模具寿命与失效6.ppt

五 冲击韧性及低温脆性 一 冲击弯曲试验与冲击韧性1 冲击弯曲试验 试验在摆锤式冲击试验机上进行将试样水平放置于试验机支座上 缺口位于冲击相背方向 模具材料性能指标的测试方法 冲击时将具有一定质量G的摆锤举至一定高度H1的位置 使其获得一定位能GH1 释放摆锤冲断试样后摆锤剩余能量为GH2 则摆锤冲断试样失去的位能为GH1 GH2 冲击弯曲试验 GH1 GH2为试样变形和断裂所吸收的功 称为冲击吸收功 以AK表示 单位为J 具体的试验与方法及操作规范参考GB229 84和GB2106 80 冲击弯曲试验 AK GH1 GH2 国家标准规定冲击弯曲试验用标准试样分别为夏比 Charpy U型缺口试样和夏比V型缺口试样 测得的冲击吸收功分别记为AKU和AKV 测量铸铁或工具钢等脆性材料的冲击吸收功时 常采用10mm l0mm 55mm的无缺口冲击试样 冲击弯曲试验 2 多次冲击试验 试验在落锤式多次冲击试验机PC 150上进行 冲击频率为450周次 min和600周次 min 冲击能量靠冲程调节变换 0 1 1 5J 可做多冲弯曲 拉伸和压缩试验 五 冲击韧性及低温脆性 试验后可绘制出冲击功A冲断次数N的曲线 A N多冲曲线表示 随冲击功A的减少 冲断次数N增加 多次冲击试验 二 冲击韧性及其工程意义 一次冲击弯曲试验主要用途 1 通过测量AK值和对冲断试样的断口分析 可反映原材料中的气孔 夹杂 偏析 严重分层和夹杂物超标等冶金缺陷 还可检查过热 过烧 回火脆性等锻造或热处理缺陷 五 冲击韧性及低温脆性 一次冲击弯曲试验主要用途 2 根据系列冲击试验可获得AK与温度的关系曲线 据此确定材料的韧脆转变温度 以供选材参考或抗脆断设计 3 对 S大致相同的材料 根据AK值可以评定材料对大能量冲击破坏的缺口敏感性 冲击韧性及其工程意义 材料的多冲抗力与强度和塑性变化的规律 1 冲击能量高时 材料的多次冲击抗力主要取决于塑性 冲击能量低时 材料的多冲抗力主要取决于强度 例 图示为35钢经200 和500 回火的多冲曲线 冲击韧性及其工程意义 两条曲线在102周次左右处相交 在交点以左 经500 回火材料的塑性高 强度低 其冲击疲劳抗力高 寿命长 在交点以右 冲击能量低时 经200 回火材料的强度高 塑性低 其冲击疲劳抗力高 寿命长 材料的多冲抗力与强度和塑性变化的规律 2 不同的冲击能量要求不同的强度与塑性配合 图示为40钢强度 塑性 冲击韧性及不同能量下的冲断次数与回火温度的关系 材料的多冲抗力与强度和塑性变化的规律 由图可见 40钢的冲击疲劳抗力随回火温度的变化不是单调的变化 而是在某一温度下有一个峰值 材料的多冲抗力与强度和塑性变化的规律 且此峰值随冲击能量增加向高温方向移动 这说明不同冲击能量下 要求的强度与塑性配合不同 材料的多冲抗力与强度和塑性变化的规律 3 aKU值对冲击疲劳抗力的影响 高强度钢和超高强度钢的塑性和冲击韧性对提高冲击疲劳抗力有较大作用 中 低强度钢的塑性和冲击韧性对提高冲击疲劳抗力作用不大 如图示 材料的多冲抗力与强度和塑性变化的规律 1 b 1700MPa2 b 1500MPa3 b 1300MPa4 b 1000MPa 3 aKU值对冲击疲劳抗力的影响 高强度时 b 1500MPa 随aKU值增加 冲击疲劳抗力显著增大 低强度时 b 1000MPa 随aKU值增加 冲击疲劳抗力提高不多 材料的多冲抗力与强度和塑性变化的规律 2 b 1500MPa b 1000MPa 3 aKU值对冲击疲劳抗力的影响 这是因为中强度钢的冲击韧度已经比较高 再增加aKU值对提高冲击疲劳抗力的影响甚微 对高强度材料 冲击韧度比较低 适当提高一些韧性对提高冲击疲劳抗力的影响比较突出 材料的多冲抗力与强度和塑性变化的规律 2 b 1500MPa b 1000MPa 3 aKU值对冲击疲劳抗力的影响 应当指出 上述冲击疲劳的规律都是用小试样试验得出的结果 在应用于大尺寸的实际零件时 要结合具体情况慎重分析 要考虑应力状态和尺寸效应问题 必要时还要进行断裂力学分析 以防发生脆断 材料的多冲抗力与强度和塑性变化的规律 三 系列冲击试验与低温脆性 分别在低温 室温和高温下对某些材料进行冲击实验时 可以得到一系列冲击值AK 或aK 五 冲击韧性及低温脆性 将得到的一系列冲击值AK 或aK 与所对应的实验温度值在直角坐标系中标出 然后用光滑曲线连接起来 可以得到这种材料冲击韧性与温度的关系曲线 即AK t或aK t 这种不同温度下的冲击试验称为系列冲击试验 系列冲击试验与低温脆性 用系列冲击试验方法可以评定材料的低温脆性 蓝脆和重结晶脆性等 而这些脆性是在材料的使用中要求尽量避免出现的 因此系列冲击试验有一定的实用意义 系列冲击试验与低温脆性 低温脆性与 s c随温度变化关系 从图示看 断裂强度随温度变化很小 屈服强度随温度变化情况与材料本性有关 系列冲击试验与低温脆性 断裂强度 低温脆性与 s c随温度变化关系 体心立方金属及合金或某些密排六方晶体金属及合金 尤其是工程上常用的中 低强度结构钢 当试验温度低于韧 脆转变温度TC材料由韧性状态变为脆性状态 系列冲击试验与低温脆性 此时冲击吸收功Ak明显下降 断口特征由纤维状变为结晶状 发生低温脆性 系列冲击试验与低温脆性 面心立方金属及合金一般没有低温脆性现象 从图中虚线看 面心立方结构材料的 S 随温度的下降变化不大 近似为一条水平线 与 c没有交点 系列冲击试验与低温脆性 但是 在20K 42K极低温度下奥氏体钢及铝合金会出现冷脆性 高强度钢及超高强度钢在很宽温度范围内吸收功均较低 所以韧 脆转变不明显 系列冲击试验与低温脆性 实验中归纳有三种不同的冲击吸收功 温度关系曲线 第一类曲线显示材料在很宽的实验温度范围内都是脆性的 如淬火态的高碳马氏体钢 第二类曲线显示具有面心立方结构的金属如铜 铝等材料在很低的温度下仍具有较高的韧性 这类材料的屈服强度对温度和应变速率的变化不敏感 系列冲击试验与低温脆性 第三类曲线显示材料在一定温度区间产生低温脆性转变 如体心立方金属及其合金 某些密排六方金属及其合金 及许多珠光体 铁素体两相钢 这类材料的屈服强度对温度和应变速率的变化十分敏感 系列冲击试验与低温脆性 六 断裂韧度试验方法 一 断裂韧度试验原理材料断裂韧度可以在万能试验机或其他各种形式试验机上进行测试 用带有疲劳预裂纹缺口的试样 在试验机提供的三点弯曲或拉伸加载下 使试样承受连续缓慢增加的载荷F 模具材料性能指标的测试方法 一 断裂韧度试验原理 通过试验机的电测载荷 位移的自动记录装置和引伸计准确地测量出试件裂纹嘴的张开位移量V并自动绘制出F V的关系曲线 断裂韧度试验方法 一 断裂韧度试验原理 然后 按试验标准规定的方法 在记录的F V曲线上求出裂纹长度的表观扩展量为2 时的载荷 将此载荷代入相应试样的KI表达式 计算KIc的条件值Kq 如果试验结果满足Kq KIC则判据试验数据有效 否则 试验结果无效 断裂韧度试验方法 当试验结果无效时 还可以采用相同的试验方法测定试样强度比Rsx 试样的强度比Rsx为无量纲量 它与试样所能承受的最大载荷 试样尺寸及材料的屈服强度有关 与KIC值不同 Rsx不是断裂力学指标 一 断裂韧度试验原理 断裂韧度试验方法 当Kq不满足KIC试验有效性条件时 如果试样形状 尺寸相同 且最大载荷是由于裂纹显著扩展 不是塑性失稳造成的 此时 可以计算试样强度比并作为材料韧性的相对度量 一 断裂韧度试验原理 断裂韧度试验方法 二 断裂韧试验试样的制备 断裂韧度试验需要制作出带裂纹的试样来进行测试 国家标准规定了断裂韧度试验的标准试样 如具有半椭圆表面裂纹的矩形截面拉伸试样 断裂韧度试验方法 由于材料断裂韧度与裂纹取向和裂纹扩展方向有关 试样制作时 应以两个字母标记其取向和扩展方向 第一个字母表示裂纹面法线方向 第二个字母表示裂纹深度预期扩展方向 二 断裂韧试验试样的制备 断裂韧度试验方法 例 图4 40 a c 中 L S表示裂纹面的法线方向为纵向 预期的裂纹扩展方向为板厚方向 L 长度方向 纵向 T 宽度方向 横向 S 板厚方向R 圆的直径方向C 圆周切线方向 断裂韧试验试样的制备 图4 40 b 中 C L表示裂纹面的法线方向为圆周切线方向 预期的裂纹扩展方向为圆柱体的长度方向 L 长度方向 纵向 T 宽度方向 横向 S 板厚方向R 圆的直径方向 C 圆周切线方向 断裂韧试验试样的制备 疲劳预制裂纹的步骤 1 在试样进行最终处理之前 用模拟形状的刀具或电火花机床在试样表面中部制造一个人造裂纹源 2 经过最终热处理和加工裂纹源后的试样 再采用三点弯曲加载方式疲劳预制裂纹 断裂韧试验试样的制备 在疲劳预制裂纹前缘各点的法平面上 裂纹及其加工的裂纹源应位于裂纹前缘为顶点的30 角楔形内 断裂韧试验试样的制备 引伸计安装在疲劳预制裂纹中心线上的两侧对称位置 各压制一个三角锥形或圆锥形盲孔 或在试样上采用微点焊托片或其他有效的方法装卡引伸计 断裂韧试验试样的制备 预制裂纹的设备可采用能进行三点弯曲疲劳加载的各种疲劳试验机或装置 但需要具有显示疲劳最大载荷Pmax 疲劳最小载荷Pmin及记录疲劳循环次数的系统 断裂韧试验试样的制备 1 研究冶金因素 成分 热处理 或制造工艺 焊接 成型 对材料断裂韧度的影响 2 评价材料是否适用 若已知具体使用条件下的应力状态 并能可靠地确定最大裂纹尺寸 可以根据KIC判定某种材料是否适用 三 测试材料断裂韧度的目的 断裂韧度试验方法 3 作为验收和产品质量控制标准 如果已知材料的KIC值 而且产品尺寸可以提供尺寸足够大的满足KIC试验有效性条件的试样 则KIC可以作为材料验收和产品质量控制标准 三 测试材料断裂韧度的目的 断裂韧度试验方法 如果要对材料在某一具体应用中的KIC提出要求 首先应该对构件的受力情况 工作环境 无损检测裂纹方法的灵敏度 可靠性等方面进行研究后 才能确定合理的KIC值 三 测试材料断裂韧度的目的 断裂韧度试验方法 七 疲劳试验方法 最简单的疲劳试验是用一组光滑小试样模拟火车轮轴的应力状态在旋转弯曲疲劳试验机上测量材料疲劳应力S和疲劳寿命N间的关系曲线 常用的四点弯曲试验机原理如图4 42所示 模具材料性能指标的测试方法 四点弯曲试验机结构简单 操作简便 能够实现应力比r 1和平均应力 m 0的对称循环和恒应力幅的纯弯曲要求 故应用比较广泛 疲劳试验方法 用其他不对称循环应力也可作出相应的疲劳曲线 如拉压疲劳曲线 脉动疲劳曲线及扭转疲劳曲线等统称为S N曲线 图中S表示应力 可以是最大应力值 也可以是应力幅值 N表示应力S经历的循环周次 即疲劳寿命 疲劳试验方法 图示曲线可见 循环应力高时 经历的疲劳寿命短 循环应力低时 经历的疲劳寿命就长 当循环应力低到某临界值 1 时 疲劳曲线成为水平线 表明在此应力作用下试样可经历无限次循环而不发生断裂 1 N 疲劳试验方法 当循环应力大于 1时 则试样仅经历有限次循环就会疲劳断裂 故将 1定义为材料的疲劳强度 1作为无限寿命的疲劳应力判据 同理对于非对称循环应力的疲劳来说 疲劳强度记为 r r表示应力比 疲劳应力判据为 r 疲劳试验方法 显然 疲劳曲线上的水平线代表无限寿命区边界 斜线段代表有限寿命区边界 疲劳试验方法 大量试验表明 金属材料疲劳曲线有两种类型 一类有水平线 如一般结构钢和球墨铸铁的疲劳曲线 据此 可标定出无限寿命的疲劳强度 1 疲劳试验方法 另一类无水平线 如有色合金 不锈钢和高强钢的疲劳曲线 只能根据材料的使用要求测定有限寿命N1 106 107或108下的条件疲劳强度 疲劳试验方法 八 磨损试验方法 磨损试验方法分为实物试验与实验室试验两类 实物试验的条件与实际情况一致或接近 因而结果可靠性高 但试验周期长 又因结果是摩擦副结构材料及其工艺等诸多因素的综合反映 单因素的影响难于掌握与分析 模具材料性能指标的测试方法 实验室试验具有周期短 成本低 易于控制各种影响因素等优点 但结果常不能直接反映实际情况 多用于研究性试验 研究单个因素的影响规律及探讨磨损机理 因此 研究零件的耐磨性时 常需要两种方法兼用 磨损试验方法 实验室试验所用摩擦磨损试验机有 销盘式磨损试验机 将试样加上载荷压紧在旋转的圆盘上 摩擦速度可调 磨损试验方法 环块式和滚子式磨损试验机 用来测定金属材料在滑动摩擦 滚动摩擦 滚动加滑动复合摩擦 间隙接 触摩擦 弧形面接触摩擦 切入式摩擦等情况下的磨损量 附有的测定摩擦力矩的装置还可用于测定上述接触形式下的摩擦力和材料摩擦系数 磨损试验方法 往复运动式试验机 试样在静止平面上往复运动 可评定往复运动机件如导轨 缸套与活塞环等摩擦副的耐磨性 磨损试验方法 砂纸磨损试验机 与销盘式磨损试验机相似 只是对磨材料为砂纸 是一种简单易行的方法 磨损试验方法 快速磨损试验机 旋转圆轮用硬质合金制造 能较快测定材料的耐磨性 也可测定润滑剂的摩擦及磨损性能 磨损试验方法 试验时应按摩擦副运动方式及摩擦方式确定试验方法 试样形状及尺寸 应使运动速度 试验力 温度等因素尽可能接近实际服役条件 磨损试验方法 由于磨损试验结果很分散 所以试样数量要充足 一般需有4