击能量高时，疲劳断裂周次很低（Nf2104），材料的疲劳抗力主要取决于强度。锤锻模承受的冲击能量，大多介于上述两种情况之间，要求材料具有强度和塑性的良好配合。,冲击疲劳下的缺口效应要比静疲劳大。这些特点要求在设计承受冲击力的模具时，应考虑使模具的尺寸和结构具有整体柔度，从而具有吸收冲击能量、减小冲击应力的能力。同时，还应尽量减少因结构因素引起的应力集中。,（2）热疲劳热作模具工作表面承受循环热负荷，使得表面材料发生循环胀缩变形，当这种变形受到外界（包括内部不变形材料）的约束不能自由地进行时，就使表面材料产生循环热应力。循环热应力的反复作用将使模具表面多处产生沿晶和穿晶裂纹，即产生了热疲劳。模具表层的胀缩变形大多受二维约束，呈二向应力状态。为了减小热应力，从材料的物理性能考虑，应选用弹性模量低、线胀系数小的材料。另外，材料的导热性能好，利于减小表层和心部的温度梯度，从而减小对表层材料胀缩的约束。,热疲劳破坏是由循环塑性应变引起的，是应变损伤积累的结果，其本质是应变疲劳。因而，材料的热疲劳性能可用试验测定的p-Nf曲线来描述。这里，p为热塑性应变幅，Nf为热疲劳寿命。和低周疲劳（应变疲劳）相似，在保证一定强度的基础上提高材料的塑性，才能提高其热疲劳抗力。而高强度且脆性较大的材料难以塑性变形，其热应力很容易升高达到材料的断裂抗力，从而易产生热疲劳裂纹。相应地，材料热处理后的硬度过低或过高，均影响其热疲劳抗力。例如，用4Cr5MoSiV钢制造的铝合金压铸模，其最佳硬度为4046HRC，硬度超过50HRC，将很快出现热疲劳裂纹。,在设计热作模具结构时，应注意尽量减小应力集中和由于温度梯度过大所产生的塑性应变集中，从而减少热疲劳开裂。,（3）腐蚀疲劳材料在腐蚀介质和循环应力的共同作用下，经过一定周次所产生的断裂失效称为腐蚀疲劳。它既不同于应力腐蚀，又不同于普通大气中的疲劳，其特点如下：1）材料发生腐蚀疲劳在任何腐蚀介质中均会出现，不像应力腐蚀有特定的腐蚀介质。2）材料的腐蚀疲劳不存在临界应力强度因子K1scc，在外加应力作用下，即使KmaxK1scc，虽然不产生应力腐蚀，但照样会发生腐蚀疲劳开裂。3）腐蚀疲劳的-N曲线没有水平部分，一般均用指定周次下断裂的应力作为条件腐蚀疲劳极限。,4）条件腐蚀疲劳极限和强度之间不存在比例关系。一般地说，提高材料的强度水平对腐蚀疲劳抗力不仅没有好处，反而将使材料对腐蚀介质更敏感。只有含大量Cr、Ni等合金元素的精炼不锈钢，在经过最佳的热处理后，才显著提高腐蚀疲劳抗力。,5）腐蚀疲劳强度对加载频率极为敏感，频率越低，腐蚀疲劳极限和寿命也越低，这对模具来说是很不利的。但腐蚀疲劳抗力对应力集中和表面状态的敏感度较小，且尺寸因素对它的影响与一般疲劳相反，即腐蚀疲劳寿命随尺寸的增大而提高。,6）腐蚀疲劳破坏有多个疲劳源，有特殊的多齿状宏观断口特征，并有腐蚀产物存在。微观断口呈晶界断裂或穿晶与晶界断裂的混合型。,133材料抵抗表面损伤失效的性能指标模具服役时，其工作表面周期性地受到坯料的压力和摩擦力的反复作用，有的还受到坯料或冷却润滑介质的侵蚀，因而会发生磨损、接触疲劳和腐蚀等表面损伤。这些表面损伤或造成模具尺寸精度降低和表面粗糙度增加而影响其正常工作，或成为模具破断的裂源，促使模具发生断裂失效。按照表面损伤的主要原因和机理的不同，大体上可把它分为磨粒磨损、粘着磨损、腐蚀磨损和接触疲劳等几种类型。,1331材料磨粒磨损的抗力指标当摩擦副一方的硬度高于另一方，或者在接触面之间存在有硬质粒子（尘埃、金属屑、氧化物等）时，就会发生磨粒磨损。这种磨损的机理是：在接触面上正压力的作用下，硬质粒子或硬材料的微小凸出部分压入软材料中，并由于相对滑动产生微切削作用，使得软材料的体积或重量微量减小，表面出现微切削划痕。,接触面上的负荷性质和应力大小不同，磨粒磨损的特点也不同，由此又可分为低应力磨粒磨损和高应力磨粒磨损。前者是指摩擦副之间的压力不超过磨粒的破坏强度，如冷冲裁模刃口的磨损。,试验表明，在低应力磨粒磨损条件下，材料的磨损量与接触压力成正比，与材料的硬度成反比。这要求模具钢具有高的硬度和耐磨性，应提高钢中碳和合金元素的含量，并经过适当的热处理，使其显微组织是在高强度的基体上均匀分布有更硬的碳化物或氮化物相。,多数承受冲击的模具的磨损类型介于低应力和高应力之间。在这种情况下，为了提高材料的耐磨性，不仅要求有高的硬度，还要求有较好的韧性。尤其当硬度超过40HRC时，只有提高材料的韧性才能进一步提高其耐磨性。在提高模具基体强韧性的同时，对其表面进行强化处理，如表面淬火、渗碳、渗氮、氮碳共渗等，都能显著提高它的耐磨性。,1332材料粘着磨损的抗力指标模具表面的粗糙度值即使很低，在微观上仍然是凹凸不平的。当坯料在压力作用下与模具表面接触时，在微观上首先是表面各凸峰的接触，其实际接触面积远小于名义接触面积。因而，某些接触点的实际比压很大，产生挤压塑性变形，并使接触点处的润滑油膜、氧化膜被挤破，造成金属间的直接接触而发生粘着（冷焊），继而在切向滑动时粘合点撕裂，小块坯料金属粘结在模具表面形成坚硬的“小瘤”，并在坯料表面产生划痕、擦伤及粘合点被撕裂的痕迹，这就构成了粘着磨损，又称咬合磨损。,粘着磨损的磨损率较大，且受外界条件的影响也大。外界条件包括接触压力、摩擦速度，热点温度（实际接触点的局部温度）、润滑状况等。当摩擦速度低时，热点温度也低（250），氧的扩散速度也低，摩擦表面所形成的薄而致密的氧化膜会阻碍金属间的粘合，磨损量较小，当摩擦速度稍高时，热点温度升高，氧化膜也变得易于破碎，从而使粘着磨损量急剧增加，其磨损率的极大值发生在热点温度300左右时，温度高于300时，表面开始形成致密的Fe3O4蓝黑色氧化膜，且与金属基体结合牢固，粘着磨损量急剧减少，并在400出现磨损率极小值；,当摩擦速度进一步提高或坯料本身的温度很高时，会导致热点温度更高，氧化膜的成分和结构发生变化，质地疏松，易产生热粘着磨损，使磨损率增大。随着接触压力增大，磨损率增加，且发生粘着磨损的热点温度降低。,摩擦表面光滑和良好的润滑可有效地减少粘着磨损，因而应根据摩擦副的具体情况，选择利于表面吸附的润滑剂及添加物，使形成的油膜不易被破坏。,渗碳、渗氮、液体氮碳共渗，磷化、氮碳硼复合渗及硫氮碳共渗等化学热处理工艺，既能提高表面硬度，又能减低与坯料金属间的结合力，对减轻粘着磨损也很有效。,1333腐蚀和腐蚀磨损的防护1腐蚀及防护模具的腐蚀损伤常见于受高温氧化或受金属液侵蚀的热作模具，以及受腐蚀性气体侵蚀的某些塑料模具。尤其是表面质量要求很高的塑料模具，腐蚀可能很快地使型腔表面变得粗糙而须重新抛光。,为了提高压铸模的抗腐蚀、抗粘模性能，可对之进行涂层处理、渗氮处理和氮碳共渗，为了提高热作模具的抗氧化性，可对之进行渗铬或渗铝处理，为了提高塑料模具的耐蚀性，可采用表面电镀铬，化学镀Ni-P合金或直接采用不锈钢制造模具。,2腐蚀磨损的防护腐蚀和机械载荷的共同作用，除了可使模具产生应力腐蚀和腐蚀疲劳外，还会产生腐蚀磨损。模具中的腐蚀磨损主要包括氧化磨损、微动磨损和气蚀磨损。,（1）氧化磨损氧化磨损是最广泛的一种磨损形态。在大气中，金属表面总覆盖着一层氧化膜。当发生摩擦时，接触点表面的氧化膜会被破坏脱落，新露出的金属表面又立即形成新的氧化膜，而当遇到第二个凸峰时，新的氧化膜又可能被破坏脱落。氧化膜如此反复形成又反复脱落就造成了表面材料的不断耗损。氧化磨损表面光亮，有均匀分布的细微磨纹。,材料对氧化磨损的抗力取决于氧化膜的性质及其与金属基体的结合力，也取决于材料表层的塑性变形抗力。如果材料表面能形成致密的非脆性的氧化膜等保护层，则能显著提高磨损抗力，因而生产上广泛采用发蓝，磷化、蒸汽处理和渗硫等工艺来保护表面，并减轻氧化磨损。,（2）微动磨损模具的嵌合部位或过盈配合处（见图1-28)，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。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。,为了防止微动磨损，应在设计、选材和处理工艺上采取相应措施。在设计上，要防止过渡配合模具零件间的松动，如增加配合压力、提高加工精度等；还要尽量减少过渡配合处的应力集中，如在过渡配合附近开设圆滑过渡的卸荷台阶和卸荷槽等。在选材上，应尽量避免选用相同的配对材料，并考虑材料对微动磨损的敏感性。在工艺上，采用表面形变强化处理，如表面滚压、挤孔等，采用改变表面层成分和性能的表面处理，如渗碳、渗氮、氮碳共渗、渗硫、电镀镉等，均能提高抗咬蚀能力。,（3）气蚀磨损气蚀磨损是热作模具中特有的磨损形式。在模具工作过程中，若使用易燃性润滑剂对模具进行润滑冷却，在接触高温坯料时，润滑剂就会快速燃烧放出大量气体，并在瞬间产生很高的压力，该压力作用于模具表面并对表面产生冲刷作用。在高温高压燃气的反复冲刷下，模具表面会产生不规则的气蚀磨损沟痕。这种气蚀沟痕不仅影响模具的尺寸精度和表面质量，也可成为疲劳断裂的裂源。如图1-16所示。防止气蚀磨损的主要措施，是选用不易燃烧的冷却润滑介质和添加剂。,1334接触疲劳和材料的接触疲劳强度1接触疲劳的概念两物体在压力作用下相互接触时，由于接触表面处的局部弹性变形所产生的应力称为接触应力。模具，尤其是承受冲击的模具，其工作表面的某些区域受较高接触应力的周期作用，经过一定的周次后，在这些区域中产生深度不同的小片或小块状剥落，造成表面上针状或豆状凹坑（麻点），这就是接触疲劳损坏。接触疲劳又称点蚀、疲劳磨损，它使磨损加剧，严重损害模具的表面质量，并将导致模具的疲劳断裂失效。,接触疲劳可以看作是应力比R的脉动压缩疲劳，也存在-N曲线，而且对碳钢、合金钢、青铜、轻合金等许多材料都有明显的接触疲劳极限。接触疲劳也是一个裂纹萌生与扩展的过程，最后以剥落麻点的形式损坏。在这一过程中，摩擦、磨损、氧化和温度等都会对之产生较大影响。,当模具工作表面受到接触应力作用时，在与表面成45角的斜截面上出现最大切应力45且在距表面很小的深度上，45出现最大值。如果模具表面还受到坯料的摩擦作用，则摩擦力和45合