模具失效的形式.ppt

模具失效概念 知识点 1 模具失效2 模具损伤3 模具使用寿命 模具失效 是指模具丧失正常的使用功能 不能通过一般的修复方法使其重新服役的现象 模具在服役中产生了过量变形 断裂破坏 表面损坏等现象后 将丧失原有的功能 达不到预期的要求 或变的不安全 不可靠 以致予不能继续正常地服役 这些现象统称为模具失效 模具的失效分为非正常失效和正常失效 非正常失效 早期失效 是指模具未达到一定的工业水平下公认的寿命时就不能服役 早期失效的形式有塑性变形 断裂 局部严重磨损等 正常失效是指模具经大批量生产使用 因缓慢塑性变形或较均匀地磨损或疲劳断裂而不能继续服役 模具损伤 模具在使用过程中 出现变形 微裂纹 腐蚀等现象 但没有立即丧失服役能力的现象称为模具损伤 举例 断裂失效过程总之 失效发展过程是 模具损伤 损伤积累 模具失效的过程 模具寿命模具正常失效前 生产出的合格产品的数目 叫模具正常寿命 简称模具寿命 模具首次修复前生产出的合格产品的数目 叫首次寿命 模具一次修复后到下一次修复前所生产出的合格产品的数目 叫修模寿命 模具寿命是首次寿命与各次修复寿命的总和 模具寿命与产品成本的关系产品成本由原材料费 工资费 设备折旧费 模具设计制造费 管理费等组成 降低产品成本费 一方面要提高模具寿命 还要考虑产品批量与模具寿命之间的匹配 应使模具寿命略大于产品批量 为了使产品成本最低 在满足产品质量要求的前提下 应根据批量选用不同的模具材料及制造工艺 对同一产品同一模具材料 应根据产品批量选取最合理的模具结构 模具失效分类 按时间结果分为 早期失效由设计或制造缺陷造成 随机失效生产 管理 环境等偶然因素造成 耗损失效长期使用结果 寿命终止 按经济效益分为 正常失效产品长期使用结果 寿命终止缺陷失效产品设计者或制造者造成质量问题 误用失效产品使用者造成 受累失效环境 自然灾害等不可抗拒的偶然因素造成 按失效形式分为 过量变形弹性 塑性变形 蠕变造成超差失效 模具断裂韧性 脆性 疲劳 腐蚀 造成断裂失效 表面损伤磨损 接触疲劳 腐蚀造成表面损伤 模具失效形式及机理 模具因类型不同 生产的产品不同 失效的形式也不同 如 锻模失效主要因为尺寸不符合要求或锻模破裂 塑料模具常常因表面光洁度不够而失效 综合来讲 模具失效形式主要有三类 磨损 断裂 塑性变形 模具失效形式及机理 磨损失效磨损的概念 由于表面的相对运动 从接触表面逐渐失去物质的现象称为磨损 模具的磨损 坯料与模具之间接触 成型过程中产生相对运动 造成磨损 磨损的结果 1 模具尺寸发生变化 2 模具表面状态发生变化 如粗糙度增加 产生划痕等 一 磨损分类根据模具的成形坯料 使用状况 其磨损机理可以分为 磨粒磨损 粘着磨损 疲劳磨损 气蚀和冲蚀磨损 腐蚀磨损 模具失效形式及机理 二 磨粒磨损磨粒磨损的定义 在工件和模具接触表面之间存在外来硬质颗粒或者工件表面的硬突出物 刮擦模具表面 引起模具表面材料脱落的现象叫磨粒磨损 模具失效形式及机理 主要特征是模具表面有明显的划痕或犁沟 磨损物为条状或切屑状 二 磨粒磨损 一 磨粒磨损的机理 图3 1 图3 2 模具失效形式及机理 磨料磨损时 作用在质点上的力分为垂直分力和水平分力 垂直分力使硬质点压入材料表面 水平分力使硬质点与表面之间产生相对位移 硬质点与材料相互作用的结果 使被磨损表面产生犁皱或切屑 形成磨损或在表面留下沟槽 二 磨粒磨损 一 磨粒磨损的机理 模具失效形式及机理 二 磨粒磨损 二 影响磨粒磨损的因素磨粒大小与形状磨粒硬度和模具材料硬度模具与工件表面压力磨粒尺寸与工件厚度的相对比值 模具失效形式及机理 二 磨粒磨损 三 提高耐磨粒磨损的措施提高模具材料的硬度进行表面耐磨处理采用防护措施 模具失效形式及机理 三 粘着磨损粘着磨损的定义 工件与模具表面相对运动时 由于表面凹凸不平 粘着的结点发生剪切断裂 使模具表面的材料转移到工件上或脱落的现象 模具失效形式及机理 要特征是磨损产物多为片状或小颗粒 一 粘着磨损的机理模具与工件表面的实际接触面积只有名义上的0 01 0 1 只有少数微观凸起处接触 压力很大 引起塑性变形 加上表面因摩擦而温度升高 局部金属软化或熔化 使表层的氧化膜破裂 使新鲜材料暴露 造成工件与模具材料纯金属接触 分子间互相吸引 渗透 粘着 使这些突起处联接起来 随着相对运动的进行和接触部分的温度急剧下降 突起处相当于进行了一次局部淬火 使粘着部分材料强度增加 形成淬火裂纹 最后造成撕裂和剥落 图3 5为粘着磨损过程 模具失效形式及机理 二 粘着磨损的分类根据磨损程度 分为 轻微粘着磨损 氧化磨损 和严重粘着磨损 涂抹 擦伤 胶合 轻微粘着磨损 氧化磨损 粘结点强度低于模具和工件的强度时发生 接点的剪切损坏基本上发生在粘着面上 表面材料的转移十分轻微 模具失效形式及机理 二 粘着磨损的分类 模具失效形式及机理 涂抹 粘结点强度介于模具和工件的强度之间时发生 接点的剪切损坏发生在离粘着面不远的较软金属的浅层内 使较软金属粘附并涂抹在较硬金属表面上 二 粘着磨损的分类 模具失效形式及机理 擦伤 粘结点强度高于模具和工件的强度时发生 接点剪切损坏主要发生在较软金属的浅层内 有时硬金属表面也有擦痕 转移到硬表面上的粘结物又擦削较软表面 如铜与钢摩擦时 剪切大多发生在铜表层内 但钢表面也残留少量的小坑 二 粘着磨损的分类 模具失效形式及机理 胶合 咬死 粘结点强度远远高于模具和工件的强度时发生 摩擦副之间粘着面积较大 不能作相对运动称咬死 剪切发生在模具或工件较深的地方 模具失效形式及机理 载荷对碳钢表面磨损量的影响 三 影响粘着磨损的因素表面压力T1 接触压应力小于材料硬度的1 3 磨损主要是通过氧化碎屑的脱落而产生的 属于轻微氧化磨损区 T1与T2之间为严重磨损区 磨屑尺寸增大 加厚 且多为金属屑 当载荷继续增大超过T2后 表面内摩擦增大而温度很高 可能发生相变 并形成白层 形成不易破碎的氧化膜 因而耐磨 三 影响粘着磨损的因素 材料性质脆性材料比塑性材料粘着倾向小 塑性材料形成的粘着结点的破坏以塑性流动为主 它发生在离表面一定的深度处 磨屑较大 而脆性材料粘结点的破坏主要是剥落 损伤深度较浅 同时磨屑容易脱落 不堆积在表面上 密排六方结构的金属材料粘着倾向小 面心立方点阵的金属粘着倾向明显大于其他点阵的金属 多相的金属比单相的金属粘着倾向小 互溶性大的材料 包括相同金属或相同晶格类型的金属 所组成的摩擦副粘着倾向大 互溶性小的材料 异种金属或晶格结构不相近的金属 组成的摩擦副粘着倾向小 模具失效形式及机理 三 影响粘着磨损的因素 材料硬度模具材料硬度越大 磨损越小 反之 磨损越大 模具失效形式及机理 四 提高耐粘着磨损性能的措施 合理选用模具材料选与工件互溶性小的材料 减小亲合力 降低粘结的可能性 合理选用润滑剂和添加剂润滑油膜一方面可防止金属表面直接接触 另一方面可减小摩擦 成倍提高抗粘着磨损的能力 采用表面处理通过表面化学热处理 如渗硫 硫氮共渗 磷化 软氮化等热处理工艺 使表面生成一化合物薄膜 或为硫化物 磷化物 含氮的化合物 使摩擦系数减小 起到减磨作用也减小粘着磨损 模具失效形式及机理 四 疲劳磨损疲劳磨损的定义 工件与模具表面相对运动时 在循环应力 机械应力与热应力 的作用下 使模具表层金属材料疲劳脱落的现象 模具失效形式及机理 接触疲劳磨损 主要特征为磨损表面有裂纹 小坑等 磨损产物为块状或饼状 模具失效形式及机理 四 疲劳磨损 一 疲劳磨损的机理在承受力和相对运动的情况下 模具表面及亚表面不仅有多变的接触应力而且还有切应力 这些外力反复作用一定周次后 模具表面就会产生局部塑性变形和加工硬化 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 当裂纹扩展到表面时或与纵向裂纹相交时 形成磨损剥落 模具疲劳磨损有机械疲劳磨损 冷热疲劳磨损 模具失效形式及机理 四 疲劳磨损 二 影响疲劳磨损的因素材质 钢材的冶金质量 如 夹杂物类型 大小 形貌 分布 特别是脆性 带棱角的非金属夹杂物 硬度 一般情况下 材料抗疲劳磨损能力随表面硬度的增加而增强 而表面硬度一旦越过一定值 则情况相反 表面粗糙度 表面粗糙度低 接触面积大 接触应力小 提高抗疲劳磨损能力 模具失效形式及机理 四 疲劳磨损 三 提高耐疲劳磨损的措施合理选择润滑剂润滑剂可避免模具与工件表面直接接触 并均化接触应力 缓冲冲击 润滑剂粘度越高越好 固体润滑剂比液体润滑剂好 进行表面强化处理采用喷丸 滚压等强化方法 使模具工作表面金属受压缩产生塑性变形 并产生宏观压缩应力 有利于提高抗疲劳磨损的能力 五 气蚀磨损和冲蚀磨损 一 气蚀磨损定义 模具表面的气泡破裂 产生瞬间的冲击和高温 使模具表面形成微小的麻点和凹坑的现象叫气蚀磨损 模具失效形式及机理 五 气蚀磨损和冲蚀磨损 一 气蚀磨损产生机理 模具与液体表面接触作相对运动时 在液体与模具接触处的局部压力比液体蒸发压力低的情况下 形成气泡 同时溶解在液体中的气体也可能析出形成气泡 如果这些气泡流到高压区 当承受压力超过气泡内压力时 气泡就会破裂 在瞬间产生极大的冲击力和高温 作用于模具表面上 气泡的形成和压溃的反复作用 使零件表面疲劳破坏 产生麻点 随后扩展成海绵状空穴 这种磨损称为气蚀磨损 模具失效形式及机理 五 气蚀磨损和冲蚀磨损 二 冲蚀磨损定义 液体或固体微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 当小液滴速度特别高 高于100m s时 产生的冲击应力会超过材料的屈服强度 造成局部材料断裂 模具失效形式及机理 五 气蚀磨损和冲蚀磨损 三 提高抗气蚀磨损和冲蚀磨损的措施气蚀磨损和冲蚀磨损都称为侵蚀磨损 它们都可以看成疲劳磨损的派生形式 因为就本质上来说 都是由于机械力造成的表面疲劳破坏 但液体的化学和电化学作用加速了它们的破坏速度 在注塑模具和压铸模具中易出现 若材料具有较好的抗疲劳性和抗腐蚀性 又有较高的强度和韧性 材料的抗气蚀磨损和冲蚀磨损性能就好 工艺上 降低流体对模具表面的冲击速度 避免涡流 消除产生气蚀的条件 可有效减少气蚀和冲蚀磨损 模具失效形式及机理 六 腐蚀磨损定义 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 再加上机械摩擦作用 引起表层材料脱落的现象叫腐蚀磨损 腐蚀 磨损 腐蚀磨损 它的主要特征是磨损表面有化学反应膜或小麻点 但麻点比较光滑 磨损物为薄的碎片或粉末 典型工件如汽缸与活塞 船舶外壳 水力发电的水轮机叶片等 模具失效形式及机理 六 腐蚀磨损 一 腐蚀磨损的机制 两个阶段 第一阶段 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 形成反应物 第二阶段 表面反应物在随后的摩擦过程中被磨掉 反应物被磨掉后 新鲜表面暴露出来 重新与周围介质发生化学或电化学反应 重复第一阶段 模具失效形式及机理 六 腐蚀磨损腐蚀磨损常发生在高温或潮湿的环境中 尤其在有酸 碱 盐等特殊条件下最易发生 模具常见的腐蚀磨损形式有 氧化腐蚀磨损 特殊介质腐蚀磨损 模具失效形式及机理 六 腐蚀磨损 二 氧化腐蚀磨损在摩擦过程中 由于金属表层凸峰的塑性变形 促使原有的氧化膜破裂 新的材料暴露后又与氧结合形成脆而硬的氧化膜 由于氧化膜不断生成与剥落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 一般情况下氧化膜能使金属表面免于粘着 氧化磨损一般要比粘着磨损缓慢 因而可以说氧化磨损能起到保护摩擦副的作用 模具失效形式及机理 六 腐蚀磨损氧化磨损的速度与氧化膜的性质有关 1 氧化膜的密度和金属相近 氧化膜能牢固覆盖在金属表面 磨损小 2 氧化膜的密度大于金属密度 氧化膜中易出现拉应力 膜易破裂或出现多孔疏松膜 3 氧化膜的密度小于金属密度 随着氧化膜的生长 膜的体积不断膨胀 在膜内形成平行于表面的压应力和垂直于表面使膜脱离表面的拉应力 膜愈厚 内应力愈大 膜易剥落 4 氧化膜与基体的热涨系数不同 也会造成氧化膜脱落 模具失效形式及机理 六 腐蚀磨损 三 特殊介质腐蚀磨损在腐蚀环境中 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 表层化合物剥落而引起的磨损称为特殊介质腐蚀磨损 为了防止和减轻腐蚀磨损 可从表面处理工艺 润滑材料及添加剂的选择等方面采取措施 模具失效形式及机理 七 磨损的交互作用模具表面的磨损往往多种形式并存 并相互促进 如 模具表面发生粘着磨损后 形成的磨粒会引发磨粒磨损 而磨粒磨损造成模具表面更加粗糙 又会促进粘着磨损 模具表面疲劳磨损后 形成的磨粒同样会引发磨粒磨损 而磨粒磨损造成模具表面更加粗糙 也会促进粘着磨损 疲劳磨损 腐蚀磨损也会促进磨粒磨损 疲劳磨损 粘着磨损 模具失效形式及机理 模具失效形式及机理 断裂失效模具出现大裂纹或分离为两部分或数部分 丧失服役能力时 称为断裂失效 模具失效形式及机理 二 断裂分类 1 按断裂性质分塑性断裂 脆性断裂根据金属材料断裂前所产生的宏观塑性变形的大小分 一般规定光滑拉伸试样的断面收缩率小于5 为脆性断裂 大于5 为韧性断裂 2 按断裂路径分沿晶断裂 穿晶断裂 混晶断裂 3 按断裂机理分一次性断裂 疲劳断裂模具材料多为中 高强度钢 断裂性质多为脆性断裂 模具失效形式及机理 脆性断裂脆性断裂指断裂时不发生塑性变形或只发生很小的塑性变形 小于2 5 的断裂 包括一次性断裂 疲劳断裂 1 一次性断裂指在承受很大变形力或在冲击载荷的作用下 裂纹产生并迅速发展所造成的断裂 断口呈结晶状 2 疲劳断裂指在较低应力下 经反复使用 裂纹缓慢扩展后发生的断裂 断口呈纤维状 模具失效形式及机理 三 一次性断裂包括穿晶断裂 沿晶断裂 一 穿晶断裂是一种解理断裂 指沿着特定的晶面的断裂 解理面一般是低指数或表面能最低的晶面 如体心立方的解理面为 001 密排六方为 0001 解理断裂常见于体心立方和密排六方金属及合金 低温 冲击载荷和应力集中常促使解理断裂的发生 面心立方金属很少发生解理断裂 模具失效形式及机理 解理断裂通常是宏观脆性断裂 它的裂纹发展十分迅速 常常造成零件或构件灾难性的总崩溃 断口特征 河流花样 河流花样中的每条支流都对应着一个不同高度的相互平行的解理面之间的台阶 解理裂纹扩展过程中 众多的台阶相互汇合 便形成了河流花样 河流的流向恰好与裂纹扩展方向一致 可以根据河流花样的流向 判断解理裂纹在微观区域内的扩展方向 模具失效形式及机理 三 一次性断裂 二 沿晶断裂裂纹沿晶界扩展造成的断裂 根据断裂能量消耗最小原理 裂纹的扩展路径总是沿着原子键合力最薄弱的表面进行 晶界强度不一定最低 但如果存在某些因素使晶界弱化 就会发生沿晶断裂 1 晶界有析出相 沉淀相 或存在杂质 破坏了晶界的连续性 造成晶界弱化 如AlN粒子在晶面分布 将产生微孔聚合型沿晶断裂 晶界有使其弱化的夹杂物 如钢中晶界上存在P S As Sb Sn等元素的化合物 模具失效形式及机理 三 一次性断裂 二 沿晶断裂 2 环境因素与晶界相互作用造成的晶界弱化或脆化 例如高温蠕变条件下的晶界弱化 应力腐蚀条件下晶界易于优先腐蚀等 均促使沿晶断裂产生 一般来讲 温度较低时 易发生穿晶断裂 温度较高时 易发生沿晶断裂 提纯金属 净化晶界 防止杂质原子在晶界上偏聚或脱溶 以及避免脆性第二相在晶界析出等 均可以减少金属发生沿晶脆性断裂的倾向 模具失效形式及机理 二 断裂分类 断口形貌 结晶状断口 模具失效形式及机理 四 疲劳断裂 模具在循环载荷下服役一段时间后发生的断裂 两个阶段 裂纹萌生 裂纹扩展 一 裂纹萌生1 表面不均匀变形萌生裂纹 尺寸过渡处 刀痕 划痕2 沿晶界萌生裂纹3 沿夹杂和第二相萌生裂纹 模具失效形式及机理 一 裂纹萌生1 表面不均匀变形萌生裂纹 模具在尺寸过渡 刀痕 磨痕等处易产生应力集中 在载荷作用下 当这些地方的应力超过材料的屈服强度时 便产生滑移 模具失效形式及机理 四 疲劳断裂 二 裂纹扩展两个阶段 第一阶段 裂纹与拉应力方向呈45o角 第二阶段 裂纹与拉应力方向垂直 裂纹疲劳条带的产生过程 疲劳裂纹的扩展过程 裂纹张开 钝化 变锐的模型 a 表示交变应力为零时 裂纹闭合的图形 当拉应力增加时裂纹张开 裂纹尖端由于应力集中而沿45 方向产生滑移 b 中箭头所示 当拉应力达到最大时 裂纹尖端变成了近似半圆形 发生钝化 c 裂纹张至最大 使裂纹尖端的应力集中减小 裂纹停止扩展 塑性钝化 当应力变为压应力时 滑移沿相反方向进行 裂纹表面被压缩 d 当压应力为最大值时 裂纹便完全闭合 e 模具失效形式及机理 四 疲劳断裂 模具失效形式及机理 六