模具材料及表面強化技術課件

第一章

模具材料概述Page21.1模具及模具材料分類一、模具分類根據(jù)成型材料、成型工藝和成型設備的不同可綜合分為十大類鑄造模具沖壓模具塑料成型模具壓鑄模具鍛造成型模具Page31.1模具及模具材料分類一、模具分類根據(jù)成型材料、成型工藝和成型設備的不同可綜合分為十大類經濟模具粉末冶金模具玻璃制品用模具橡膠制品成型模具陶瓷模具Page41.1模具及模具材料分類一、模具分類根據(jù)成型材料、成型工藝和成型設備的不同可綜合分為十大類(3)成型模具(1)冷作模具(2)熱作模具根據(jù)工作條件Page51.1模具及模具材料分類二、模具材料分類圖1-1模具材料分類Page61.1模具及模具材料分類二、模具材料分類圖1-2模具鋼分類Page71.2模具材料的主要性能要求一、模具材料的使用性能要求(二)耐磨性(一)硬度和熱硬性(六)耐蝕性(三)強度和韌性(五)耐熱性(四)抗疲勞性Page81.2模具材料的主要性能要求二、模具材料的工藝性能要求(一)可加工性(二)可鍛性(三)淬硬性和淬透性(五)脫碳敏感性(四)熱處理變形性Page91.3模具的失效分析及影響模具壽命的主要因素一、模具的失效形式模具失效是指模具工作部分發(fā)生嚴重磨損或損壞而不能用一般修復方法(刃磨、拋磨等)使其重新工作的現(xiàn)象。Page101.3模具的失效分析及影響模具壽命的主要因素一、模具的失效形式圖1-3模具失效的基本形式補充模具失效的基礎知識第一節(jié)

模具失效的形式和機理一、模具失效的種類1、按經濟法觀點對失效分類2、按失效形式及失效機理分類模具的使用時間已到壽命終止期，屬正常失效，應由模具使用者自己負責。若模具制造者提供的使用說明書沒有對使用壽命等作出明確規(guī)定，制造者也要承擔一定責任。在這種分類中你得到什么啟示？按經濟法觀點對失效分類(1)正常耗損失效(2)模具缺陷失效屬于模具質量問題,應由模具制造者承擔責任。(3)誤用失效屬于使用不當造成的失效，應由模具使用者承擔責任。若模具制造者提供的使用說明書沒有對有關操作作出明確規(guī)定，則制造者也要承擔責任。按經濟法觀點對失效分類屬于其它原因或自然災害等不可抗拒的因素所導致的失效。按經濟法觀點對失效分類(4)受累性失效二、磨損失效的類型和機理由于表面的相對運動，從接觸表面逐漸失去物質的現(xiàn)象叫磨損。模具在服役時，與成形坯料接觸，產生相對運動，造成磨損。當磨損使模具的尺寸發(fā)生變化或改變了模具的表面狀態(tài)使其不能繼續(xù)服役時，叫磨損失效。這種失效使產品有什么變化特征?模具失效的形式和機理1.磨粒磨損的形成和特征外來硬質顆粒存在工件與模具接觸表面之間，刮擦模具表面，引起模具表面材料脫落的現(xiàn)象叫磨粒磨損。工件表面的硬突出物刮擦模具引起的磨損也叫磨粒磨損。工件表面的硬凸物是哪來的?(一)磨粒磨損

磨粒磨損的形成過程用模具成形工件時，由于模具比工件硬度高，磨粒首先被壓入軟工件內，在模具與工件相對運動時刮擦模具，從模具表面切下細小的碎片。當模具表面存在溝槽、凹坑時，磨粒不易從凹坑中出來（或粘結在模具表面上）隨著工件運動，磨粒將耕犁或犁皺工件。磨粒磨損

磨粒磨損的主要特征摩擦表面上有擦傷、劃痕或形成犁皺的溝痕。磨粒磨損2.磨粒磨損機理的主要理論分析1)微觀切削磨損機理磨粒在材料表面的作用力F可分為與金屬表面平行的分力Fx和垂直的分力Fy。Fy使磨粒壓入金屬表面形成壓痕；Fx推動磨粒與金屬表面產生相對切向運動。磨粒磨損當磨粒棱角銳利，又具有合適的角度時：在金屬表面切削出長而淺的溝痕，形成切削屑，在表面留下犁溝。這種切削形成的切屑很小，但在顯微鏡下觀察，切屑仍具有機床切屑的特點，所以稱為微觀切削。磨粒磨損機理的主要理論分析當磨粒無銳利的棱角，磨粒棱角的棱邊不是對著材料表面的運動方向時：磨粒和被摩擦表面之間的夾角太??；表面材料塑性很高時都不會產生表面切削。磨粒磨損機理的主要理論分析

2)多次塑變磨損機理當磨粒的棱角不太尖銳，突出部分高度較小時，磨粒不發(fā)生表面切削摩擦，而是以較大的力沿金屬表面滑行，表面金屬被推向磨粒運動的前方或

兩側，產生堆積，這些堆積物沒有離開金屬基體，但使表面產生很大塑性變形。這種不產生切削的犁溝稱犁皺。磨粒磨損機理的主要理論分析

2)多次塑變磨損機理在隨后的磨粒繼續(xù)作用時，有可能把堆積物重新壓平或使已變形的溝底材料再次被犁皺變形。如此反復塑變，導致金屬表面產生加工硬化，最終剝落而成為磨屑。磨粒磨損機理的主要理論分析多次塑變后被磨損的磨屑呈塊狀或片狀，金屬表面可以觀察到反復塑變和輾壓后的層狀折痕以及一些臺階、壓坑及二次裂紋等。

2）多次塑變磨損機理磨粒磨損機理的主要理論分析多次塑變磨損后產生金屬表面分離的磨屑是因為材料表層微觀組織受磨粒反復作用的應力超過材料表面的疲勞極限所造成的。

3）疲勞磨損機理磨粒磨損機理的主要理論分析對于脆性材料，在壓痕試驗中可以觀察到材料表面壓痕伴有明顯的裂紋根據(jù)這一現(xiàn)象，微觀斷裂磨損機理認為：脆性材料在磨粒磨損時會使橫向裂紋互相交叉或擴散到表面，造成材料剝落。

4）微觀斷裂磨損機理磨粒磨損機理的主要理論分析從以上分析可知，各種機理都可以解釋部分磨損特征，但都不能解釋所有的磨粒磨損現(xiàn)象所以磨粒磨損過程可能是這幾種機理綜合作用的反映，而其中的某一種損害可能起主要作用。磨粒磨損機理的主要理論分析3.影響磨粒磨損的因素1）磨粒尺寸與幾何形狀

磨粒尺寸越大，金屬表面的體積磨損量越大。但當磨粒的尺寸超過一定值后，體積磨損量增加的幅度明顯減小。當磨粒的棱角尖銳且凸出較高時，金屬表面磨損率較大。當磨粒棱角不尖銳且凸出較小時，磨損率較小。磨粒磨損2）磨粒硬度

磨粒磨損與磨粒硬度Ha和金屬硬度Hm之間的相對值的大小有關。Ⅰ區(qū)為低磨損狀態(tài)：Hm＞1.25Ha，金屬表面產生輕微磨損，磨損率較小。曲線上升平緩。Ⅱ區(qū)為磨損過渡狀態(tài)：0.8Ha＜Hm＜1.25Ha，磨損輕、重轉化階段，磨損率急劇增加，曲線上升很陡。影響磨粒磨損的因素Ⅲ區(qū)為高磨損狀態(tài)：Hm＜0.8Ha，金屬表面產生嚴重磨損，磨損量大，磨損率小。曲線平緩。影響磨粒磨損的因素試驗結果表明：要減小磨粒磨損量，金屬的硬度Hm應比磨粒的硬度Ha高。實際經驗：只要求滿足Hm≈1.3Ha，就可達到減小磨損量的目的。因為Hm高到一定時，不會再得到更顯著的改善。3）模具與工件表面壓力

模具與工件之間的表面壓力越大，磨粒壓入金屬表面的深度越深，則磨損量越大。但當壓力達到一定值后，磨粒棱角變鈍，使磨損量的增加減緩。4）工件厚度

工件厚度越大，磨粒越易嵌入工件，嵌入工件的深度越深，對模具的磨損量減小。影響磨粒磨損的因素

1.粘著磨損的形成和特征

工件與模具表面相對運動時，由于表面凹凸不平，某些接觸點局部應力超過了材料的屈服強度發(fā)生粘合，粘合的結點發(fā)生剪切斷裂而拽開，使模具表面材料轉移到工件上或脫落的現(xiàn)象稱為粘著磨損。(二)粘著磨損磨損失效的類型和機理磨損的四種類型接觸表面發(fā)生粘著以后，根據(jù)運動產生的切應力、接觸處的粘合強度、金屬本體強度三者之間的不同關系而產生的不同破壞現(xiàn)象，可以把粘著磨損分為：1）涂抹；2）擦傷；3）撕脫；4）咬死

粘著磨損磨損的四種類型1）涂抹

當較軟金屬的剪切強度小于接觸處的粘合強度，也小于外加的切應力時，剪切破壞發(fā)生在離粘著結合面不遠的較軟金屬層內，被剪切的軟金屬涂抹在硬金屬表面上的現(xiàn)象。粘著磨損磨損的四種類型2）擦傷

軟金屬表面產生細而淺的劃痕；有時硬金屬表面也有劃傷的現(xiàn)象。3）撕脫

剪切破壞發(fā)生在摩擦副一方或兩方金屬較深處，有較深劃痕的現(xiàn)象。4）咬死

摩擦副之間咬死，不能相對運動的現(xiàn)象。粘著磨損

粘著磨損的主要特征金屬表面有細的劃痕，沿滑動方向可能形成交替的裂口、凹穴。摩擦副之間有金屬轉移，表層金相組織和化學成分均有明顯變化。磨損產物多為片狀或小顆粒，在金屬表面形成大小不等的結疤。粘著磨損2.粘著磨損機理的理論分析在大氣中的金屬表面都存在氧的吸附層。圖3-6表示了經過機械加工后，金屬表層的結構。第一層為氧的物理吸附層、第二層為氧的化學吸附層。這兩層是金屬與周圍空氣中的氧交互作用而形成的。第三層為塑性變形層，是機械加工所引起的。粘著磨損在干摩擦情況下，兩摩擦表面直接接觸。粘著磨損機理的理論分析在邊界摩擦情況下，邊界膜的厚度比兩摩擦表面的粗糙度之和要小，所以兩摩擦表面之間仍有局部接觸區(qū)。粘著磨損機理的理論分析在液體摩擦情況下，潤滑油膜的厚度大于兩摩擦表面粗糙度之和，兩摩擦表面之間不直接接觸。粘著磨損機理的理論分析實驗證明：當兩塊新鮮純凈的金屬接觸之后再分離，經過檢測發(fā)現(xiàn)金屬能夠從一個表面轉移到另一個表面的現(xiàn)象，這是原子間鍵合作用的結果。在空氣中，摩擦副之間相對運動，在接觸載荷較小時，金屬表面吸附的一層氧化膜能起到防止純金屬新鮮表面直接接觸而產生粘著現(xiàn)象。粘著磨損機理的理論分析由于加工的影響，模具和工件表面存在一定的微觀不平度，相互的接觸表面只有少數(shù)微觀凸起的部位，實際的接觸面積遠遠小于理論接觸面積。接觸載荷較大時，接觸處就會產生很高的應力，以致超過材料的屈服強度而引起局部的塑性變形。粘著磨損機理的理論分析塑性變形和摩擦過程會產生很高的熱量，接觸處的高溫，可以使表面潤滑油燒干，同時摩擦也可以使氧化膜破裂而顯露出新鮮的金屬表面。當裸露金屬的新鮮表面直接接觸，相互之間的原子產生吸引和滲透而發(fā)生熔合粘著。粘著磨損機理的理論分析在隨后的滑動中，剛形成的粘著點被剪斷、拉開，并轉移到工件表面或脫落形成磨屑。然后又在其他地方形成新的粘著點，然后再被破壞，如此循環(huán)過程就構成粘著磨損。粘著磨損機理的理論分析

3.影響粘著磨損的因素（1）材料性質（2）材料硬度（3）模具與工件表面壓力（4）滑動摩擦速度粘著磨損

1.疲勞磨損的形成與特征兩接觸表面相互運動時，在循環(huán)應力的作用下，使表層金屬疲勞脫落的現(xiàn)象稱為疲勞磨損。（三）疲勞磨損磨損失效的類型和機理疲勞磨損的形成過程在線、面接觸的摩擦副中，在承受力和相對運動的情況下，接觸表面有多變的接觸壓力和切應力；這些外力反復作用一定周次后，表面就會產生局部的塑性變形和加工硬化；疲勞磨損疲勞磨損的形成過程在某些組織不均勻處，由于應力集中，形成裂紋源，并沿著切應力方向或夾雜物走向發(fā)展。當裂紋擴展到表面或與縱向裂紋相交時，形成磨損剝落。疲勞磨損

疲勞磨損的種類模具疲勞磨損的外載有機械載荷和熱載荷。因此疲勞磨損可分為：機械疲勞磨損、冷熱疲勞磨損。疲勞磨損

2.疲勞磨損的特征接觸表面出現(xiàn)許多痘狀、貝殼狀或不規(guī)則形狀的凹坑，有些凹坑較深，底部有疲勞裂紋擴展線的痕跡。疲勞磨損疲勞磨損的特點疲勞磨損裂紋一般產生在金屬的表面和亞表面內，裂紋擴展的方向平行于表面，或與表面成10°～30°的角度，只限于在表面層內擴展。疲勞磨損沒有一個明顯的疲勞極限，壽命波動很大。疲勞磨損疲勞磨損的特點疲勞磨損除受循環(huán)應力作用外，還要經受復雜的摩擦過程，可能會引起表面層一系列物理化學變化以及各種力學性能與物理性能變化等，所以工作環(huán)境比整體疲勞更復雜更惡劣。疲勞磨損

影響疲勞磨損的因素1）材料的冶金質量2）材料的硬度3）表面粗糙度

疲勞磨損氣蝕磨損金屬表面產生的氣泡破裂，在瞬間產生的沖擊和高溫，使模具表面形成微小麻點和凹坑的現(xiàn)象叫氣蝕磨損。哪來的氣泡？（四）其他形式磨損

氣蝕磨損的形成過程當液體與模具接觸處的局部壓力比液體蒸發(fā)壓力低，就會形成氣泡。同時溶解在液體中的氣體也可能析出形成氣泡。如果這些氣泡承受的壓力超過氣泡內壓力時，氣泡就會破裂。哪種模具表面可能與液體接觸?

氣蝕磨損的形成過程在這種氣泡的形成和破裂的反復作用下，模具淺表面將萌生疲勞裂紋，最后擴展至表面，局部金屬脫離表面或氣化，形成泡沫海綿狀空穴。哪種模具表面可能與液體接觸?其他形式磨損

沖蝕磨損

液體和固體微小顆粒高速落到模具表面，反復沖擊模具表面，使模具表面局部材料流失，形成麻點和凹坑的現(xiàn)象叫沖蝕磨損。其他形式磨損沖蝕磨損當小滴液體以高速(100m／s)落到模具表面上，會產生很高的應力，一般可以超過金屬材料的屈服強度，甚至造成局部材料斷裂。但速度不高的反復沖擊會萌生疲勞裂紋，形成麻點和凹坑。氣蝕磨損和沖蝕磨損是疲勞磨損的一種派生形式，在注塑模具與壓鑄模具中易出現(xiàn)。其他形式磨損

腐蝕磨損在摩擦過程中，模具表面與周圍介質發(fā)生化學或電化學反應，再加上摩擦力機械作用，引起表層材料脫落的現(xiàn)象叫腐蝕磨損。其他形式磨損腐蝕磨損形成過程當一對摩擦副在一定的環(huán)境中發(fā)生摩擦時，在摩擦面上會產生與環(huán)境介質的反應，并形成反應物；表面反應物在兩摩擦副的相對運動中被磨掉；反應物被磨掉，就會暴露出未反應表面，就又開始形成反應物。其他形式磨損腐蝕磨損形式常發(fā)生于高溫或潮濕的環(huán)境中，在有酸、堿、鹽等特殊條件下最易發(fā)生。模具常見的腐蝕磨損有：氧化腐蝕磨損和特殊介質的腐蝕磨損。其他形式磨損在摩擦過程中，由于金屬表層凸峰的塑性變形，促使原有的氧化膜破裂，新的材料暴露，又與氧結合形成脆而硬的氧化膜。新生成的氧化膜因摩擦作用而剝落，由此造成的磨損稱為氧化磨損。模具服役時一般都會出現(xiàn)氧化磨損。

氧化磨損其他形式磨損在腐蝕性環(huán)境中，金屬表面與酸、堿、鹽等特殊介質發(fā)生化學反應，形成化合物。在摩擦力的作用下，引起表層化合物的脫落，由此引起的磨損稱為特殊介質腐蝕磨損。

特殊介質腐蝕磨損其他形式磨損

微動磨損模具的嵌合部位或過盈配合處，在循環(huán)載荷或振動的作用下，雖然不產生宏觀的相對位移，但卻

產生微小(2～20μm)的相對滑動，在配合面上有氧化物磨損粉末產生，而且不易向外排出。其他形式磨損

這時，該處的磨損兼有氧化磨損、磨粒磨損和粘著磨損的特征，并逐漸在嵌合部位形成磨痕蝕坑，對于鋼材，蝕坑處有大量褐紅色氧化物(Fe2O3)聚集。這種磨損稱為微動磨損，又稱咬蝕。咬蝕引起嚴重的應力集中，最后導致疲勞斷裂。其他形式磨損在模具與工件(或坯料)相對運動中，摩擦磨損情況很復雜，磨損一般不只是以一種形式存在，往往是多種形式并存，并相互促進。（五）磨損的交互作用其他形式磨損三、過量變形失效

材料受到力的作用就會產生變形。隨著力的增加，材料的變形總是要經歷彈性變形階段、塑性變形階段、出現(xiàn)裂紋到裂紋擴展直至斷裂階段的過程。模具失效的形式和機理變形失效是逐步進行的，一般屬于非災難性的，因此不易被人關注。當變形量超過了模具的精度要求，成型的工件成為次品或廢品時，也會造成模具的失效。另外，過度的變形最終也會導致斷裂。過量變形失效模具在使用過程中，產生的彈性變形量超過模具匹配所允許的數(shù)值，使得成型的工件尺寸或形狀精度不能滿足要求而不能服役的現(xiàn)象，稱為過量彈性變形失效。判斷過量彈性變形失效比較困難，因為在工作狀態(tài)下引起的變形導致失效的模具，在剖析和測量尺寸時，變形已經恢復。過量彈性變形失效過量變形失效2．塑性變形失效模具在使用過程中，由于發(fā)生塑性變形改變了幾何形狀或尺寸，而不能通過修復繼續(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。

過量變形失效當模具的某些部位所承受的應力超過工作溫度下模具材料的屈服強度時，就會產生過量的塑性變形而造成模具的失效。過量變形失效四、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。材料的斷裂是力對材料作用的最終結果，意味著材料的徹底失效。模具斷裂通常表現(xiàn)為產生局部碎塊或整個模具斷成幾個部分。模具失效的形式和機理斷裂失效斷裂失效1.韌性斷裂斷裂前產生明顯的宏觀塑性變形，斷裂過程中吸收較多的能量，一般在高于材料屈服應力條件下的高能斷裂。韌性斷裂斷口的宏觀特征為斷口截面尺寸減小，有縮頸現(xiàn)象。斷裂失效2.脆性斷裂斷裂前的變形量很小，沒有明顯的塑性變形量。斷裂過程中材料吸收的能量很小，一般在低于允許應力條件下的低能斷裂。脆性斷裂斷口的宏觀特征為斷口截面尺寸無明顯變化，不產生縮頸。韌性和脆性兩種斷裂用肉眼或10～20倍放大鏡就可分辨出其斷口特征。斷裂失效3.沿晶斷裂

裂紋沿多晶體晶界擴展分離產生的斷裂,也稱為晶界斷裂。當晶界上存在著脆性相、熱裂紋、蠕變斷裂、應力腐蝕等引起的斷裂為沿晶斷裂。沿晶斷裂在室溫下往往是脆性斷裂，斷口的微觀形貌顯示出多晶體的外形，呈“冰糖塊”狀。斷裂失效金屬材料在高溫下的蠕變斷裂往往是韌性沿晶斷裂，由于晶界滑動和晶粒發(fā)生塑性變形，微觀斷口上有大量韌窩。斷裂失效4.穿晶斷裂裂紋的萌生和擴展穿過晶粒內部的斷裂。當材料韌性較差、存在表面缺陷、承受高的沖擊載荷時，易產生穿晶斷裂。穿晶斷裂可能是韌性斷裂也可能是脆性斷裂。斷裂失效韌性穿晶斷裂破壞時，常以夾雜物或第二相粒子為核心，形成大量的顯微孔洞。在應力作用下，這些顯微孔洞發(fā)生微觀塑性變形而逐漸長大、聚合，直至斷裂。斷裂失效韌性穿晶斷裂斷口的微觀形貌呈韌窩狀。韌窩越大、越深，則微觀塑性變形量越大。斷裂失效脆性穿晶斷裂也稱為解理斷裂，解理斷裂是沿一定晶面(稱為解理面),迅速發(fā)生晶體分離的脆

性斷裂。其斷口的微觀形貌特征是由若干解理臺階相匯合形成的“河流花樣”。斷裂失效根據(jù)河流支流合并為主流的方向，可以確定裂紋在微觀區(qū)域內擴展的方向。解理穿晶斷裂常在低溫、沖擊或三向拉伸的應力狀態(tài)下，發(fā)生在體心立方或密排六方晶格的金屬材料中。斷裂失效5.混晶斷裂

當裂紋的擴展形成既有穿晶型也有沿晶型時，則稱為混晶斷裂或準解理斷裂。準解理斷裂是由解理斷裂和微孔聚合斷裂組成的混合型斷裂。斷裂失效準解理斷裂形成過程：斷裂失效在準解理小平面內有向四周放射的河流花樣，小平面間存在大量短而彎曲的撕裂棱。多晶體金屬的斷裂多數(shù)屬混晶斷裂。斷裂失效6.一次性斷裂模具在承受很大變形力或在沖擊載荷的作用下，產生裂紋并迅速擴展所形成的脆性斷裂稱為一次性斷裂或快速斷裂。一次性斷裂的斷口呈結晶狀。斷裂失效7.疲勞斷裂

疲勞斷裂是指在較低的循環(huán)載荷作用下，工作一段時間后,由裂紋緩慢擴展，最后發(fā)生斷裂的現(xiàn)象。疲勞裂紋總是在應力最高、強度最弱的部位上形成。斷裂失效

疲勞斷裂形成過程

模具內部受力不均時，在局部范圍內就會出現(xiàn)較大的應力集中，在循環(huán)載荷的作用下，應力集中處最先出現(xiàn)裂紋，裂紋的前沿形成尖銳的缺口，造成新的應力集中區(qū)，并在模具工作的過程中，裂紋不斷擴展直到模具發(fā)生破壞。

斷裂失效

疲勞斷裂的特征

疲勞斷口特征分為：疲勞擴展區(qū)(光亮區(qū))：是裂紋自裂紋源向縱深逐漸發(fā)展形成的，具有光亮的“貝紋”狀痕跡。最后斷裂區(qū)(粗糙區(qū))：是裂紋發(fā)展到一定程度失穩(wěn)快速擴展的結果。斷裂失效8.正斷和切斷斷口的宏觀表面垂直于最大正應力或最大正應變方向的斷裂稱為正斷，斷口的宏觀表面平行于最大切應力方向的斷裂稱為切斷。斷裂失效五、多種失效形式的交互作用1）磨損對斷裂的促進作用磨損溝痕可成為裂紋的發(fā)源地。當由磨損形成的裂紋在有利于其向縱深發(fā)展的應力作用下，就會造成斷裂。模具失效的形式和機理模具局部磨損后，會帶來承載能力的下降以及易受偏載，造成另一部位承受過大的應力而產生塑性變形。2）磨損對塑性變形的促進作用多種失效形式的交互作用塑性變形后，模具間隙不均勻，間隙變小，必然造成不均勻磨損，磨損速度加快，進而促進磨損失效；塑性變形后，模具間隙不均勻，承載面積變小，帶來附加的偏心載荷以及局部應力過大，造成應力集中，并產生裂紋，促進斷裂失效。3）塑性變形對磨損和斷裂的促進作用多種失效形式的交互作用第二節(jié)模具的工作條件與失效形式不同種類的模具，由于其工作條件不同，它們在服役中發(fā)生失效的形式和特點也各不相同。下面將分別介紹各種模具的工作條件和失效形式。一、冷作模具的工作條件與失效形式冷作模具主要包括：冷沖裁模、冷拉深模、冷擠壓模、冷鐓模等。相同點：都是常溫下對被加工材料施加壓力，使其產生分離或變形，獲得零件。不同點：技術要求不同，具有不同的工作條件，因此失效形式各有不同之處。1．冷沖裁模的工作條件

主要工作部位：凸模刃口和凹模刃口在沖壓力作用下，凸模引入凹模時，對板料施加一定壓力，通過鋒利的刃口使板料

產生彈性變形、塑性變形，直至被剪裂。（一）冷沖裁模冷沖裁模的受力過程在板料彈性變形階段沖頭端面的中央部位與板料脫離接觸，壓力集中于刃口附近的狹小范圍內，使刃口上的單位面積壓力增大。冷沖裁模冷沖裁模的受力過程在板料塑性變形和剪裂階段凸模切入板料，板料擠入凹模內孔，使模具刃口的端面和側面產生擠壓和摩擦。冷沖裁模冷沖裁模的受力性質模具在工作過程中刃口受到的力主要有：正壓力、側壓力、摩擦力和彎曲力等。模具刃口受力的大小與板料的厚度和硬度有關。冷沖裁模2．模具壽命與受力大小、板料厚度的關系

沖頭受到的壓力通常大于凹模，尤其是在厚板上沖制小孔時，沖頭的單位面積的壓力很大。設沖頭工作部分的直徑為d，板料厚度為t，則比值d/t越小，沖頭受力越大，其壽命就越低。冷沖裁模沖頭壽命與直徑、板料厚度的關系

冷沖裁模3．冷沖裁模的失效形式

模具刃口在壓力和摩擦力的作用下，最常見的失效形式是磨損和崩刃。磨損的部位：刃口磨損、側面磨損、端面磨損。冷沖裁模失效形式與板厚的關系沖裁不同板料厚度的模具負荷的大小不同，失效形式也有所不同。沖裁?？煞譃椋罕“鍥_裁模(t≤1．5mm)厚板沖裁模(t＞1．5mm)。冷沖裁模失效形式與板厚的關系薄板沖裁模受力較小，其失效的主要形式是磨損。厚板沖裁模受力較大，其失效形式除了磨損外,還可能發(fā)生局部斷裂(崩刃)。當比值d/t較小時，還會引起沖頭的宏觀塑性變形或折斷。冷沖裁模冷沖裁模4．模具刃口的損傷過程

模具在服役中的磨損過程，可分為初期磨損、穩(wěn)定磨損和急劇磨損三個階段。冷沖裁模1）初期磨損階段刃口鋒利，與板料接觸面積小，單位面積壓力大，易造成刃口局部塑性變形，所以初期磨損階段的磨損速度較大。冷沖裁模2）穩(wěn)定磨損階段刃口磨損至一定程度，單位面積壓力減輕，刃口表面產生塑變強化，不再繼續(xù)塑性變形，這時刃口的磨損主要由坯料的摩擦引起，磨損速度變緩，即進入穩(wěn)定磨損階段。冷沖裁模3）急劇磨損階段模具服役相當長的時間后，刃口因經受多次沖裁而趨于疲勞，局部表面開始剝落，即進入急劇磨損階段。這時，會因沖裁件不合格導致模具失效。冷沖裁模分析思路：1）根據(jù)受力特征判斷可能產生失效的形式；2）根據(jù)刃口磨損部位或損傷程度分析原因；3）根據(jù)刃口變形特征判斷磨損階段在急劇磨損階段之前及時對刃口進行修磨，可提高使用壽命。

1.冷拉深模的工作條件

（二）冷拉深模

拉深模的主要工作零件也是凸模刃口和凹模刃口。與沖裁模不同的是拉深模刃口圓鈍不鋒利，凸、凹模之間的工作間隙較大。2.冷拉深模的失效形式

拉深模在工作時，沖擊力很小，單位面積的壓力也不大，主要是模具型腔表面承受板材變形的劇烈摩擦。這種模具的失效形式主要是粘著磨損和磨粒磨損。磨損部位：凹模、壓邊圈端面、凸模、凹模圓角半徑處等。冷拉深模拉深模損傷的過程在冷拉深過程中，模具工作表面的某些局部負荷較重，承受擠壓力較大,摩擦熱積累較多，使溫度升高在溫度和壓力的共同作用下，模腔局部表面易與坯料發(fā)生咬合，使小塊坯料粘附在模腔表面形成很硬的“小瘤”堅硬的“小瘤”使拉深件表面產生劃痕或擦傷,即發(fā)生了粘著磨損。冷拉深模（三）冷鐓模

冷鐓模是在沖擊力的作用下，凸模使金屬棒料在凹模型腔內鐓粗成形的冷作模具。冷鐓模主要用來加工各種形狀的螺釘、鉚釘、螺栓和螺母等的毛坯。冷鐓模

模具的上模是由凸模和模柄通過螺釘緊固而構成。下模是由凹模及凹模固定套和凹模固定板組成。冷鐓模

當工件鐓壓成形后，由下模的杠桿通過出模機構將零件從凹模中頂出。冷鐓模

在冷鐓加工過程中，沖擊頻率高，可達60～120次／min，沖擊力大，金屬坯料受到強烈地鐓擊，同時，模具也同樣受到短周期沖擊載荷的作用。由于是在室溫條件下工作的，塑性變形抗力大，工作環(huán)境差，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，產生強烈地摩擦。冷鐓模

冷鐓模最常見的失效形式磨損失效和疲勞斷裂失效磨損失效可能有磨粒磨損、表面損傷、沖擊磨損等多種形式；凸模在沖擊力的作用下，表面會產生剝落而出現(xiàn)麻坑；由磨損所造成的表面損傷、麻坑、擦傷痕等，均可能成為疲勞裂紋源，導致模具的疲勞斷裂。冷鐓模

還可能產生凸模的塑性變形和折斷；凹模的?？诿洿蟆⒗饨嵌阉?、腔壁脹裂等損傷，而出現(xiàn)模具的失效。冷鐓模

冷鐓模最常見的失效形式（四）冷擠壓模

冷擠壓模是使金屬坯料在強大而均勻的近似于靜擠壓力的作用下，產生塑性變形流動而形成產品的模具。工作零件為凸模和凹模根據(jù)金屬坯料的流動方向與凸模運動方向的關系，冷擠壓可分為四種類型：（四）冷擠壓模

1）正擠壓金屬坯料的流動方向與凸模運動方向相同為正擠壓。（四）冷擠壓模

2）反擠壓與凸模運動方向相反為反擠壓；（四）冷擠壓模

3）復合擠壓一部分與凸模運動方向相同，另一部分與凸模運動方向相反為復合擠壓；（四）冷擠壓模

4）徑向擠壓金屬坯料的流動方向垂直于凸模運動方向為徑向擠壓。（四）冷擠壓模

冷擠壓時金屬坯料受強烈的三向壓應力。在模具的作用下，金屬坯料沿凸、凹模間隙或凹模?？趧×伊鲃?，產生較大的位移變形，獲得薄壁空心件或橫截面較小的擠壓件。由于金屬坯料對模具的反作用力和摩擦，使模具承受強大的擠壓力很大的摩擦力。（四）冷擠壓模

擠壓時形成的摩擦功和變形能轉化為熱能，模具的局部表面產生400℃以上的高溫。金屬坯料端面不平整、凸模與凹模之間的間隙不均勻和中心線不一致使凸模在擠壓時承受很大的偏載或橫向彎曲載荷。（四）冷擠壓模

冷擠壓模的主要失效形式：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裂失效等；冷擠壓凹模有時還會產生脹裂失效。二、熱作模具的工作條件及失效形式熱作模具在工作中除承受機械負荷外還承受熱負荷，其失效形式比冷作模具復雜。不同的熱作模具工作條件不同，失效形式和影響因素也各有所不同。常見的熱作模具有錘鍛模、熱沖裁模和壓力鑄造模等。1．錘鍛模的工作條件

錘鍛模上模與錘頭固定，下模與工作臺的模座固定，工作時上模隨錘頭向下運動，與下模合模的過程中成型模鍛件。(一)錘鍛模

1．錘鍛模的工作條件

在工作過程中的機械負荷主要是沖擊力和摩擦力，熱負荷主要是交替受加熱和冷卻。錘鍛模

（1）模具的受力

錘鍛模在工作過程中受力性質比較復雜，主要有：a.沖擊力錘鍛模工作時承受多次沖擊載荷，沖擊力較大，模鍛錘的噸位越大，產生的沖擊力越大。

錘鍛模（1）模具的受力

b.壓力模具型腔受坯料變形的反作用，使型腔表面承受很大的壓力。

c.內應力受模具型腔結構形狀的影響，模具的不同部位會產生不同狀態(tài)的內應力。模具結構形狀越復雜的部位，其應力狀態(tài)也比較復雜。

錘鍛模（2）模具的受熱

a.鍛前預熱：由于工藝的需要，錘鍛模在使用前先要進行預熱。（目的？）

b.與坯料接觸的熱：在工作中與熾熱坯料接觸進一步被加熱。c.變形熱和摩擦熱：坯料變形以及與型腔表面摩擦所產生的熱量有一部分被模具吸收。

錘鍛模（2）模具的受熱

在鍛造鋼件時，坯料溫度通常在1000℃以上，模具型腔表面的溫度一般可達到500～600℃，其中窄小、凸起等部位吸熱較多，溫度可高達750℃。當模具局部溫度超過模具的回火溫度時，這些部位將繼續(xù)回火過程,從而產生組織和性能的變化；

錘鍛模（2）模具的受熱

模具中溫度分布的不均勻性，將會導致出現(xiàn)熱應力。所有這些，都會影響錘鍛模的失效過程和失效形式。

錘鍛模（3）模具的冷卻為減輕錘鍛模的熱負荷，在模具工作間歇，對模具進行冷卻來控制模具溫度的升高。例如每鍛壓完一個毛坯后，用冷空氣、水、油等介質冷卻模具型腔；或在型腔表面涂抹潤滑劑，既能減摩，又起到冷卻作用。錘鍛模工作過程中，型腔不斷受到加熱和冷卻的反復作用，使模具產生熱疲勞現(xiàn)象。

錘鍛模（4）型腔表面摩擦

被鍛金屬坯料在模具型腔中熱塑變流動，對型腔表面產生摩擦作用。摩擦力的大小與正壓力和摩擦表面的狀況有關。在坯料熱塑變流動的情況下，正壓力主要取決于熱坯料的塑變強度；模腔表面受熱氧化也影響摩擦和磨損過程。

錘鍛模2．鍛模的基本失效形式

（1）型腔部分的模壁斷裂；（2）型腔表面熱疲勞；（3）塑性變形；（4）磨損；（5）鍛模燕尾的開裂。（1）鍛模型腔部分的斷裂分為早期脆性斷裂和機械疲勞斷裂。①模具的早期脆性斷裂在錘擊次數(shù)較少時發(fā)生的，有的僅鍛打幾次就出現(xiàn)斷裂。模具受很大的沖擊載荷作用，型腔中受拉應力較大且薄弱的部位可能產生裂紋，當裂紋受力擴展至一定尺寸時，便會發(fā)生快速失穩(wěn)擴展而導致突然斷裂。②模具的機械疲勞斷裂在模具經受許多次鍛擊后發(fā)生的斷裂。鍛模承受的沖擊應力比一般機械零件承受的“靜”載交變應力要大得多，所以其疲勞斷裂的周次遠小于一般的高周疲勞，可以認為是較大沖擊能量的沖擊疲勞。模具斷裂的斷口特征早期脆性斷裂的斷口的宏觀形貌特征是從斷裂源開始，裂紋呈人字花紋向外擴展。機械疲勞斷裂的宏觀和微觀斷口具有一般疲勞斷口的特征，但宏觀斷口上的裂紋擴展區(qū)一般較小。（2）型腔表面的熱疲勞

熱疲勞：指熱作模具在循環(huán)熱應力的反復作用下產生的疲勞裂紋或破壞的現(xiàn)象。熱疲勞裂紋：指型腔表面在循環(huán)熱應力的作用下產生循環(huán)的塑性應變，經過一定的循環(huán)次數(shù)，導致表面產生的許多細小裂紋。熱應力產生的原因：鍛模的截面尺寸較大，沿截面的溫度梯度也大，型腔表面受急熱、急冷的作用而內層的溫度變化較小，表層的熱脹冷縮受到內層的約束而產生熱應力。循環(huán)熱應力產生的過程型腔表面受熱膨脹時，要受內層的約束使表層產生壓應力；冷卻收縮時，受內層約束，表層產生拉應力。如果熱應力大于材料在該溫度下的屈服點，便會發(fā)生壓、拉塑性應變。型腔表面在循環(huán)熱應力的作用下產生循環(huán)的塑性應變，經過一定的循環(huán)次數(shù)，就會導致熱疲勞裂紋的產生。

熱疲勞裂紋的特征“龜裂”指呈條狀、放射狀，并連成網狀的疲勞裂紋。但是，繼續(xù)受機械應力、氧化腐蝕及坯料的摩擦、擠入作用，會使細小裂紋繼續(xù)向縱深擴展，成為脆性斷裂和疲勞斷裂的裂紋源。這種形式斷口的開裂處有氧化物覆蓋，呈深灰色，里面存在脫碳層。

龜裂深熱裂影響模具熱疲勞的主要因素①模具型腔表面的溫度變化幅度模具的循環(huán)溫差越大，材料的熱膨脹系數(shù)越大，則循環(huán)熱應力越大，越易于發(fā)生熱疲勞。

影響模具熱疲勞的主要因素②模具材料的抗氧化性、導熱性和熱膨脹系數(shù)

模具型腔表面的致密氧化物層可阻緩繼續(xù)氧化過程，但氧化層增厚以致破裂后，便露出基體金屬并產生侵蝕溝。溝底的應力集中易使熱疲勞裂紋萌生，溝底氧化物的不斷產生和聚集，使它在循環(huán)熱應力作用下起著楔子的作用，大大加速裂紋的擴展。（3）型腔表面的磨損

鍛模在多次重復沖擊作用下，一方面坯料對型腔表面產生沖擊性的接觸應力，另一方面坯料塑變流動對型腔表面產生強烈的摩擦。在熱負荷的作用下，型腔表面層可能發(fā)生軟化，同時表面的氧化也將加劇。（3）型腔表面的磨損

在型腔表面與坯料滑動摩擦較小的部位，由于較大接觸應力的重復作用，易使型腔表面產生小塊剝落，形成痘狀麻坑。熱負荷對表面的軟化作用及熱應力的作用將促進這種疲勞磨損。在型腔表面受坯料滑動摩擦較大的部位，由于摩擦切應力和熱負荷的作用，則易使型腔表面產生氧化磨損和熱粘著磨損。（3）型腔表面的磨損

熱粘著磨損的產生在高溫和壓力作用下，坯料與模具型腔局部表面發(fā)生粘合，繼而在切應力作用下粘合處破壞，在型腔表面產生擦傷溝槽。型腔表層受熱軟化，易于在摩擦切應力作用下發(fā)生局部的塑變流動，從而促使熱粘著磨損的產生。氧化膜對型腔表面的影響當模具表面形成薄而致密的氧化膜時，具有潤滑和減摩作用，能防止熱粘合現(xiàn)象。但在溫度較高，所形成的氧化膜厚而疏松時，則由于氧化膜容易破裂、剝落，且氧化物碎片又成為磨粒，將加劇型腔表面的磨損。模具磨損的影響因素

模具的溫度；模具材料的化學成分和硬度；模具型腔的表面狀況；模具的使用條件等。（4）鍛模型腔的塑性變形

溫度升高使模具材料的屈服強度下降；當溫度高于模具的回火溫度時，則進一步使之軟化；當軟化部位的屈服點低于該部位所承受的應力水平時，就會產生塑性變形。鍛模型腔塑性變形形式棱角堆塌模具型腔中的肋、凸臺等突出部位吸熱較多，溫度較高，受力也較大，當其軟化層深度較大時，便會出現(xiàn)棱角堆塌等塑變現(xiàn)象。在軟化層較淺的部位，可在坯料的摩擦作用下發(fā)生表層塑變流動。在模具型腔深處，則常在淬火冷卻時未得到馬氏體，熱處理后硬度偏低，以致在較大壓力下產生塑性變形，使型腔凹陷。

型腔凹陷塑性變形的影響因素①坯料的變形速度②坯料的變形抗力坯料的塑變抗力大，錘擊速度高，都會使模具的受力加大，并且使模具表面的溫升提高，所以易產生塑性變形失效。

（5）模具燕尾開裂

燕尾根部凹槽有應力集中，尤其當存在加工刀痕時，易在沖擊載荷的重復作用下，在刀痕處萌生疲勞裂紋，裂紋沿刀痕橫向延伸并向縱深擴展，造成燕尾開裂。燕尾開裂的影響因素1）結構設計2）表面粗糙度3）模具的安裝固定4）燕尾部分的硬度和微觀組織。硬度過低對裂紋萌生的抗力低，硬度過高對裂紋擴展的抗力低，合適的硬度和組織才能使燕尾有最高的疲勞抗力。鍛模在不同的部位工作條件不同，會產生不同的失效形式，因此上述五種失效形式在同一模具上都有可能出現(xiàn)，而最終先導致鍛模不能繼續(xù)服役的失效形式可能只是其中的一種。

(二)壓力鑄造模壓力鑄造模是在壓鑄機上用來壓鑄金屬鑄件的成型模具(簡稱壓鑄模）。

1、壓鑄模的工作條件壓鑄模的型腔表面承受液態(tài)金屬的壓力、沖刷、侵蝕和高溫作用；每次壓鑄脫模后，還要對型腔表面進行冷卻、潤滑。使模具承受頻繁的急熱、急冷作用。

壓鑄不同材料的工作溫度和失效形式1）壓鑄鋅合金時，壓鑄模型腔的表面溫度不超過400℃，熱負荷較小。模具的工作壽命較長。2）壓鑄鋁合金時，壓鑄模型腔的表面溫度可達600℃左右，且熔融的鋁合金液很容易粘附鋼鐵材料。鋁合金壓鑄模的失效形式主要是粘模、侵蝕、熱疲勞和磨損。在模具型腔結構復雜并存在應力集中時，模具也會在熱負荷和機械負荷的共同作用下出現(xiàn)斷裂失效。3）壓鑄銅合金時，壓鑄模型腔的表面溫度可達750℃以上，模具急熱急冷的溫度變化幅度大。主要失效形式是熱疲勞龜裂。模具型腔中截面尺寸小的凸起部分，也會因受熱軟化而產生塑性變形。壓鑄銅合金時的使用壽命遠低于壓鑄鋁合金。4）壓鑄鐵合金時，壓鑄模型腔的表面溫度高達1000℃以上。采用傳統(tǒng)的熱作模具鋼制造的模具，在服役時型腔表面易氧化、腐蝕，易產生塑性變形和熱裂，模具的壽命極低，往往壓鑄幾百次即告失效。三、塑料模具的工作條件及失效形式

1、塑料模的工作條件塑料模的主要工作零件是成型零件，如凸模、凹模、型芯、鑲塊、成型桿和成型環(huán)等。工作中受壓力、溫度、摩擦和腐蝕等作用。

塑料模型腔承受注射壓力：40～140MPa閉模壓力為80～300MPa或更高；受熱溫度為140～300℃。

型腔表面承受摩擦和腐蝕的劇烈程度取決于塑料的種類及其填充物的性質。對于需要手工操作的模具，在裝模和脫模時經常會受到手用工具的敲擊和碰撞。1、塑料模的工作條件塑料制件成型對模具的基本要求

1）要求模具成型面具有很小的表面粗糙度值；一般在Ra0.2～0.025μm的范圍或更小。2）模具各成型零件的尺寸精度和相互配合的精度要求高；3）塑件形狀復雜時，模具型腔的結構也相應復雜。

2、塑料模的失效形式塑料模在服役過程中，可能會產生磨損、腐蝕、塑性變形、斷裂、疲勞及熱疲勞等失效形式，這些失效形式都與塑料模的工作條件及使用要求密切相關。1）型腔表面的磨損和腐蝕塑料熔體以一定壓力在模腔內流動，凝固的塑件從模具中脫出，都會對模具成型表面造成摩擦，引起磨損。模具在加工含有氯原子或氟原子的塑料時，塑料受熱會產生少量的熱分解，放出的HCI、HF等氣體將會腐蝕模腔表面，從而導致失效。模具在腐蝕的同時又有磨損損傷時，型腔表面的鍍層或其它防護層將遭到破壞，就會加劇腐蝕過程。兩種損傷交叉作用，加速了腐蝕—磨損失效。2）塑性變形

塑料模型腔表面受壓、受熱可引起塑性變形失效，尤其是當小模具在大噸位設備上工作時，更易產生超負荷塑性變形。塑性變形多發(fā)生在受力較大的棱角處，其表現(xiàn)形式為棱角堆塌。在型腔的其它部分可出現(xiàn)凹陷、麻點、表面起皺等。其他引起塑性變形的因素

型腔表面強化層太薄，經磨損后變形抗力不足；模具熱處理時回火不足；工作時受熱繼續(xù)回火轉變而產生相變超塑性等。3．斷裂

塑料模型腔結構比較復雜，承受壓力較大時，局部可能出現(xiàn)復雜的應力狀態(tài)和結構因素引起的應力集中，有可能使模具產生斷裂失效。當模具熱處理時回火不足，組織中仍有較多的殘余奧氏體時，在服役溫度下殘余奧氏體將轉變?yōu)轳R氏體，從而產生相變內應力，而引起模具的開裂。3．斷裂4．疲勞和熱疲勞

塑料模的機械負荷是循環(huán)變化的，使型腔表面承受脈動拉應力作用，從而可能引起疲勞破壞。塑料模的熱負荷也是循環(huán)變化的，型腔表面反復受熱和冷卻，可導致應力集中處萌生熱疲勞裂紋。型腔表面上的脈動拉應力，有可能使熱疲勞裂紋向縱深擴展，成為斷裂或疲勞斷裂的裂紋源。4．疲勞和熱疲勞Page1851.3模具的失效分析及影響模具壽命的主要因素二、模具的失效分析模具的失效分析是對已經失效的模具進行失效過程的分析，以探索并解釋模具的失效原因。模具失效分析的主要任務模具失效分析的任務就是判斷模具失效的性質、分析模具失效的原因，并提出防止或延遲模具失效的具體措施。要正確判斷模具失效的性質，主要依據(jù)模具失效的形貌特征、失效件的應力狀態(tài)、失效材料的實際性能的指標值和工作環(huán)境因素等。模具失效分析應當從以下幾個方面考慮：1．合理選擇模具材料2．合理設計模具結構3．保證加工和裝配質量4．嚴格控制模具材料的質量5．采用表面強化工藝6．合理使用、維護和保養(yǎng)模具Page1881.3模具的失效分析及影響模具壽命的主要因素二、模具的失效分析模具失效分析的一般步驟如下：1.現(xiàn)場調查、斷裂件的收集和處理2.模具材料、制造工藝和工作情況調查3.模具的工作條件和斷裂狀況分析4.斷口分析5.斷裂原因綜合分析和判定6.提出防護措施

Page1891.3模具的失效分析及影響模具壽命的主要因素二、模具的失效分析引起模具失效的原因很多，主要包括：(1)模具結構設計不合理引起的失效。(2)模具材料質量差和選材不合理引起的失效。

(3)機械加工和熱加工不當引起的失效。(5)操作方法不正確引起的失效。(4)熱處理和表面處理不當引起的失效。三、影響模具壽命的主要因素模具結構設計模具材料模具的熱加工和冷加工模具的使用狀況等。1.3模具的失效分析及影響模具壽命的主要因素模具結構合理的模具結構，使模具在工作時受力均勻，應力集中小，也不易受偏載。模具種類多，形式和工作環(huán)境差別很大。各有特性，但在結構方面也有共性的問題，如：幾何形狀和剛度。一、模具的幾何形狀影響模具壽命的幾何形狀因素：

模具的圓角半徑、凸模端面形狀、凹模錐角的大小、凹模截面變化的大小等。（一）圓角半徑采用圓角結構可以獲得良好的工藝效果，同時，也可避免拐角處產生應力集中。圓角半徑分為:外(凸)圓角半徑內(凹)圓角半徑

從應力圖可以看出，不同拐角形式產生的應力集中源不同，圓角半徑越大應力分布越均勻，越不容易產生應力集中，拐角為尖角結構時應力集中最嚴重。凸圓角半徑對工藝影響大過小的凸圓角半徑在板料拉深中增加成型力；在模鍛中，易造成鍛件折疊缺陷。凹的圓角半徑對模具壽命影響大小的凹圓角半徑會使局部受力惡化，在四角半徑處產生較大的應力集中，易萌生裂紋導致斷裂。大的圓角半徑使模具受力均勻，不易產生裂紋。非工作部位凹圓角半徑過小，在使用過程中也易造成應力集中，使抗偏載、抗沖擊的能力降低。從圖中可以看出，在采用同一模具條件下，過渡半徑R由2.3增大到3.2，模具壽命就從1.5萬件提高到2萬件。（二）幾何角度1.凹模的錐角和截面變化模具的工作角度對成形過程中坯料的流動、成形力及模具壽命有很大的影響。1.凹模的錐角和截面變化以擠壓為例：正擠壓時，主要是凹模對擠壓力產生影響，為了便于金屬塑性流動和減小模具負荷，一般都將凹模出口部分設計成錐形，如圖示。從圖中看，擠壓力的大小不僅與入口角α大小有關，還與錐形進口正擠壓凹模的截面變化量lnA0/A1有關。冷擠壓凹模的型腔截面變化越小，尺寸過渡越平緩，則擠壓力越小，模具壽命越高。2.凸模的端面形狀平底帶錐臺的凸模（圖a），端部受力面積較大，因此單位面積承受的擠壓力比平底凸模（圖b）可降低20%，模具壽命也相應提高當變形程度εF不是很大時，以平底凸模所受的單位擠壓力最大，半球面凸模的擠壓力最小，平底帶錐臺凸模居中。1-平底凸模2-平底帶錐臺凸模3-錐角凸模a=120o4-半球面凸模

變形程度過大時，球面凸模的單位擠壓力會急劇上升。平底凸模刃口處增加圓角半徑，可降低擠壓力；凸模端部設計成平底帶錐臺形，對減輕擠壓力也有明顯效果。1-平底凸模2-平底帶錐臺凸模3-錐角凸模a=120o

4-半球面凸模中心錐角α為120°～130°的凸模結構比較合理。錐角過大，對降低擠壓力的作用并不明顯，錐角過小易造成側向分力不平衡，引起凸模偏斜、彎曲或折斷。1-平底凸模2-平底帶錐臺凸模3-錐角凸模a=120o

4-半球面凸模凹模錐角的最佳取值計算公式t0／t—變形比、μ—摩擦系數(shù)在此值下，模具承受的力最小，壽命最高。變薄拉深對于錘鍛模、壓鑄模、塑料模等型腔模，型腔結構常需要考慮脫模斜度以便制件脫模。型腔脫模斜度對模具型腔側壁及底部的應力狀態(tài)也有直接的影響。二、模具結構形式（一）整體模具與組合模具整體模具不可避免的存在凹圓角半徑，易造成應力集中，并引起開裂。組合式模具把模具在應力集中處分割為兩部分或幾部分，再組合起來使用。采用組合式模具可避免應力集中和裂紋的產生。1.組合凸模結構工作時，凸模前端小直徑心軸部分先插入毛坯孔內，以控制擠壓件孔徑的位置。但心軸根部應力集中嚴重，受力時容易折斷。若將凸模設計成圖b及圖c所示的組合形式，則可避免應力集中，顯著提高壽命。2.組合凹模結構(a)、(e)整體式(b)、(c)、(f)、(g)縱向分割式(d)、(h)橫向分割式3.預應力鑲套凹模為了防止模具脹裂，冷鐓、冷擠壓凹模通常要求具有高的硬度和耐磨性，同時還要求具有高的強度和韌性。采用整體結構很難同時滿足這兩方面的性能要求?？刹捎妙A應力鑲套結構，即用高強、韌材料制造凹模體，工作部分采用淬硬的高速鋼或硬質合金等高硬度、高耐磨性材料，通過壓力將工作部分鑲入凹模體成為組合式模具，以滿足型腔表面高耐磨性和整體高強、韌性的要求。

圖（b）是一組合冷鐓模圖示組合冷鐓模，原采用高速鋼整體式，常發(fā)生早期脹裂失效，壽命不到碳素工具鋼凹模的1/4。改為預應力鑲套結構，模體采用結構鋼，工作部分為高速鋼，二者過盈配合使工作部分預先產生切向壓應力，以抵消一部分工作時產生的切向拉應力，使模具壽命提高，高出碳素工具鋼凹模的8～10倍。（二）模具的工作間隙沖裁模凸、凹模的刃口間隙是工作間隙也叫沖裁間隙，不僅影響沖裁過程和沖裁質量，也影響模具的壽命。當刃口間隙由板料厚度的5﹪加大到15﹪時，模具的一次刃磨壽命顯著增加。

1-Q235鋼，厚度6㎜；2-Q235鋼，厚度10㎜3-Cr18Ni9Ti鋼，厚度8㎜當間隙過大（＞15﹪）時，板料的彎曲變形增大，凸、凹模端面與板料的接觸面積減小，沖裁力集中作用于刃口處，使刃口塑變鈍化。刃口變鈍又導致沖裁力增大，使模具的刃磨壽命降低。注意!!實際中，獲得高質量沖裁斷面的最佳間隙值和保證模具較高壽命的最佳間隙值不是完全一致的，設計時應綜合考慮做出最優(yōu)選擇。（三）模具的結構剛度1．模具的導向裝置導向裝置可以保證模具具有足夠的剛度，保證凸、凹?；蛐托尽⑿颓婚g的相互位置精度，增加模具的抗彎曲、抗偏載的能力，避免不均勻磨損和凸、凹模相互卡死、啃傷或型芯、型腔的錯位，從而保證模具的正常工作并延長其使用壽命。導向結構對沖裁模具壽命的影響例如在2mm厚的08鋼板上沖裁M3螺母的沖裁模，模具材料為T10，硬度為HRC55～59無導向板：沖頭的平均壽命為778件；有導向板：沖的平均壽命為3.85萬件。導向結構對塑料模具壽命的影響具有細小推桿推出系統(tǒng)的塑料注射模的推板采用四導柱導向機構，可以避免由于頂出系統(tǒng)的頂桿受力不均衡，彎曲變形而造成塑料表面劃傷、推桿磨損，甚至造成頂桿卡死或折斷等現(xiàn)象。導向精度對模具壽命的影響在其他條件相同的情況下，模具的導向精度愈高，模具的壽命愈高。沖壓模、注塑模的壽命比錘鍛模高的原因，除了工作條件不同的因素之外，導向精度的不同也是影響模具壽命的重要因素。2．凸模剛度設計要點1）合理設計凸模的截面形狀和尺寸，盡量減小其徑長比，使之具有足夠的強度、剛度和抗壓穩(wěn)定性。2）適當加大凸模柄部的承載面積和固定長度，可以提高其剛度。3）加大凸模墊板厚度或采用多層淬硬墊板，避免由于墊板面積大、厚度薄或硬度不足而出現(xiàn)變形、凹坑等損傷，以導致凸模產生附加彎曲應力。4）對細長凸模可增加導向板等輔助支承。導向板位置應盡量減小凸模懸臂部分的長度，且使凸模始終不脫離導向板，并保證導向精度。3．塑料模的剛度結構塑料注射模結構設計時，可以采用高精度的導向或支撐結構來保證模具的剛度。圖中所示是注射模支承墊板承受注射壓力的變形情況。小型模具可通過增加墊板厚度來提高剛度，大型模具可以采用加支撐的方法，如圖所示。在定模板和動模板四周作出斜面配合，利用定模板和動模板的剛性來加強對凹模壁的約束也可起到減小凹模壁變形的作用。為了避免細長桿變形，常采用階梯形頂桿，來提高頂桿的剛度。為了防止應力集中源的產生臺階頂桿的拐角部位可采用圓角過渡截面等結構，或采用組合式結構。（四）減輕工作載荷模具的工作載荷對模具壽命有決定性的影響。以正擠壓35鋼工件為例：圖示為沖頭單位面積的壓力和沖頭壽命的關系曲線。由圖可知，隨著變形量εF和沖頭單位壓力的減小，沖頭的壽命明顯提高。1500MPa減小至1000MPa時，沖頭壽命可提高1倍以上。為了使模具的工作載荷盡可能減輕，模具設計中，應根據(jù)合理的成型工藝確定模具的結構，因為不同的壓力加工工藝直接影響模具的工作載荷。例如，利用反擠壓模成型圖a示工件，模具的工作載荷較大。在情況允許時，將工件改為圖b示的形狀，則可以采用復合擠壓工藝。利用復合擠壓模具來成型工件，使模具的工作載荷得到減輕，壽命得到相應的提高。根據(jù)擠壓量隨變形量的變化規(guī)律，合理采用變形量及相應的預成型工藝，可減輕每套模具的工作載荷，如圖a示的工件，若采用一次擠壓成型，不僅模具的載荷很大，而且也難以滿足工件形狀和尺寸的要求。若先擠壓成如圖b示的形狀，再最后擠壓成型，則不僅能滿足工件設計要求，而且使模具載荷大為減輕。為了減輕載荷，還應注意其他工藝環(huán)節(jié)。例如選用被擠壓材料的變形抗力應盡可能低，所含雜質盡可能少；坯料的切割加工應保證端面的平整、不帶斜度，以免造成凸模偏載；坯料直徑應比凹?？讖叫?.15～0.20㎜，以防止擠壓力急劇上升時使凹模脹裂；但間隙也不能過大（如反擠壓時不應大于0.20㎜），以保證同軸度，避免凸模偏載。針對特殊結構的模具應防止模具過載，例如：1）定行程鍛壓設備使用封閉式擠壓模，必須設計足夠的飛邊空間，以免余料過載引起模具損壞。2）在封閉的冷鐓?；蚶鋽D壓模的適當部位開設排氣孔，以使被擠壓在模具和坯料之間的空氣順利排出。否則，擠壓的高壓氣體不僅影響坯料充型，還易使模具過載失效。圖a是用冷擠壓成型的梭芯零件，在冷擠壓凹模的相應部位應設計排氣孔（圖b）。3）對于承受較大沖擊載荷的模具應設計足夠大的承擊面，以利吸收多余的沖擊能，減少模具單位面積的沖擊力，防止發(fā)生早期斷裂。4）對塑料壓制模要設置足夠大的承壓環(huán)，以防止型腔、型芯過早變形或開裂。5）圖示的細型芯側進料注射模，將細型芯由懸臂結構改為兩端支撐結構，可有效的防止側向彎曲過載。模具工作條件一、成形件的材質和溫度

1、材質1）非金屬材料、液態(tài)材料的強度低，所需的成形力小，模具受力小，模具壽命高。2）金屬件成形模比非金屬件成形模的壽命低。3）固態(tài)金屬件強度越高，所需變形力越大，模具所承受的力則越大，模具的壽命低。4）鋁、銅等有色金屬件模具比黑色金屬成形件壽命高。5）工件材料與模具材料的親合力愈大，在成形過程中愈易與模具產生粘著磨損，模具的壽命愈低。6）沖表面光亮、性能均勻的鋼板時，沖頭受力均勻，壽命較高；7）沖表面粗糙的相同厚度熱軋鋼板時，壽命較低。例：某沖壓件采用冷軋鋼板，模具壽命為3萬件，采用熱軋鋼板，壽命只有1.7萬件。2、溫度1)成形高溫工件時，模具受熱量而升溫，隨著溫度上升，模具強度下降，易產生塑性變形；2)模具與工件接觸的表面和與工件非接觸表面的溫度差很大，造成模具內的溫度應力；3)成形過程中，模具與工件間斷接觸，受連續(xù)不斷的熱沖擊，模具易萌生裂紋，造成疲勞磨損及斷裂；4)在高溫下，模具與工件表面原子活性增加，增加相互粘結、發(fā)生粘著磨損的可能，也加速氧化磨損。二、設備特性（一）設備的精度與剛度1）設備的精度影響設備運動部分的導向精度高，上、下模不易錯移，不易出現(xiàn)附加的橫向載荷和轉矩，模具磨損均勻，模具壽命高。注塑機，機械壓力機，模鍛錘，導向精度是逐次下降的，其相應的模具的壽命也是逐次下降的。2）設備的剛度影響設備的剛度大，在成形過程中的彈性變形小，模具上、下?？奢^好地保證正確的配合狀態(tài)。設備剛度與沖裁力設備剛度愈差，彈性變形量愈大，上、下模抖動愈大，愈加速模具的不均勻磨損。為克服設備彈性變形對模具工作精度的影響，沖裁力的確定原則：精密沖裁時，沖裁力應小于設備噸位的50％；普通沖裁時，沖裁力不應超過設備噸位的80％。（二）設備速度模具在單位時間內受的沖擊力越大；受力時間越短，沖擊能量來不及傳遞和釋放，易造成局部應力超過模具材料的屈服應力或斷裂強度。模具越易斷裂或塑性變形失效。液壓機、曲柄壓力機、螺旋壓力機、氣錘、高速錘它們的加載速度逐次變高；在其他工藝條件相同的情況下，這些設備上所用的模具壽命依次下降。

三、模具潤滑與冷卻（一）潤滑潤滑模具與工件相對運動的表面，可減少模具與工件的直接接觸，減少磨損，降低成形力；潤滑劑在一定程度上能阻礙坯料向模具傳熱，降低模具溫度，這對提高模具壽命是有利的。例如：1)拉深時，潤滑毛坯與凹模的接觸面；2)模鍛時，潤滑模膛；都有利于工藝的順利進行和提高模具壽命。3)不銹鋼表殼擠光模用機油潤滑，壽命只有80件，用二硫化鉬加油劑，壽命可達1萬件。（二）模具冷卻冷卻方式內冷——內冷的冷卻方式較緩和，模具溫差小，冷卻效果好，模具壽命高。但模具結構復雜。外冷——外部冷卻的冷卻效果顯著，但模具內外溫差大，且模具表面經受較大的急熱急冷，易產生疲勞磨損或疲勞斷裂，模具壽命低。第三節(jié)模具材料性能一、模具材料的基本性能（一）使用性能（二）工藝性能（一）模具材料的使用性能1．強度（1）屈服強度σs：材料抵抗塑性變形的能力。

（2）抗拉強度σb：材料抵抗斷裂破壞的能力。

（3）裂紋臨界應力強度因子KIC：材料抵抗裂紋擴展的能力（斷裂韌度）2．沖擊韌性ak：

材料承受沖擊載荷或沖擊能量的能力。3．耐磨性：材料抵抗磨損的能力。

4．耐蝕性：材料抵抗周圍介質腐蝕的能力。5．硬度：

材料抵抗外部物體壓入的能力。

6．熱穩(wěn)定性：材料在高溫下，保持其組織、性能穩(wěn)定的能力。7．耐熱疲勞性：高溫下，材料承受應力頻繁變化的能力。（二）模具材料的工藝性能1．鍛造工藝性能

材料對鍛造工藝的適應性。2．切削加工工藝性能

材料切削加工的難易程度。3．熱處理工藝性能材料在熱處理時，獲得所需組織、性能和形狀尺寸的難易程度。4．淬透性材料在一定條件下進行淬火，獲得淬透層深度的能力。注意：以上性能中，有的已有測量規(guī)范和指標，可用試驗裝置進行定量測量，有的沒有測量裝置，有的難以測量，只能定性的理解。

不同的模具和使用工況不同，對模具材料的性能要求差別很大。模具材料的性能要求只限于與使用工況相關的幾種性能。二、模具的工作條件與材料的使用性能模具的工作條件可近似分為：（一）室溫沖擊力較小工況。（二）室溫沖擊力較大工況。（三）高溫沖擊力較小工況。（四）高溫沖擊力較大工況。（一）室溫沖擊力較小工況模具強度愈高，硬度愈高，耐磨性愈好，壽命愈高。例如：沖裁模、拉深模

（二）室溫沖擊力較大工況模具需具有高的強度、耐磨性，并具有較好的韌性。例如：冷鐓模、冷擠模（三）高溫下沖擊力較小工況模具需要高的高溫強度、高溫耐磨性、耐冷熱疲勞性、熱硬度及熱疲勞性，同時應具有適當?shù)臎_擊韌度。例如：曲柄壓力機鍛模（四）高溫沖擊力較大工況模具需要具有高的高溫韌性，同時應具有合適的高溫強度、熱硬性及耐熱疲勞性。例如：錘鍛模、高速錘鍛模。注意：強度、硬度之間存在同向關系，強度高，硬度也高；強度與韌性存在逆向關系，隨著強度增高，材料韌性會下降。采用多種冶煉方法和熱處理方法改變材料的成分和組織來獲得高強度、高韌性的材料。可提高模具壽命的選擇1）選用具有適當?shù)膹姸群晚g性匹配的模具。2）通過適當?shù)責崽幚砼c表面處理，使模具內部韌性高、表面強度高和耐磨性高，可有效地提高模具的整體性能及壽命。Page2541.3模具的失效分析及影響模具壽命的主要因素三、影響模具壽命的主要因素(一)模具結構設計對模具壽命的影響(a)整體式凹模

(b)整體式凹模早期斷裂

(c)組合式凹模圖1-5塔形熱擠壓凹模Page2551.3模具的失效分析及影響模具壽命的主要因素三、影響模具壽命的主要因素(二)模具材料對模具壽命的影響(1)模具材料種類對模具壽命的影響是很大的，如對同一種工件，使用不同的模具材料作彎曲試驗，用9Mn2V材料，其壽命為5萬次；改用Cr12MoV材料滲氮，其壽命可達40萬次。(2)模具工作零件的硬度對模具壽命的影響也很大，但并不是硬度越高，模具壽命越長。Page2561.3模具的失效分析及影響模具壽命的主要因素三、影響模具壽命的主要因素(二)模具材料對模具壽命的影響(3)模具材料的冶金質量也對模具壽命產生較大影響，特別是高碳高合金鋼，冶金缺陷多，往往容易造成淬火開裂或模具的早期破壞。Page2571.3模具的失效分析及影響模具壽命的主要因素三、影響模具壽命的主要因素(三)模具制造質量對模具壽命的影響1．模具零件加工精度的影響3．模具硬度均勻性的影響2．模腔表面粗糙度的影響4．模具裝配精度的影響Page2581.3模具的失效分析及影響模具壽命的主要因素三、影響模具壽命的主要因素(四)模具的熱處理質量與表面強化對模具壽命的影響模具零件的預先熱處理調質處理正火退火Page2591.3模具的失效分析及影響模具壽命的主要因素三、影響模具壽命的主要因素(四)模具的熱處理質量與表面強化對模具壽命的影響淬火回火工藝模具零件的最終熱處理Page2601.3模具的失效分析及影響模具壽命的主要因素三、影響模具壽命的主要因素(五)模具的使用對其壽命的影響(1)機床設備的特性(2)被加工坯料的性質(3)模具的安裝和使用條件(4)模具的操作規(guī)程及維護補充模具制造知識一、模塊的鍛造模具材料主要采用高碳鋼或高碳高合金鋼。由于冶金技術的影響，這些材料不同程度的存在成分和組織的偏析、碳化物粗大不均勻、晶粒粗大等缺陷，使得鋼材的性能下降。影響模具壽命的因素模塊采用鍛造工藝的目的改善材料內部缺陷，獲得模塊所需要的內部組織和使用性能；使模塊獲得一定的形狀和尺寸。模塊毛坯鍛造的工藝過程加熱—鍛打成型—冷卻每一環(huán)節(jié)操作不當都會產生新的缺陷影響毛坯質量。模塊的鍛造1.模塊的加熱溫度應力——模塊毛坯在加熱過程中，由于熱量是從外表面向里面?zhèn)鬟f，溫度是外高、內低，存在溫度差而造成。組織應力——溫度的升高，模塊毛坯會發(fā)生組織轉變，由于不同組織的比容不同以及鋼料毛坯的表層與心部不同時發(fā)生相變而造成。

模塊的鍛造溫度應力的影響軸向應力、切向應力和徑向應力。當圓柱體毛坯以等速升溫進行加熱時，溫度應力中，軸向應力最大中心是拉應力，模塊毛坯加熱時，在心部易產生橫向裂紋。

模塊的鍛造斷面溫差的有關因素材料的熱擴散性差、斷面尺寸大、加熱速度快、溫度頭大則其斷面溫差就大，因而溫度應力就大。模塊用毛坯多為高碳、高合金鋼，其低溫段熱擴散率比較小，因此低溫段應緩慢加熱。模塊的鍛造組織應力的影響奧氏體的比容小于鐵素體的比容表層開始相變時，表層為拉應力、心部為壓應力當心部開始相變時，表層為壓應力，心部為拉應力。模塊的鍛造但隨著溫度的升高，鋼的塑性和熱擴散性會同時增加，組織應力，溫度應力都易迅速松弛。因此，鋼模塊毛坯加熱時開裂的危險性不大。模塊的鍛造2．模塊毛坯的冷卻模塊毛坯鍛后冷卻時，發(fā)生的問題：溫度應力；組織應力；鍛后的殘余應力；空氣中的淬火能力。在鍛后冷卻過程中，有產生淬火裂紋的傾向，鍛后應進行緩慢冷卻。模塊的鍛造3.模塊的鍛造比鍛造比是模塊鍛造時變形程度的一種表示方法。隨著鍛造比增大，鍛坯內部孔隙焊合，碳化物被擊碎并均勻分布，鍛坯的各個方面的力學性能均得到明顯提高；當鍛造比超過一定數(shù)值后，由于形成纖維組織，橫向力學性能急劇下降，導致出現(xiàn)各向異性。

模塊的鍛造模塊的鍛造比的影響合理的鍛造比拔長鍛造比：2~4（F0/F）鐓粗鍛造比：<3（H0/H）采用鐓—拔結合可提高鍛造比。鍛造操作方法對坯料產生應力和裂紋也有影響。模塊的鍛造比的影響二、模具零件的加工的影響模具零件加工一般要經過切削加工、磨削加工和電火花加工。加工中造成的質量問題，尤其是加工表面的質量，也會顯著影響模具的耐磨性、斷裂抗力、疲勞強度及熱疲勞抗力等。模具制造1.切削加工的影響1）切削加工必須把鍛造和退火后模具鍛坯存在的脫碳層全部去除。2）切削加工要注意尺寸準確，保證尺寸過渡處的圓角半徑和圓弧連接。模具零件的加工的影響3）保證表面粗糙度要求，不留刀痕，尤其是不能留下超出下道工序加工余量的殘跡。切削加工的影響2.磨削加工的影響模具工作零件通常要求較高的表面硬度和較高的制造精度及表面質量。因此最終熱處理后的精加工通常采用磨削。在磨削過程中，由于局部摩擦生熱，容易引起磨削燒傷和磨削裂紋等缺陷，并在磨削表面生成殘余拉應力，造成對零件力學性能的影響，甚至成為導致零件失效的原因。