模具的失效及使用寿命

模具的失效及使用寿命1第二章模具寿命及其对工业生产的影响模具失效的基本概念

模具服役：模具安装调试好后，正常生产合格产品的过程。模具损伤：模具在使用过程中，出现尺寸变化或微裂纹，但没有立即丧失服役能力的状态。

2模具寿命及其对工业生产的影响模具失效的基本概念3模具失效模具失效：模具受到损坏，不能通过修复而继续服役。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。

3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。4模具失效形式及机理第一节磨损失效

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。5一、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6二、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。第三章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。7二、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。8二、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9二、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10二、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11三、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。12(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13（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）。图3-6。模具失效形式及机理轻微粘着磨损（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。14（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。15（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；16（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。17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。18（三）影响粘着磨损的因素②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19（三）影响粘着磨损的因素③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20(四)提高耐粘着磨损性能的措施①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。②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。③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21四、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。22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。23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：图3-8。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。24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。②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。25五、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26五、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27五、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28五、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29六、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）模具失效形式及机理腐蚀磨损，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。30六、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31六、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32六、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33六、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34六、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35七、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36模具失效形式及机理第二节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。37模具失效形式及机理一断裂力学的基本概念（一）葛里菲斯理论

为什么玻璃等脆性材料的实际强度远低于其理论强度？

根据葛里菲斯理论，由于玻璃中存在微小裂纹，降低了玻璃强度。

38模具失效形式及机理（一）葛里菲斯理论

模型：单位厚度薄板，受单向均匀拉应力σ，两端固定，构成能量封闭系统。图3-13。

此时平板内单位体积储存的弹性应变能为

39模具失效形式及机理（一）葛里菲斯理论

如果在板内沿垂直于拉应力方向开一长度为2a（远小于板宽及板长）的穿透裂纹。裂纹出现后，板内弹性应变能一部分释放，释放的能量设为U。

U—裂纹释放的能量；E，μ—材料的弹性模量和泊松比。40模具失效形式及机理（一）葛里菲斯理论

裂纹出现后，形成两个新表面，增加表面能W，设单位面积的表面能为T，新增加的表面能为：则，裂纹出现后，板中能量改变量F为：41模具失效形式及机理（一）葛里菲斯理论

图3-14为能量随裂纹长度a的变化。当a<aC时，裂纹处于稳定状态；当a>aC时，裂纹将自发扩展。2aC为临界裂纹长度。利用能量求极值可得临界条件为：即：42模具失效形式及机理（一）葛里菲斯理论

因此，裂纹自发扩展的临界应力σc为：43模具失效形式及机理（一）葛里菲斯理论

因此，裂纹自发扩展的临界裂纹长度2ac为：44模具失效形式及机理（一）葛里菲斯理论葛里菲斯理论只能应用于完全脆性材料。模具材料多为塑性材料，在裂纹尖端附近区域要产生塑性变形。

裂纹扩展所释放的能量不仅用于表面能，还要用于裂纹扩展前沿的塑性功。假设单位面积裂纹表面消耗的塑性变形功为P,则上述方程中要用T+P代替T,由于T<<P，因此可略去T+P中的T。45模具失效形式及机理裂纹自发扩展的临界裂纹长度2ac修正为：则考虑裂纹尖端塑性变形后，裂纹自发扩展的临界应力σc修正为：（一）葛里菲斯理论46模具失效形式及机理当有2a长的裂纹出现后，弹性体释放的能量为：葛里菲斯理论指出，裂纹扩展的过程是能量转换过程。（二）应变能释放率及断裂韧性能量释放率q为：q的临界值称为断裂韧性：47模具失效形式及机理（二）应变能释放率及断裂韧性联解：得：qI的大小反映了材料抗断裂破坏的能力。48模具失效形式及机理（三）裂纹尖端附近的应力场和应力强度因子裂纹尖端附近的应力场和应变场与裂纹的变形方式有关。共有三种变形方式（图3-15）：张开型、滑开型、撕开型。在上述三种裂纹变形方式中，张开型裂纹最常见也最危险。下面主要讨论张开型裂纹的情况。49模具失效形式及机理（三）裂纹尖端附近的应力场和应力强度因子下面主要讨论张开型裂纹的情况。50模具失效形式及机理（三）裂纹尖端附近的应力场和应力强度因子应用弹性理论分析得到（图3-16），在r<<a时，裂纹前沿各点的应力如下：51模具失效形式及机理（三）裂纹尖端附近的应力场和应力强度因子应用弹性理论分析得到，在r<<a时，裂纹前沿各点的位移如下：其中：u-–x方向的位移；v-–y方向的位移；G—切变模量；r,θ—极坐标中的极径和极角。52模具失效形式及机理（三）裂纹尖端附近的应力场和应力强度因子控制断裂的三个主要因素：1）裂纹尺寸和形状；2)作用应力；3)材料的断裂韧性。裂纹尺寸越大，作用应力越高，发生断裂的可能性就越大；材料的断裂韧性越高，抵抗断裂破坏的能力越强，发生断裂的可能性就越小。三因素，前二者是作用，为断裂的发生提供条件；后者（材料的断裂韧性）是抗力，阻止断裂的发生。材料的断裂韧性与材料、使用温度、环境介质等因素有关，由试验确定。

定义应力强度因子：53模具失效形式及机理（三）裂纹尖端附近的应力场和应力强度因子定义：则，裂纹前沿各点的应力可改写为：54模具失效形式及机理（三）裂纹尖端附近的应力场和应力强度因子裂纹前沿各点的应力和位移由KI和坐标（r,θ）决定。当KI确定后，不管σ和a如何变化，裂纹前沿的应力场和位移场完全相同。KI称为应力强度因子。应力强度因子是表征裂纹尖端应力场和位移场的一个有效参数。裂纹前沿各点的位移可改写为：55模具失效形式及机理（三）裂纹尖端附近的应力场和应力强度因子对于承受不同应力和不同几何形状的裂纹体，应力强度因子的一般表达式为：Y与裂纹形状有关。图3-17。时，发生脆性断裂。KIC是材料常数。由上式可求得对应于裂纹长度a的断裂应力σC或对应于应力σ的临界裂纹长度aC。56模具失效形式及机理（三）裂纹尖端附近的应力场和应力强度因子对于I型裂纹，由上面两个式子，得断裂韧度qI和临界应力强度因子KIC都是材料常数，都是表征材料抗裂纹扩展能力的参数。（3-9）57模具失效形式及机理（四）小范围屈服条件下应力强度因子KI的修正根据前面分析（式3-14），当r→0时，σY→∞。图3-18。但在实际金属材料中，当裂纹尖端的正应力等于或大于屈服应力σYS，材料就要屈服，产生塑性变形，从而使裂纹尖端区域的应力松弛，也就是说，裂纹尖端的应力不可能无限大。58模具失效形式及机理（四）小范围屈服条件下应力强度因子KI的修正

1.裂纹尖端屈服区域的大小和形状

根据材料力学主应力的计算公式：59模具失效形式及机理（四）小范围屈服条件下应力强度因子KI的修正将式3-14带入上面公式，得利用Mises屈服准则（3-21）（3-22）60模具失效形式及机理（四）小范围屈服条件下应力强度因子KI的修正在平面应力下，将式（3-21）代入式（3-22）解得（3-23）式（3-23）为裂纹尖端屈服区的边界方程，图3-19。在x轴上（θ=0）（3-24）61模具失效形式及机理（四）小范围屈服条件下应力强度因子KI的修正在平面应变下，（3-25）裂纹尖端屈服区的边界方程为在x轴上（θ=0）（3-26）62模具失效形式及机理（四）小范围屈服条件下应力强度因子KI的修正2.考虑应力松弛对塑性区大小的修正上述讨论没有考虑塑性区的应力松弛。实际上，材料屈服后，最大主应力等于屈服应力，因此，图3-19中r<r0范围内过大的应力会转移到r>r0区域，从而扩大了塑性区。在未屈服以前，裂纹尖端θ=0的平面内法向应力分布规律如图3-20中FBE所示，应力大小为63模具失效形式及机理（四）小范围屈服条件下应力强度因子KI的修正2.考虑应力松弛对塑性区大小的修正此法向应力在其净面积上的总和（即内力）应与外力平衡，此内力等于FBE曲线下的面积。出现应力松弛后，在裂纹尖端θ=0的平面内，的分布规律如图3-20中的ACD所示，ACD曲线下的面积应与曲线FBE下的面积相等。由于BE和CD两段均代表弹性应力场的变化规律，因此其下的面积相等。则，FB曲线段下的面积应等于AC直线段下的面积。64模具失效形式及机理（四）小范围屈服条件下应力强度因子KI的修正2.考虑应力松弛对塑性区大小的修正令AC=R，则则：由此可得，应力松弛后，屈服区域在x轴上扩大了一倍。（3-28）65模具失效形式及机理（四）小范围屈服条件下应力强度因子KI的修正2.考虑应力松弛对塑性区大小的修正应力松弛后，屈服区域在x轴上扩大了一倍。66模具失效形式及机理（四）小范围屈服条件下应力强度因子KI的修正2.考虑应力松弛对塑性区大小的修正平面应变下，由于为拉应力，裂纹尖端的材料处于三向拉应力状态。因此，材料y方向的屈服极限不再等于单向拉伸的屈服极限。67模具失效形式及机理（四）小范围屈服条件下应力强度因子KI的修正3.应力强度因子KI的修正前面介绍，假设裂纹尖端不存在屈服区时，则在θ=0的裂纹平面内，其分布如图3-21中FBE，当发生松弛后，屈服区域x轴上的极限尺寸为R，实际的应力分布如图3-21中ABCD所示。68模具失效形式及机理（四）小范围屈服条件下应力强度因子KI的修正3.应力强度因子KI的修正假想把裂纹尖端沿Ox轴从O点向右移动ry的距离，到达O1点，此时的裂纹长度就从2a0变成2(a0+ry),称之为有效裂纹长度。下面计算ry的值。由于在C点，而该点在O1点为原点的坐标中的坐标为r=R-ry，于是69模具失效形式及机理（四）小范围屈服条件下应力强度因子KI的修正3.应力强度因子KI的修正有效裂纹长度:70模具失效形式及机理（四）小范围屈服条件下应力强度因子KI的修正3.应力强度因子KI的修正由此得到在平面应力下，有：则：71模具失效形式及机理（四）小范围屈服条件下应力强度因子KI的修正3.应力强度因子KI的修正在平面应变下，有：则：72模具失效形式及机理（四）小范围屈服条件下应力强度因子KI的修正3.应力强度因子KI的修正这时有效应力强度因子为：平面应力：73模具失效形式及机理（四）小范围屈服条件下应力强度因子KI的修正3.应力强度因子KI的修正这时有效应力强度因子为：平面应变：74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。75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。76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。

77模具失效形式及机理（一）穿晶断裂1.位错塞积理论该理论的核心是位错遇障碍受阻，形成位错塞积群，产生应力集中。当该应力中的正应力达到材料断裂强度时，即萌生裂纹。78模具失效形式及机理1.位错塞积理论解理裂纹的产生，并不是靠先天存在的裂纹，而是靠塑性变形。金属材料在切应力作用下，局部发生变形时，某一滑移面上的位错源开始启动，产生一系列位错，位错沿滑移面的滑移方向前进，当遇到障碍物如晶界、孪晶界时即发生塞积（如界面O处），从而引起应力集中。这种应力集中有两种可能：一种为激发邻近晶粒的位错源，产生新位错，使屈服从一晶粒传播到另一晶粒；另一种假如不能使邻近晶粒屈服，则在某一方面上（与滑移方向呈θ角）因产生的最大拉应力达到理论断裂强度时便会产生解理裂纹。（一）穿晶断裂79模具失效形式及机理2.位错反应理论

80模具失效形式及机理2.位错反应理论

在体心立方金属中，有滑移面(101)上滑动的位错和在滑移面(10-1)上滑动的位错在滑移面交线[010]处相遇，发生位错反应，形成新位错。但新形成的位错线在(001)面上，由于(001)不是体心立方金属的固有滑移面，故[001]为不动位错。于是在此不动位错后的几个位错塞积便可使晶体沿(001)解理面形成解理裂纹。81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。

82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。83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。

84模具失效形式及机理二、断裂分类断口形貌结晶状断口85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86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。

87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。88模具失效形式及机理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)。89模具失效形式及机理四、疲劳断裂90模具失效形式及机理四、疲劳断裂（三）裂纹扩展速率

在裂纹扩展第二阶段，裂纹每经过一个加载-卸载循环后，便增加了一段长度△a。定义da/dN为裂纹扩展速率。C、m为材料常数。N-应力循环次数。△K-应力强度因子振幅（△K=

Kmax-Kmin）91模具失效形式及机理五、断裂力学在模具失效分析中的作用（一）估计模具承载能力（二）估计模具剩余寿命由得（三）指导修模工艺利用92模具失效形式及机理第三节塑性变形失效及多种失效形式的交互作用一、塑性变形失效模具在使用过程中，发生了塑性变形，改变了几何形状和尺寸，而不能修复再服役时，称为塑性变形失效。塑性变形的失效形式有塌陷、弯曲、墩粗、模孔涨大等。93模具失效形式及机理六、影响断裂失效的主要因素（一）模具表面形状

增大圆角半径，减少突变，避免尖角，减小应力集中。（二）模具材料

减少夹杂物，提高冶金质量，提高材料强度。94模具失效形式及机理第三节塑性变形失效及多种失效形式的交互作用磨损、断裂、塑性变形等失效形式交互作用，最终导致模具的失效。9596模具寿命及其对工业生产的影响模具寿命与失效的基本概念4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。

97模具寿命及其对工业生产的影响模具寿命的影响因素模具寿命与模具类型和结构有关，它是一定时期内模具材料性能、模具设计与制造水平、模具热处理水平以及使用及维护水平的综合反映。模具寿命的高低在一定程度上反映一个地区、一个国家的冶金工业、机械制造工业水平。98模具寿命及其对工业生产的影响模具寿命与生产率的关系产品完成后，模具从设计到失效报废要经过以下几个不同阶段：1。模具设计（T1）2。模具制造（T2）3。模具安装调试（T3）4。模具修复与维护（T4）5。模具工作时间（n/60N）

生产率Q为：

99模具寿命及其对工业生产的影响模具寿命与生产率的关系

模具寿命越长，可以减少安装调试时间、减少修模次数和时间、减少模具装配时间，从而提高设备工作率。100模具寿命及其对工业生产的影响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。101模具寿命的影响因素第四节

模具制造一、模块的锻造

锻造的目的：消除模块内部缺陷，如组织偏析、成分偏析、晶粒粗大、破碎碳化物等。成型零部件或毛坯。102模具寿命的影响因素一、模块的锻造(一)模块毛坯的加热及冷却温度应力坯料中心的轴向应力最大，心部易产生横向裂纹。103模具寿命的影响因素组织应力钢模块在加热时开裂的危险性不大，在冷却过程中的开裂倾向大。104模具寿命的影响因素(二)锻造操作方法锻造工序一般可分为：基本工序、辅助工序和修整工序三类。(1)基本工序指能够较大幅度地改变坯料形状和尺寸的工序，也是锻造过程中主要变形工序。如镦粗、拨长、冲孔、芯轴扩孔、芯轴拔长、弯曲、剁切、错移、扭转等。(2)辅助工序指在坯料进入基本工序前预先变形的工序。(3)修整工序指用来精整锻件尺寸和形状使其完全达到锻件图要求的工序。如鼓形滚圆、端面平整等。一般是在某一基本工序完成后进行。105模具寿命的影响因素1.镦粗106模具寿命的影响因素高径比对镦粗变形的影响107模具寿命的影响因素镦粗鼓形的消除方法108模具寿命的影响因素镦粗鼓形的消除方法109模具寿命的影响因素拔长类型(1)平砧拔长110模具寿命的影响因素拔长类型(2)型砧拔长111模具寿命的影响因素拔长类型(3)空心件拔长112模具寿命的影响因素拔长的变形与应力分布113模具寿命的影响因素拔长的变形与应力分布114模具寿命的影响因素横向折叠:L0<（h0-h）/2115模具寿命的影响因素锻件截面为圆形时的拔长过程116模具寿命的影响因素3.心轴扩孔在自由锻中，常用的扩孔方法有：冲子扩孔和芯轴扩孔两种。(1)冲子扩孔117模具寿命的影响因素3.扩孔(2)心轴扩孔118模具寿命的影响因素心轴拔长的变形与受力119模具寿命的影响因素模具的电加工与机加工1.电加工形成：（1）表面变质层（2）残余应力120模具寿命的影响因素电加工的表面变质层121模具寿命的影响因素2.机械加工模具表面的加工方法包括车削、铣削、磨削、抛光等。磨削的原理是把复杂的成型表面分解为若干段简单的直平面或圆弧直曲面，然后按照一定的顺序，沿着轮廓方向逐点或逐段磨削，使之达到规定的加工要求。

122模具寿命的影响因素成型砂轮磨削法

利用修整砂轮夹具，将砂轮修整成与工件型面相吻合的相反型面，然后用此砂轮磨削工件。123模具寿命的影响因素夹具磨削法

将工件装夹在专用夹具上，在加工过程中，通过夹具的调节或运动使工件不断改变位置、从而获得所需的形状。124模具寿命的影响因素残余应力磨削加工后，在工件内部会留下残余应力.残余应力大小与以下几个因素有关:(1)磨削深度(2)砂轮硬度、锋利度（3）回火工艺（4）模块材料的导热性125模具寿命的影响因素三模具热处理

(1)氧化、脱碳(2)过热、过烧（3）硬度不足（4）软点（5）黑色断口（6）脆性（7）麻点（8）裂纹（9）变形126模具寿命的影响因素第五节模具维护与管理一、维护(一)现场维护（1）预热（2）保温（3）缓冷(二)非现场维护（1）去应力退火（2）超前修模二、管理127谢谢观看/欢迎下载BYFAITHIMEANAVISIONOFGOODONECHERISHESANDTHEENTHUSIASMTHATPUSHESONETOSEEKITSFULFILLMENTREGARDLESSOFOBSTACLES.BYFAITHIBYFAITH129欧债危机3解救方案1欧债危机简介4近年动态聚焦2危机原因深究5欧债危机与中国欧债危机的全面观欧债危机130相关概念主权债务：指一国以自己的主权为担保向外，不管是向国际货币基金组织还是向世界银行，还是向其他国家借来的债务主权债务违约:现在很多国家，随着救市规模不断的扩大，债务的比重也在大幅度的增加主权信用评价:体现一国主权债务违约的可能性，评级机构依照一定的程序和方法对主权机构（通常是主权国家）的政治、经济和信用等级进行评定，并用一定的符号来表示评级结果。1欧债危机简介131欧债危机，全称欧洲主权债务危机，是指自2009年以来在欧洲部分国家爆发的主权债务危机。欧债危机是美国次贷危机的延续和深化，其本质原因是政府的债务负担超过了自身的承受范围。欧债危机简介132开端三大评级机构的卷入发展比利时，西班牙陷入危机蔓延龙头国受到影响升级7500亿稳定机制达成欧债危机简介发展过程1331欧债危机简介欧猪五国PIIGS（PIIGS—欧债风险最大的五个国家英文名称第一个字母的组合）希腊——债务状况江河日下

葡萄牙——债务将超经济产出西班牙——危险的边缘意大利——债务状况严重爱尔兰——债务恐继续增加134目前，希腊属欧盟经济欠发达国家之一，经济基础较薄弱，工业制造业较落后。海运业发达，与旅游、侨汇并列为希外汇收入三大支柱。农业较发达，工业主要以食品加工和轻工业为主。希腊已陷入经济衰退5年，债务危机持续2年多，已经给希腊经济、政治和社会带来了极大的破坏。严重经济衰退带来的直接后果是，失业率高企，民众生活每况愈下。与此同时，政府收入锐减，偿债目标一再被推迟。2011年11月，希腊失业率高达21%，超过100万人待业。。目前，希腊社会阶层情绪对立严重，普通民众认为，正是当权者无所作为，才将这个国家引向了目前这种灾难性局面。而政府官员普遍存在的贪污腐败和无所作为，更是加重了民众的不满。希腊债务危机135葡萄牙是发达国家里经济较落后的国家之一，工业基础较薄弱。纺织、制鞋、旅游、酿酒等是国民经济的支柱产业。软木产量占世界总产量的一半以上，出口位居世界第一。经济从2002年起有所下滑，2003年经济负增长1.3%。2004年国内生产总值为1411.15亿欧元，经济增长1.2%。2005年国内生产总值为1472.49亿欧元，人均国内生产总值为13800欧元，经济增长率为0.3%。葡萄牙债务危机1362010年1月11日，穆迪警告葡萄牙若不采取有效措施控制赤字将调降该国债信评级。

2010年4月，葡萄牙已经呈现陷入主权债务危机的苗头。葡萄牙当时的公共债务为GDP的77%，与法国处于相同水平；但是，企业以及家庭、人均的债务均超过了希腊和意大利，高达GDP的236%，葡萄牙债券已被投资者列为世界上第八大高风险债券。2011年3月15日，穆迪把对葡萄牙的评级从A1下调至A3。穆迪称，葡萄牙将面对很高的融资成本，是否能够承受尚难预料，该国财政紧缩目标能否如期实现也存在变数。再考虑到全球经济形势仍不明朗、欧洲中央银行可能提高利率以及高油价带来更高经济运行成本，该机构决定下调该国主权信用评级。137惠誉2010年12月把葡萄牙主权信用评级从“AA－”调低至“A＋”2011年3月25日，标普宣布将葡萄牙长期主权信贷评级从“A-”降至“BBB”，3月29日，标普宣布将葡萄牙主权信用评级下调1级至BBB-2011年4月1日，惠誉下调葡萄牙评级，将其评级下调至最低投资级评等BBB-。称债台高筑的葡萄牙需要救援。2011年4月，葡萄牙10年期国债的预期收益率已经升至9.127%，创下该国加入欧元区以来的新高。与此同时葡萄牙将至少有约90亿欧元的债务到期，葡萄牙政府实在支撑不住了，既没钱、没法偿还到期的债务，又没有有效的融资途径，不得不提出经济救援申请。138房地产泡沫是爱尔兰债务危机的始作俑者。2008年金融危机爆发后，爱尔兰房地产泡沫破灭，整个国家五分之一的GDP遁于无形。随之而来的便是政府税源枯竭，但多年积累的公共开支却居高不下，财政危机显现。更加令人担忧的是，该国银行业信贷高度集中在房地产及公共部门，任何一家银行的困境都可能引发连锁反应。爱尔兰5大银行都濒临破产。为了维护金融稳定，爱尔兰政府不得不耗费巨资救助本国银行，把银行的问题“一肩挑”，从而导致财政不堪重负。财政危机和银行危机，成为爱尔兰的两大担忧。史上罕见，公共债务将占到GDP的100%。消息一公布，爱尔兰国债利率随即飙升。爱尔兰十年期国债利率已直抵9%，是德国同期国债利率的三倍。由此掀开了债务危机的序幕。房地产业绑架了银行，银行又绑架了政府，这就是爱尔兰陷入主权债务危机背后的简单逻辑。

爱尔兰债务危机1392011年9月19日，标普宣布，将意大利长期主权债务评级下调一级，从A+降至A，前景展望为负面。在希腊债务危机愈演愈烈之际，意大利评级下调对欧洲来说无疑是雪上加霜。2010年意政府债务总额已达1.9万亿欧元，占GDP比例高达119%，在欧元区内仅次于希腊。由于意大利债务总额超过了希腊、西班牙、葡萄牙和爱尔兰四国之和，因此被视为是“大到救不了”的国家。意大利债务危机140

意大利和其他出现债务危机的欧洲国家所面临的，并不是简单收支失衡问题，而是根本性的经济扩张动能不足问题。这些南欧国家在享受高福利的同时，却逐渐失去全球经济竞争力。其不同程度存在的用工制度僵化、创新能力低、企业活力不足、偷税以及政治内耗剧烈等，是解决债务危机的重要障碍。然而，目前意政府乃至整个欧元区在应对债务危机上，还仅仅以紧缩开支、修复政府短期资产负债表为主攻方向，在体制性改革问题上却重视不够。倘若这些陷入危机的南欧国家不进行一番伤筋动骨的体制性改革，债务危机将无法获得根本性解决。1412011年10月7日，惠誉宣布将西班牙的长期主权信用评级由“AA+”下调至“AA-”，评级展望为负面。2011年10月18日，继惠誉和标普之后，穆迪也宣布将西班牙的主权债务评级下调两档至A1，前景展望为负面经济疲软、财政“脱轨”，加上超高的失业率和低迷的房地产市场让西班牙已不堪重负。该国经济增长乏力、财政债台高筑和房地产市场萎靡不振，以及这些问题之间不断加深的负面反馈效应。西班牙债务危机1421.影响欧元币值的稳定2.拖累欧元区经济发展3.延长欧元区宽松货币的时间4.欧元地位和欧元区稳定将经受考验5.威胁全球经济金融稳定1欧债危机简介主要影响143crisis2整体经济实力不均1协调机制与预防机制的不健全3欧元体制天生弊端4.欧式社会福利拖累6欧洲一体化进程5民主政治的异化:2欧债危机形成原因1441.欧元区内部机制：协调机制运作不畅，预防机制不健全,致使救助希腊的计划迟迟不能出台，导致危机持续恶化。

2.整体经济实力薄弱：遭受危机的国家大多财政状况欠佳，政府收支不平衡在欧元区内部存在严重的结构失衡问题，地域经济水平的差异和经济结构差异导致债务危机国家的竞争力削弱；

3.欧元体制天生弊端：作为欧洲经济一体化组织，欧洲央行主导各国货币政策大权，欧元具有天生的弊端，经济动荡时期，无法通过货币贬值等政策工具，因而只能通过举债和扩大赤字来刺激经济,《稳定与增长公约》没有设立退出机制；2债务危机形成原因主要原因1454.欧式社会福利拖累：高福利制度异化与人口老龄化，希腊等国高福利政策没有建立在可持续的财政政策之上(凯恩斯主义财政政策的长期滥用)，历届政府为讨好选民，盲目为选民增加福利，导致赤字扩大、公共债务激增，偿债能力遭到质疑。

5.民主政治的异化:6.欧盟内部：德国坚定地致力于构建“一体化”欧洲的战略，法国有相同的意向，但同时也希望通过“欧洲一体化”来遏制德国。德法有足够的经济实力和雄厚的财力在欧债危机之初，甚至现在在很短时间内疚可遏制危机蔓延并予以解决。之所以久拖不决，其根本目的在于借欧债危机之“机”，整顿财政纪律（特别市预算权），迫使成员国部分让出国家财政主权，以建立统一的欧洲财政联盟，在救助基金及欧洲央行的配合下，行使欧元区“财政部”的职能，以便加速推进欧洲一体化进程2债务危机形成原因主要原因1461评级机构2财务造假3积税与就业4EU引起威胁2债务危机形成原因关于评级机构及其他147二、1.评级机构:美国三大评级机构则落井下石，连连下调希腊等债务国的信用评级。(2009年10月20日，希腊政府宣布当年财政赤字占国内生产总值的比例将超过12%，远高于欧盟设定的3%上限。随后，全球三大评级公司相继下调希腊主权信用评级，欧洲主权债务危机率先在希腊爆发。)至此，国际社会开始担心，债务危机可能蔓延全欧，由此侵蚀脆弱复苏中的世界经济。2财务造假埋下隐患：希腊因无法达到《马斯特里赫特条约》所规定的标准，即预算赤字占GDP3%、政府负债占GDP60%以内的标准，于是聘请高盛集团进行财务造假，以顺利进入欧元区。3.税基与就业不乐观：经济全球化深度推进带来税基萎缩与高失业4．欧盟的威胁：马歇尔计划催生出的欧共体，以及在此基础上形成的欧盟，超出了美国最初的战略设定，一个强大的足以挑战美元霸主地位的欧元有悖于美国的战略目标。

2债务危机形成原因关于评级机构及其他1481欧盟峰会成果（2011.10）2欧盟峰会成果（2011.12）3宋鸿兵3解救方案149一、银行体系注资问题

3解救方案之10月峰会欧盟被迫采取一系列措施提供流动性，借以稳定银行体系：欧洲央行联合美联储、英国央行、日本央行和瑞士央行在3个月内向欧洲银行提供无限量贷款；欧洲央行重启抵押资产债券的收购；欧洲央行重新发放12个月期银行贷款。在此次峰会上，欧盟领导人达成一致，要求欧洲90家主要商业银行在2012年6月底前必须将资本金充足率提高到9%。银行国别资本补充额度（单位：亿欧元）希腊300西班牙262意大利147葡萄牙78法国88德国52总计约10601503解救方案之10月峰会二、EFSF扩容问题实现“EFSF的杠杆化操作”，即以目前现有资金向高比例债券提供担保，主要分为两种方式：方式一：按20-25%的比例，用EFSF剩余资金额度为新发债券提供“信用增级”，投资者购买债券时可以购买“风险保险”，从而使债券获得EFSF的担保，当债券出现违约损失时，债权人可以从EFSF获得至少20%的面值补偿；方式二：依托EFSF成立“特别用途工具”（也有称“特别用途投资工具”，缩写为SPV/SPIV），吸纳欧盟以外民间或主权基金以充实EFSF可用资金额度。1513解救方案之10月峰会三、希腊主权债务减记问题欧盟和IMF：1090亿欧元援助贷款银行等私人投资者：自愿减记21%私人债仅减记幅度第二轮救助计划所需资金21%252050%114060%1090私人债仅减记幅度与第二轮救助希腊计划所需资金对比1523解救方案之12月峰会一、达成“新财政协议”财政协议的主要内容包括：1.政府预算应实现平衡或盈余，年度结构性赤字不得超过名义GDP的0.5%；2.成员国超过欧盟委员会设定的3%的赤字上限，将受到欧盟制裁，除非多数欧元区成员国反对；3.债务占比超过60%的国家，其债务削减数量指标的细则必须依据新的规定；欧盟将加强对成员的财政监督和评估，有权要求涉嫌违反《稳定与增长公约》的成员国重新修改预算；4建立并落实各成员国政府债券发行计划事先报告制度5.加强财政一体化；加强协调与管理，强化欧元区。1533解救方案之十二月峰会二、强化EFSF和ESM强化EFSF：迅速实施EFSF的杠杆化扩容方案；欢迎欧洲央行作为EFSF介入市场操作的代理机构；EFSF将继续发挥作用，为已启动的项目提供融资。调整ESM：ESM提前至2012年7月启动；欧盟委员会和欧洲央行为维护金融和经济稳定，可对金融援助做出紧急决定，达到85%多数同意即可；实缴资本和ESM已发放贷款的比率维持在15%以上。（同时运行，强化救助能力）

1543解救方案之12月峰会三、向IMF注资，提高救助资金的融资规模“双边贷款”：共注资2000亿欧元欧元区国家央行：1500亿欧元非欧元区国家：500亿欧元1553解救方案之宋鸿兵建议化解危机的办法：一、财政同盟（效仿美国统一的财政部所具备的转移支付的功能）二、欧洲央行（ECB）入市，收购流动性差的资产三、发行欧盟债券四、银行同盟，使银行资