模具材料第1章課件

1、模具材料湖南工程學(xué)院：高為國(guó)Mold Materials第一章 模具失效與使用壽命模具失效：是指模具喪失正常的使用功能，不能通過(guò)一般的修復(fù)方法（如刃磨、拋磨等）使其重新服役的現(xiàn)象，分為正常失效和非正常失效兩種。模具使用壽命：（也稱為模具正常壽命）是指模具在正常失效前生產(chǎn)出的合格產(chǎn)品的數(shù)目，若其在使用過(guò)程中經(jīng)過(guò)多次修模，則模具的使用壽命為首次壽命與各次修模壽命的總和。 第一節(jié) 模具的失效分析模具的失效分析是指對(duì)已經(jīng)失效的模具進(jìn)行失效過(guò)程的分析, 并研究和分析模具失效的原因以及影響模具失效過(guò)程的各種因素。一、模具的損傷與失效模具在服役中產(chǎn)生腐蝕、過(guò)量塑性變形、表面損傷、開(kāi)裂與斷裂、冷熱疲勞、等損傷

2、破壞后，將會(huì)失去原有功能，以致不能正常服役，這些現(xiàn)象均稱為失效。模具在使用過(guò)程中，出現(xiàn)變形、微裂紋、腐蝕等現(xiàn)象，但沒(méi)有立即喪失服役能力的現(xiàn)象稱為模具損傷。模具的失效一般可以分為非正常失效（也稱早期失效）和正常失效兩類。模具未達(dá)到一定工業(yè)技術(shù)水平公認(rèn)的使用壽命而產(chǎn)生的失效稱為非正常失效或早期失效。模具使用一定期限后，由緩慢塑性變形、均勻磨損或疲勞破壞而出現(xiàn)的失效稱為正常失效。 二、模具失效的分類1.過(guò)量變形失效：主要包括過(guò)量彈性變形失效、過(guò)量塑性變形失效、蠕變超限等。2.表面損傷失效：主要包括表面磨損失效、表面腐蝕失效、接觸疲勞失效等。3.斷裂失效：主要有塑性斷裂失效、脆性斷裂失效、疲勞斷裂失效

3、、蠕變斷裂失效、應(yīng)力腐蝕斷裂失效等。 三、模具的失效機(jī)理分析（一）磨損失效：由于模具表面的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，而從模具的接觸表面逐漸失去物質(zhì)的現(xiàn)象稱為磨損；當(dāng)這種磨損使模具的尺寸發(fā)生變化或使模具表面的狀態(tài)發(fā)生改變而使其不能正常工作時(shí)，則稱為磨損失效。1.磨粒磨損：是指工件表面的硬突出物和外來(lái)硬質(zhì)顆粒在加工時(shí)刮擦模具表面，引起模具表面材料脫落的現(xiàn)象。影響磨粒磨損的因素：主要有磨粒的形狀和大小、磨粒硬度與模具材料硬度的比值、模具與工件的表面壓力、工件厚度等。減少模具磨損量的措施：提高模具材料的硬度，可以提高抵抗磨粒嵌入的能力，有利于減少模具的磨損量；對(duì)模具進(jìn)行表面耐磨處理可以在保證模具具有一定韌性的條件下，

4、提高其耐磨損性能；在模具的使用過(guò)程中，及時(shí)清理模具和工件表面上的磨粒，可以減少磨粒侵入的幾率，有效地減少模具的磨損。 2粘著磨損：是指模具與工件表面因凸凹不平，而使其在相對(duì)運(yùn)動(dòng)中造成粘著點(diǎn)發(fā)生斷裂而使模具材料發(fā)生剝落的現(xiàn)象。 影響粘著磨損的因素：主要有材料性質(zhì)、材料硬度、表面壓力等。減少粘著磨損的措施： 選擇與工件材料互溶性小的模具材料；合理選用潤(rùn)滑劑，形成潤(rùn)滑油膜；采用多種表面熱處理方法，改變金屬摩擦表面的互溶性質(zhì)和組織結(jié)構(gòu)，盡量避免同種類金屬相互摩擦，可降低粘著磨損。 3疲勞磨損：在循環(huán)應(yīng)力作用下，兩接觸面相互運(yùn)動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的表層金屬疲勞剝落的現(xiàn)象稱為疲勞磨損。影響疲勞磨損的因素：主要有材料的

5、冶金質(zhì)量、材料硬度、表面粗糙度等。減少疲勞磨損的措施：選擇合適的潤(rùn)滑劑，避免或減少模具與工件材料之間的直接接觸，降低接觸應(yīng)力；在常溫狀態(tài)下，通過(guò)對(duì)模具表面進(jìn)行噴丸、滾壓等處理，使模具的工作表面因受壓變形而產(chǎn)生一定的殘余壓應(yīng)力，有利于提高模具的抗疲勞磨損的能力。 4氣蝕磨損：是指由金屬表面的氣泡發(fā)生破裂，產(chǎn)生瞬間的高溫和沖擊，使模具表面形成微小的麻點(diǎn)和凹坑的現(xiàn)象。 5沖蝕磨損：固體和液體的微小顆粒以高速?zèng)_擊的形式反復(fù)落到模具的表面上，使模具表面的局部材料受到損失而形成麻點(diǎn)或凹坑的現(xiàn)象稱為沖蝕磨損。6腐蝕磨損：在工作過(guò)程中，模具表面與其周圍的環(huán)境介質(zhì)發(fā)生化學(xué)或電化學(xué)反應(yīng)，再加上模具與工件之間的摩擦

6、作用而引起模具表層材料的脫落現(xiàn)象稱為腐蝕磨損。 （二）斷裂失效：模具在工作中出現(xiàn)較大裂紋或部分分離而喪失正常服役能力的現(xiàn)象稱為斷裂失效。斷裂失效的分類：按照斷裂的性質(zhì)可分為脆性斷裂和韌性斷裂；按照斷裂路徑可分為沿晶斷裂、穿晶斷裂、混晶斷裂；按照斷裂機(jī)理可分為一次性斷裂和疲勞斷裂等等。1一次性斷裂：模具在承受很大變形力或在沖擊載荷的作用下，產(chǎn)生裂紋并迅速擴(kuò)展所形成的脆性斷裂稱為一次性斷裂。一次性斷裂的斷口呈結(jié)晶狀，根據(jù)裂紋擴(kuò)展路徑的走向不同，可將其分為沿晶斷裂和穿晶斷裂兩種。2疲勞斷裂：疲勞斷裂是指在較低的循環(huán)載荷作用下，工作一段時(shí)間后，由裂紋緩慢擴(kuò)展最后發(fā)生斷裂的現(xiàn)象；包括裂紋的萌生、裂紋的擴(kuò)

7、展和最后斷裂三個(gè)階段。（三）塑性變形失效：模具在使用過(guò)程中由于發(fā)生塑性變形而不能通過(guò)修復(fù)繼續(xù)服役的現(xiàn)象稱為塑性變形失效，塑性變形失效的主要形式有塌陷、鐓粗、彎曲等。 （二）模具失效分析的方法和步驟 1現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查與處理 2模具材料、制造工藝和工作情況調(diào)查 3模具的工作條件分析 4模具失效的綜合分析 5提出防護(hù)措施 四、模具的失效分析過(guò)程 （一）模具失效分析的主要任務(wù) 1合理選擇模具材料 2合理設(shè)計(jì)模具結(jié)構(gòu) 3保證加工和裝配質(zhì)量 4嚴(yán)格模具的質(zhì)量控制 5進(jìn)行模具的表面強(qiáng)化 6合理的使用、維護(hù)和保養(yǎng)模具 第二節(jié) 典型模具的服役條件及失效形式一、冷作模具的服役條件及失效冷作模具是指在常溫下對(duì)材料進(jìn)行壓力

8、加工或其他加工所使用的模具，典型的冷作模具主要有冷沖裁模、冷拉深模、冷擠壓模、冷鐓模等。1冷沖裁模 服役條件：承受很大的壓力，同時(shí)還要承受沖擊力、剪切力和彎曲力的作用。 失效形式：最常見(jiàn)是磨損失效，從磨損機(jī)理上看，主要是粘著磨損，同時(shí)也伴隨有磨粒磨損和疲勞磨損。從磨損的部位考慮，則可細(xì)分為刃口磨損、端面磨損和側(cè)面磨損三種。2冷拉深模 失效形式：主要是磨粒磨損和粘著磨損，有時(shí)還會(huì)產(chǎn)生咬合、擦傷、變形等失效形式。從失效部位上看，在凹模和壓邊圈的端面、凸模和凹模的圓角半徑處，特別是在壓邊圈口部和凹模端面圓角半徑以外的區(qū)域產(chǎn)生粘著磨損的情況最為嚴(yán)重。 3冷鐓模在室溫條件下工作，塑性變形抗力大，工作環(huán)境

9、差，凸模承受巨大的沖擊壓力和摩擦力，凹模承受沖脹力和摩擦力，產(chǎn)生強(qiáng)烈地摩擦。常見(jiàn)的失效形式是磨損失效和疲勞斷裂失效。同時(shí)，還可能產(chǎn)生凸模的塑性變形和折斷；引起凹模的?？诿洿?、棱角堆塌、腔壁脹裂等損傷，而出現(xiàn)模具的失效。4冷擠壓模 冷擠壓模是使金屬坯料在強(qiáng)大而均勻的近似于靜擠壓力的作用下，產(chǎn)生塑性變形流動(dòng)而形成產(chǎn)品的模具。冷擠壓常分為正向擠壓、反向擠壓、復(fù)合擠壓和徑向擠壓四種類型 ，其失效形式主要有塑性變形失效、磨損失效、凸模折斷失效、疲勞斷裂失效及縱向開(kāi)裂失效等，對(duì)于冷擠壓凹模有時(shí)還會(huì)產(chǎn)生脹裂失效。 二、熱作模具的服役條件及失效形式 熱作模具是指將金屬坯料加熱到再結(jié)晶溫度以上進(jìn)行壓力加工的模具

10、。典型的熱作模具有錘鍛模、壓力機(jī)鍛模、熱擠壓模、熱沖裁模、壓鑄模等。 1錘鍛模 ：在其服役時(shí)不僅要承受沖擊力和摩擦力的作用，還要受到很大的壓應(yīng)力、拉應(yīng)力和彎曲應(yīng)力的作用，同時(shí)也受到交替的加熱和冷卻作用。主要失效形式為磨損失效、斷裂失效、熱疲勞開(kāi)裂失效及塑性變形失效等。 2壓力機(jī)鍛模：熱應(yīng)力及其變化幅度均大于錘鍛模，同時(shí)，模具型腔表面所經(jīng)受的氧化腐蝕也較嚴(yán)重。失效形式主要有脆性斷裂失效、冷熱疲勞失效、塑性變形失效、磨損失效以及模具型腔的表面氧化腐蝕失效等。 3熱擠壓模：承受的沖擊載荷很小，而承受的靜載荷很大。凸模承受巨大的壓力、附加彎矩和一定的拉應(yīng)力；凹模型腔表面承受變形坯料很大的接觸壓力和很大

11、的切向拉應(yīng)力，再加上熱應(yīng)力的作用，使凹模的受力極為復(fù)雜。同時(shí)存在較大的磨損。失效形式主要有斷裂失效、冷熱疲勞失效、塑性變形失效、磨損失效以及模具型腔表面的氧化失效等。 4壓鑄模：壓鑄模的型腔表面要承受液態(tài)金屬的壓力、沖刷、侵蝕和高溫作用，每次壓鑄件脫模后還要對(duì)模具型腔表面進(jìn)行冷卻和潤(rùn)滑，而使模具承受頻繁的急冷、急熱作用。失效形式主要有粘模失效、侵蝕失效、熱疲勞失效、磨損失效等。 三、塑料模具的服役條件及失效形式 塑料模具是用于成型塑料制品的模具，按成型固化不同分為熱固性塑料模和熱塑性塑料模兩類。塑料模一般有凸模、凹模、型芯、鑲塊、成型桿和成型環(huán)等，這些零部件構(gòu)成了塑料模的型腔，用來(lái)成型塑料制品

12、的各種表面，它們直接與塑料相接觸, 經(jīng)受其壓力、溫度、摩擦和腐蝕等作用。在服役過(guò)程中，可產(chǎn)生磨損失效、腐蝕失效、塑性變形失效、斷裂失效、疲勞失效及熱疲勞失效等。 一、模具結(jié)構(gòu)對(duì)使用壽命的影響 1模具型腔的過(guò)渡圓角半徑的影響 第三節(jié) 模具的使用壽命及其影響因素模具正常失效前生產(chǎn)出合格產(chǎn)品的數(shù)目稱為模具的正常使用壽命，簡(jiǎn)稱模具壽命。模具首次修復(fù)前生產(chǎn)出合格產(chǎn)品的數(shù)目稱為模具的首次壽命；模具一次修復(fù)后到下一次修復(fù)前生產(chǎn)出合格產(chǎn)品的數(shù)目稱為模具的修模壽命，模具壽命是模具的首次壽命與各次修模壽命的總和。 2模具型腔結(jié)構(gòu)的影響 模具型腔大多含有過(guò)渡圓角，過(guò)渡圓角的合理性對(duì)模具的使用壽命影響很大。3模具工作部位角度的影響采用組合式結(jié)構(gòu)的模具，也是避免出現(xiàn)模具型腔的開(kāi)裂有效措施之一。二、模具工作條件對(duì)使用壽命的影響1成形件的材質(zhì)、狀態(tài)和溫度 2成形設(shè)備特性 3成形過(guò)程中的潤(rùn)滑和冷卻 三、模具材料對(duì)使用壽命的影響 1材料的類別 2硬度