模具材料選擇與熱處理

1、材料知識強化-1機械性能回顧peac開頭語為什么說材料選擇與熱處理知識的重要？1、模具制造工中級p67：模具失效的主要原因是模具選材及熱處理不當。2、工業(yè)反饋：區(qū)別模具技術(shù)人才高下的關(guān)鍵之一是關(guān)于材料方面的知識多少。一、機械性能回顧1、強度強度是材料抵抗塑性變形和斷裂的能力。（1）應(yīng)力-應(yīng)變（拉伸）曲線應(yīng)力=力f/截面積a（mpa）應(yīng)變=伸長l/試樣原始長度l0（2）彈性變形虎克定律（線性關(guān)系）：應(yīng)變與應(yīng)力成正比，是直線關(guān)系（直線部分）。線性彈性變形極限：直線開始彎曲的部位。彈性變形極限（已經(jīng)偏離直線但是仍然是彈性變形）：在應(yīng)力撤銷后能夠完全恢復(fù)的變形都是彈性變形。即使是超過直線部分范圍，只要

2、沒有塑性變形，這些變形都能在外力撤銷后自動恢復(fù)，所以都是彈性變形。屈服點（屈服極限）：y （有屈服現(xiàn)象的材料出現(xiàn)塑性變形的平臺），這時，即使載荷不再增大，試樣仍繼續(xù)伸長，因而在拉伸曲線上出現(xiàn)一水平段，這種現(xiàn)象稱為屈服或流動。0。2：沒有屈服現(xiàn)象的材料，一般取達到0.2%應(yīng)變時的應(yīng)力0。2（3）塑性變形特點：變形是永久性的。滑移機理：下面是鋅單晶體拉伸試驗示意圖。試樣變細變長是靠很多小薄層之間的相對滑移來實現(xiàn)的。下面的圖片是單晶體鎘表面的滑移帶，證明滑移現(xiàn)象。下面是以晶格的方式說明滑移的形成。左邊起，第一個圖沒有作用力；第二個圖有剪切力，造成左部局部錯位。第三個圖在剪切力的作用下錯位向右推進。第

3、四個圖錯位完成一個原子距離的移動，上下相互滑移一個原子距離?；瓶梢岳^續(xù)在不同平面上進行，使剪切力得到釋放，回復(fù)到無應(yīng)力狀態(tài)。滑移方向：與拉伸方向成45度（應(yīng)用力的分解，受拉應(yīng)力的作用，在45度方向上出現(xiàn)最大剪切力）。強化（加工硬化）：屈服階段結(jié)束后，拉伸曲線又呈上升狀，即要使試樣繼續(xù)變形，就須增大載荷，這種現(xiàn)象稱為材料的強化或者叫加工硬化（如果沒有強化，應(yīng)該在屈服極限出現(xiàn)平臺，在此應(yīng)力下塑性變形不斷增加直至斷裂）。頸縮：應(yīng)力到達強度極限后，試樣的塑性變形開始集中于某一部位，該處的截面積逐漸縮小，這種現(xiàn)象稱為頸縮。開始出現(xiàn)頸縮對應(yīng)于曲線的最高點。隨著頸部變細（截面積收縮），試樣能承受的載荷也就

4、不斷下降，曲線下滑。最后被拉斷。斷后伸長率=（l-l0）/l0 x100%斷面收縮率=（a0-a最?。?a0 x100%大量塑性變形出現(xiàn)后，表面變得粗糙不平。這些不平都是由于滑移所造成的。下面是示意圖。（4）斷裂抗拉強度：u 斷裂時的最大應(yīng)力。加工硬化= kn（右圖中虛線部分）如果考慮到試樣的截面積隨著拉伸而變小，那么在每一個時刻的真實應(yīng)力應(yīng)該是拉力除以當時的橫截面積。如虛線部分所示，真實的情況是一直強化到斷裂。塑性斷裂的過程如下圖所示。材料內(nèi)存在的雜質(zhì)或硬相，由于剛性比較大，在變形時比基體的變形小，周圍的基體變形更大，因此形成空穴。由于出現(xiàn)空洞，在此處塑性變形加劇，頸縮開始出現(xiàn)。隨著空洞的出

5、現(xiàn)和連接成片，所剩余的承載應(yīng)力的材料截面急劇減少。隨著承載應(yīng)力的橫截面減小，由于拉力并沒有減少，應(yīng)力（拉力除以橫截面）漸漸增加。到一定程度時，應(yīng)力超過抗拉強度，試樣斷裂。斷裂的形貌是沿著45度角剪切開裂，凹陷的一端就像一個杯子（如圖所示）。斷面放大圖（右圖）：a晶粒間剝離模式（脆性）b晶粒被剪開模式（脆性）c有塑性變形也有晶粒開裂的斷裂模式（脆性向塑性轉(zhuǎn)變）d大量塑性變形后斷裂的模式（夾雜和硬相界面脫離）（塑性）下面是一個拉伸曲線與試樣的變化對應(yīng)關(guān)系總結(jié)：彈性區(qū)：應(yīng)力與變形量基本呈線性關(guān)系。應(yīng)力增加一倍，則伸長量也增加一倍。這正是彈簧秤的原理（虎克定律）。均勻塑性變形區(qū)：這時材料變形是均勻的。

6、各個部位均勻地在伸長同時變細。直到最大應(yīng)力（抗拉極限）。頸縮區(qū)：試樣的某部位開始出現(xiàn)明顯細于其余部位，就像出現(xiàn)一個頸一樣。頸縮出現(xiàn)后，斷裂很快就伴隨發(fā)生。（5）塑料的特殊性玻璃化溫度tg(glass transition temperature)是高聚物由高彈態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)椴ＡB(tài)的溫度。是高聚物的一種重要的工藝指標。在此溫度以上，表現(xiàn)出彈性；在此溫度以下，表現(xiàn)出脆性。如聚氯乙烯的玻璃化溫度是80。3、硬度硬度：材料抵抗壓頭壓入（塑性變形）的能力。h=f/a（1）布氏硬度d(mm)壓頭鋼球直徑d(mm)壓痕直徑p(n)載荷單位：n/mm2布氏硬度計（2）維氏硬度f(kg)載荷d(mm)壓痕對角線長度(

7、壓頭為金剛石四棱錐)單位：kg/mm2（3）洛氏硬度hr=c-h/0.002c常數(shù)h壓痕深度（mm）（hrc比較常用，壓頭是金剛石圓錐）洛氏硬度計4）各個硬度之間沒有換算粗略估算經(jīng)驗：當硬度在200-600hb時 hrc0.1hb當硬度<400hb時 hbhv4、疲勞：交變載荷最大應(yīng)力max裂紋源（見下面的懸臂梁根部裂紋）裂紋擴展區(qū)（貝紋）（銅件的斷口、如本頁最下方的貝紋放大圖，每一個紋代表裂紋在交變力的一周期內(nèi)向前擴展的距離）瞬斷區(qū)循環(huán)次數(shù)（有平臺的材料如中、低碳鋼，在平臺以下的應(yīng)力水平時，循環(huán)次數(shù)可以無限。其他材料如高碳鋼、有色金屬沒有這種平臺，壽命一般定義為105）下面機理示意圖揭

8、示疲勞裂紋如何向前推進。每次拉伸時裂紋張開，局部塑性變形使裂紋尖端擴寬。如下圖所示，裂紋此時增加表面長度，在后續(xù)的壓縮時，這個寬表面又被壓扁。裂紋尖端變寬時所新增加的表面，在裂紋被壓扁時向前推進了/2的長度。5、斷列韌性裂紋尖端應(yīng)力集中：裂紋尖端應(yīng)力非常高，在一個裂紋尖端的應(yīng)力為這里是名義應(yīng)力（既拉力除以試樣橫截面積），a是裂紋長度的一半，r是遠離裂紋尖端的距離。裂紋尖端應(yīng)力可以達到非常高，這時，如果裂紋尖端沒有足夠的塑性變形出現(xiàn)，則應(yīng)力因超過結(jié)合鍵強度而撕裂，導(dǎo)致脆性斷裂（下面左圖）。如果裂紋尖端出現(xiàn)塑性變形，裂紋尖端由尖變鈍，應(yīng)力集中的程度大大緩解（下面右圖）。所以塑性斷裂的過程中吸收大量

9、的能量，斷裂過程緩慢。斷裂的難易判斷： = ki/(2r)1/2ki叫裂尖處的應(yīng)力強度因子。帶裂紋構(gòu)件裂紋發(fā)生失穩(wěn)擴展的必要條件是：裂尖處的應(yīng)力強度因子ki達到材料的臨界應(yīng)力強度因子值kic（kic通常稱為材料的平面應(yīng)變斷裂韌度）。就是ki>kic 當試樣尺寸符合一定的要求時，用試樣測得的斷裂韌度kic值就與試樣的幾何尺寸及它們之間的比例無關(guān)，而是材料固有的力學性能。6、磨損（1）磨粒磨損表面間的游離硬顆?；蛴驳奈⑼贵w峰間在較軟的材料表面上犁刨出很多溝紋的微切削過程。主要因素：耐磨損能力與材料硬度成正比。材料硬度達到80%磨料的硬度時磨損非常輕。當材料硬度超過磨料硬度20%時根本不會有磨

10、損問題?？赡艹霈F(xiàn)的現(xiàn)象：相對摩擦的表面之間出現(xiàn)雜物。（2）侵蝕零件表面在含固體粒子的流體沖擊下產(chǎn)生的一種磨損。主要因素：沖擊角度、表面硬度。可能出現(xiàn)的現(xiàn)象：強化的塑料（比如含有玻璃纖維）對型腔入口處的侵蝕。（3）表面接觸疲勞循環(huán)接觸應(yīng)力作用到達一定程度時，就會在零件工作表面形成疲勞裂紋，隨著裂紋的擴展與相互連接，會造成許多微粒從零件表面上脫落下來，致使表面上出現(xiàn)許多淺坑。主要因素：表面強化。（4）粘著磨損表面的微凸體在相互作用的各點發(fā)生粘著作用，使材料由一表面轉(zhuǎn)移到另一表面的磨損。主要減少磨損措施：表面處理、表面潤滑。7、腐蝕：（1）高溫氧化：金屬被氧化形成氧化物，剝落后再形成。主要因素：溫度

11、、氣氛?？赡艹霈F(xiàn)的現(xiàn)象：壓鑄模具氧化腐蝕、鍛模的氧化腐蝕。（2）化學反應(yīng)：腐蝕性環(huán)境。主要因素：材料中含有耐蝕元素?？赡馨l(fā)生的情況：塑料釋放出含有氯或氟氣體，腐蝕模具。（3）電化學反應(yīng)：金屬在電解質(zhì)中失去電子。主要因素：電解質(zhì)構(gòu)成電子流動的回路，使電子脫離金屬表面?？赡馨l(fā)生的現(xiàn)象：模具因潮濕而生銹。水起到電解質(zhì)的作用。is an effective shortcut to scientific and technological innovation. to active exploration "research" joint innovation of path, th

12、rough joint development, and technology cooperation, variety form, will university hospital by of hi-tech results in i county for into, formed reality productivity; to relies on technology cooperation led economic structure upgrade, around i county industry layout, active docking university, and res

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