第三章模具失效形式与机理

1、第三章 模具失效的分析第一节 模具失效的基本概念一、模具服役模具安装调试后，正常生产合格产品的过程叫“模具眼役”。二、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叫“模具损伤” 。三、模具失效模具受到损坏，不能通过修复而继续服役时叫“模具失效”。广义上讲，模具失效是指一套模具完全不能再用，生产中一般指模具的主要工作零件不能再用。模具因类型不同、生产的产品不同，失效的形式也不同。如锻模会因锻件尺寸不符合要求或锻模破裂而失效，而塑料件表面要求很光的塑料模，会因模具表面粗糙度变大而失效。1、根据模具服役的情况分类1 ）非正常失效（早期失效）模具未达到一定的工业技术水平

2、下公认的寿命时就不能服役时，称“模具的早期失效”。早期失效的 “形式”： 有塑性变形、断裂、局部严重磨损。2 ）正常失效模具经大量的生产使用，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时，称模具的“正常失效” 。12、根据模具服役的情况分类1）断裂失效： 塑性断裂、脆性断裂与疲劳断裂（含冷热疲劳）。2）过量变形失效： 过量弹性变形、过量塑性变形（局部塌陷、局部镦粗、型腔涨大）、蠕变超限。3）表面损伤失效： 表面磨损（磨粒磨损、粘着磨损、氧化磨损、疲劳磨损）、表面腐蚀（点腐蚀、晶间腐蚀、冲刷腐蚀、应力腐蚀） 。四、模具失效分析方法1、目的1）正确选择模具材料； 2）合理制定模具制造工艺

3、；3）优化模具结构； 4）研究模具新材料和开发新工艺；5）预测模具在特定使用条件下的寿命。2、步骤1）生产现场调查（1）了解设备状况和操作工艺； （2）统计模具的寿命和失效形式； （3）收集并保存失效模具，供分析用。2）模具用材和制造工艺的调查（1）复查模具材料的化验成分和冶金质量；（2）了解模具的锻造、机械加工、热处理工艺及操作过程。其中重点：锻造、热处理工艺与质量检验。3）对模具进行失效分析（1）外观分析：了解损伤的种类，寻找操作的起源，观察损伤部位的表面粗糙度和几何形状。（2）断口分析与金相分析。（3）综合各方面的分析结果，判断模具失效的原因，以及影响失效过程的2各种因素。五、模具失效的

4、原因1、使用与管理因素1）工作环境； 2）操作人员水平或经验；3）模具本身质量； 4）生产管理制度。2、设计与制造1）结构设计不当； 2）材料选择与质量问题； 3）毛坯锻造不良； 4）机械加工缺陷； 5）热处理不当； 6）装配精度不高。六、模具失效的主要原因1、设计不合理10%；2、选材不当和材料缺陷10%；3、加工工艺不当10%；4、热处理不当50%；5、润滑不好 7%；6、机床设备差8%；7、其它 5%3七、常见的模具失效形式1、冲挤压冲头的失效形式失效形式 ：D 处磨损超差、 R处断裂失效占 90%以上；失效分析 ：D处不均匀磨损是因表面硬度不足造成； R处断裂断口分析结果与冲击疲劳断裂

5、实验结果相同，属于冲击疲劳断裂；解决办法 ：D 处表面强化处理； R处修改形状，优化结构；效果：寿命提高一倍以上。2、冷冲压模具的失效形式43、热锻模具的失效形式4、冷镦冲头的失效形式5第二节磨损失效磨损 :由于表面的相对运动，从接触表面逐渐失去物质的现象叫磨损。磨损失效 :当这磨损使模具的尺寸发生变化或改变了模具的表面状态使之不能继续服役时，叫磨损失效。一、磨损分类按磨损机理可分为：磨粒磨损、粘着磨损、疲劳磨损、气蚀和冲蚀磨损、腐蚀磨损。二、磨粒磨损磨粒磨损 :外来硬质颗粒存在工件与模具接触表面之间，刮擦模具表面，引起模具表面材料脱落的现象叫磨粒磨损。工件表面的硬突出物刮擦模具引起的模损也叫

6、磨粒磨损。（一）磨粒磨损机理当磨粒与工件和模具表面接触时，作用在磨粒上的作用力可分为垂直表面和平行表面的两个分力，如图 31。垂直分力使磨粒压入金属表面，平行分力使磨粒与金属表面产生相对切向运动。磨粒压入金属表面是磨粒磨损的第一阶段 ，而压入金属表面的磨粒与金6属表面的相对切向运动是磨粒磨损的第二阶段 ，两个阶段的综合即构成完整的磨粒磨损过程。在用模具成形工件时，一般情况模具比工件硬度高，磨粒首先被压入软工件内，在模具与工件相对运动时刮擦模具 ，从模具表面切下细小的碎片。当模具表面存在沟槽、凹坑时，磨粒不易从凹坑中出来（或粘结在模具表面上）随工件一起运动，磨粒将 耕犁或犁皱工件 ，如图 32

7、所示。（二）影响磨粒磨损的因素1 磨粒的大小和形状磨粒平均尺寸越大，模具的磨损量越大，但磨粒的尺寸到达一定值后，磨损量保持不变。磨粒的外形越呈多棱形，越锋利，磨损量越大。2 磨粒硬度 Hm与模具材料硬度H。磨粒硬度 Hm与模具材料的硬度H。之间的相对值对磨损影响很大。当 Hm < H。时，如图 33 中 区，模具产生轻微磨损，此时磨损率小，曲线上升平缓。当 Hm= H。时，如图 33 中区，为磨损软化状态，此时的磨损率急剧增加，曲线上升很徒。7当 HmH。时，如图 3 3 中区，为严重磨损状态，此时磨损量较大，曲线趋平。由此可见， 要减少磨粒磨损，模具材料硬度H。应比磨粒的硬度Hm高。3

8、 模具与工件表面压力随着模具与工件表面压力的增加，磨粒压入模具的深度增加，磨损越严重。但当压力达到一定值后，磨粒棱角变钝，磨损增加趋缓，如图34 所示。4磨粒尺寸与工件厚度的相对比值工件厚度越大，磨粒越易嵌入工件，嵌入深度越深，对模具的磨损越小。（三）提高耐磨粒磨损的措施1 提高模具材料的硬度一般情况下，模具材料硬度越高，抗磨粒压人的能力越强，耐磨损性越好。2进行表面耐磨处理模具使用工况恶劣，承受一定的冲击载荷，模具的整体必须具有一定的韧性。因此，对模具表面进行耐磨处理，是在保证一定韧性的条件下，提高模具耐磨性的有效途径。3采用防护措施8在模具服役过程中，及时清理模具表面与毛坯上存在的磨粒，防

9、止磨粒的侵人，是提高耐磨性的有效方法。三、粘合磨损粘着磨损 :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，使模具表面材料转移到工件上或脱落的现象称为粘着磨损。（一）粘着磨损机理从微观上讲，模具表面总是凹凸不平的。模具与工件表面 实际接触面积只有名义上的 001%01%，只有少数微观凸体的峰顶接触，此时， 峰点压力很大，有时高达 5000MPa，足够引起塑性变形，并且 表面温度因摩擦发热很高 ，严重时，甚至可使表面局部金属软化或熔化，从而破坏了表层的氧化膜和润滑膜，使新的金属材料暴露，造成了 材料分子之间相互吸引、相互渗透、相互粘着和咬着的条件十是它们之间就联接起来。这一

10、过程一般只有几毫秒。随着相对运动的进行和接触部分温度急剧下降，峰顶相当于一次 局部淬火 ，使粘着部分的材料强度增加，并形成 淬火裂纹 ，最后造成 撕裂和剥落 。粘着磨损过程如图 35。1 ）微凸体开始接触，在接触峰顶产生弹一塑性变形；2）微凸体接触点产生粘着，并形成粘结点;3）粘结点附近产生裂纹；4）粘结点在裂纹处被剪切，使微凸体分离；5）微凸体附近弹性恢复，一个粘着磨损过程完结。9（二）粘着磨损分类按照磨损严重程度， 粘着磨损可分为轻 “微粘着磨损” 和“严重粘着磨损”。1 轻微粘着磨损当粘结点的强度低于模具与工件的强度时，剪切发生在结合面上图 36（ l ） ，这种磨损量不大。由于这种磨损

11、只发生在工具与模具表面的氧化膜内，又称为 “氧化磨损”。102 严重粘着磨损当粘结点的强度高于模具与工件其中之一的材料强度时，剪切面发生在工件或模具的基体上。严重粘着磨损又分为三种情况：（1）涂抹粘结点的剪切发生在较软金属表面层上部，当粘结点强度高于较软金属的强度时，被剪切的金属以涂抹方式转移到硬金属表面上图 3 6（ 2）。（2）擦伤当粘结点的强度高于两金属材料的强度时，剪切发生在较软金属表层较下的部分，有时剪切也发生在硬金属的浅表层内图36（3）。（3）胶合当粘结点强度比两金属强度高得多且粘结点面积较大时，剪切破坏发生在一个或两个金属表层较深的地方 图 36（4） 。（三）影响粘着磨损的因

12、素1表面压力当平均压力小于材料硬度的13 时，磨损量与载荷成正比，且不大；当压力超过临界值，磨损量急剧上升；当压力很大时，接触表面处于很高温度，粘结点不易冷却，剪切面多发生在接触面，磨损转向下降。由此可知，随着表面压力由小增大，磨损形式即由氧化磨损转变为严重磨损，再转化为氧化磨损（图37）。112材料性质根据强度理论，脆性材料的破坏由正应力引起，塑性材料的破坏取决于切应力。表面接触中最大正应力作用在表面，最大切应力出现在离表面一定深度，所以材料塑性越高，粘着磨损越严重。相同金属或者互溶性大的材料组成的摩擦副，粘着效应较强，容易发生粘着磨损。异性金属或者互溶性较小的材料组成的摩擦副，不易产生粘着

13、磨损。从材料的相组织结构来看，多相金属比单相金属的抗粘着磨损能力高。从晶体结构来看，密排立方结构比面心立方结构的金属抗粘着磨损的性能好。3材料硬度两材料硬度相差较大时，剪切只发生在软金属的浅表层，磨损不大。两材料硬度相近时，粘结点强度一般高于两金属材料，剪切会同时发生在两材料的较深的部位，磨损严重。12（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，可减小亲合力，降低粘结的可能性。2合理选用润滑剂和添加剂润滑油膜可以防止金属表面直接接触，成倍地提高抗粘着磨损的能力。3采用表面处理采用多种表面热处理方法，改变摩擦表面的互溶性质和表层金属的组织结构，避免同类金属相互摩擦能

14、降低粘着磨损。13四、疲劳磨损疲劳磨损： 两接触表面相互运动时，在循环应力（机械应力与热应力）的作用下，使表层金属疲劳脱落的现象称为“疲劳磨损”。（一）疲劳磨损的机理线、面接触的摩擦副中，在承受力和相对运动的情况下，表面及亚表面不仅有多变的接触压力 且还有切应力 ，这些外力反复作用一定周次后，表面就会产生局部的 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 ”。模具疲劳磨损的外载有机械载荷、热载荷。因此可分为 机械疲劳磨损、冷热疲劳磨损 。（二）影响疲劳磨损的因素1 材质

15、钢材的冶金质量 ，如气体含量， 非金属夹杂物 类型、大小、形貌和分布状态，是影响疲劳磨损的重要因素，特别是 脆性和带有棱角状的非金属夹杂物 ，它们破坏了基体的连续性，在循环应力的作用下，夹杂物的尖角部位产生应力集中，并由于塑性变形加工硬化引起显微裂纹。2硬度一般来讲，硬度增加，强度增加，则增加表面抗疲劳能力。但硬度过高，疲劳裂纹扩展快，又引起抗疲劳磨损的能力降低（图38）。143表面粗糙度由于表面粗糙，使接触压力作用在很小的面积上，造成很大的接触应力，表面粗糙度值低，接触面积增大，接触应力下降，有利于提高抗疲劳磨损能力。（三）提高耐疲劳磨损性能的措施1合理选择润滑剂避免模具与工件直接接触；均化

16、接触应力，从而相对地降低了最大接触应力；缓冲冲击；充填在粗糙表面低洼处。粘度愈高，效果愈好。因此，固体润滑剂比液体润滑剂好，在液体润滑剂中，加人适量的极压添加剂，有利于模具提高抗疲劳磨损的能力；而粘度较低的润滑剂，易楔入裂纹中，造成高的液体压力，加速裂纹扩展，促进疲劳磨损。2进行表面强化处理在常温状态下，通过喷丸、液压 等方式使模具工作表面金属受压缩产生塑性变形，并产生一定的宏观残余压缩应力 ，有利于提高抗疲劳磨损的能力。15五、气蚀磨损和冲蚀磨损（一）气蚀磨损气蚀磨损： 金属表面的 气泡破裂 ，产生瞬间的冲击 和高温，使模具表面形成微小麻点 和凹坑的现象叫气蚀磨损（图 39）。当模具表面与液

17、体接触作相对运动时，在液体与模具接触处的局部压力比其蒸发压力低的情况下，将形成气泡。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，气泡便会破裂，在瞬间产生极大的冲击力和高温，作用于模具局部表面上。在这种气泡的形成和破裂的反复作用下，模具浅表面将萌生疲劳裂纹，最后扩展至表面，局部金属脱离表面或气化，形成泡沫海绵状空穴。注塑模，压铸模易发生气蚀磨损。（二）冲蚀磨损冲蚀磨损：液体和固体微小颗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”（图 310）。16当小滴液体以高速（ 100m/s）落到模具表面上

18、，产生很高的应力，一般可以超过金属材料的屈服强度，甚至造成局部材料断裂。速度不高的反复冲击会萌生疲劳裂纹形成麻点和凹坑。（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是疲劳磨损的一种派生形式，在注塑模具与压铸模具中易出现。一般来讲，若材料具行较好的抗疲劳性 和抗腐蚀性 ，又有较高的 强度和韧性，则抗气蚀和冲蚀磨损的性能就好。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，也能有效地减少气蚀和冲蚀磨损。17六、腐蚀磨损腐蚀磨损：在磨擦过程中，模具表面与周围介质发生化学或电化学反应，再加上摩擦力机械作用，引起表层材料脱落的现象叫“腐蚀磨损”。（一）腐蚀磨损机制当一对摩擦

19、副在一定的环境中发生摩擦时。在摩擦面上便产生与环境介质的反应，并 形成反应物 ，这是腐蚀磨损的第一阶段；表面反应物 在其后的两摩擦副的相对运动中 被磨掉 ，这是腐蚀磨损的第二阶段。一旦反应物被磨掉，就暴露出来了未反应表面，就又开始了腐蚀磨损的第一阶段（图 3-11 ）。腐蚀磨损形式常发生于高温或潮湿的环境中，在有酸、碱、盐等特殊条件下最易发生。模具常见的腐蚀磨损有“氧化腐蚀磨损”和“特殊介质的腐蚀磨损”。（二）氧化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，于是又与氧结合形成脆而硬的氧化膜。新生成的氧化膜因摩擦作用而剥落，由此造成的磨损称为氧化磨损。模具服

20、役时一般都会出现氧化磨18损。氧化磨损的速度与氧化膜的性质有关：若氧化物密度与原金属差不多，则氧化膜能牢固的覆盖在金属表面上，磨损小；若氧化物密度比原金属密度大，则氧化膜中易出现拉应力；使膜破裂或出现多孔疏松的膜；若氧化物的密度小于原金属的密度，则随着氧化膜的生长，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，则内应力愈大，会使表面氧化膜形成裂纹或从表面脱落。如果氧化膜与金属基体膨胀系数不同，当表面温度发生变化时，也会因产生内应力而脱落。（三）特殊介质腐蚀磨损在腐蚀性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，引起表

21、层化合物的脱落，由此引起的磨损称为特殊介质腐蚀磨损。19七、磨损的交互作用在模具与工件（或坯料）相对运动中，摩擦磨损情况很复杂，磨损一般不只是以一种形式存在，往往是多种形式并存，并相互促进。图 312 表示了模具磨损几种形式之间的关系。模具与工件表面产生粘着磨损后，部分材料脱落会形成磨粒，进而伴生磨粒磨损。磨粒磨损出现后，使得模具表面变得更粗糙，又造成进一步地粘着磨损。模具出现疲劳磨损后，同样出现磨损后的磨粒，造成磨粒磨损。磨粒磨损使得模具表面出现沟痕，粗化，这又加重了进一步的粘着磨损和疲劳磨损。模具出现腐蚀磨损后，随之而来的将会是磨粒磨损，进而伴生粘着磨损和疲劳磨损。20第三节断裂失效一、断

22、裂失效模具出现大裂纹或分离为两部分和数部分，丧失服役能力的现象（最严重的失效形式）。二、断裂分类及断裂形式（一）断裂分类（1）按断裂 性质分:塑性断裂、脆性断裂（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，断裂的性质多为脆性断裂。脆性断裂 : 是指断裂时不发生或发生较小的宏观塑性变形（小于 2%5%）的断裂。脆性断裂包括“ 一次性断裂” 和“ 疲劳断裂” 两种。一次性断裂： 是指在承受很大变形力或在冲击载荷的作用下，裂纹产生并迅速扩展所造成的断裂。其断口为 结晶状 。疲劳断裂 ： 是指在较低的应力下，经多次使用，裂纹缓慢扩

23、展后发生的断裂。其断口为 纤维状 。1、一次性断裂按裂纹扩展路径的走向，分为“穿晶断裂” 和“沿晶断裂” 两种类型。1 ）穿晶断裂穿晶断裂 ： 是一种因拉应力作用而引起的解理断裂（指沿特定晶面 的断21裂）。当模具材料韧性差，存在表面缺陷、承受高的冲击载荷时，易发生穿晶断裂。2 ）沿晶断裂沿晶断裂： 裂纹沿晶界面扩展而造成金属材料的脆断，称为沿晶断裂。基本原因 ：一方面是材料本身的原因，另一方面是环境介质或高温的促进作用。（1）晶界沿沉淀相造成的沿晶断裂晶界上的析出相通常是不连续的，呈球块状、棒状和树枝状，有时覆盖面可达 50的晶界面积，沉淀周围形成微孔，这些微孔在力的作用下扩展连通而形成裂纹

24、（图 325）。（2）杂质元素偏聚而造成的沿晶脆断杂质原子存在于晶界，降低品界键合能，当晶界的杂质元素含量达到某一水平时，脆性断裂的途径从解理面变为晶界。一般来讲，晶粒的晶界强度、晶内强度都随温度而变化，如图 326 所示。在某一温度时， 晶界强度 、晶内强度 相等，这一温度称为 等强温度 。温度大于等强温度，易产生沿晶断裂，温度小于等强温度，易产生穿晶断裂。222、疲劳断裂疲劳断裂： 模具在循环载荷的作用下服役一段时间后所引起的断裂称为疲劳断裂。根本原因：应力集中 和循环载荷。1）疲劳裂纹的萌生疲劳裂纹 产生的部位：总是在应力最高、强度最弱的部位上形成，模具的疲劳裂纹萌生于外表面、次表面，但

25、裂纹产生方式是各种各样的。（1）表面不均匀变形萌生裂纹模具在尺寸过渡、刀痕、磨损沟痕等处易产生应力集中；在循环应力的作用下，滑移带分布极不匀，且粗大，由于滑移的结果，在模具表面形成挤出峰和挤入槽，如图 327。在峰槽相交处，成为 疲劳裂纹的源 ，在循环应力连续作用下形成显微裂纹。（2）沿晶界萌生裂纹23金属在高温下，晶界强度往往低于晶内强度，在循环应力作用下，滑移带晶界上引起的应变不断增加，在晶界造成位错塞积，造成应力集中，当晶界处应力峰值达到断裂强度时，晶界开裂并形成微裂纹（图328）。材料的晶粒尺寸越大，晶内可能形成的位错塞积越长，晶界上的应变量越大，越容易形成疲劳裂纹。（3）沿夹杂和第二

26、相微裂纹萌生模具材料内非金属夹杂物不可避免的存在，另外，为了强化金属材料，常常采用第二相。如果夹杂物与基体联接紧密，且易同时参与变形，则不易在界面形成裂纹。硬度高于基体的夹杂物，粗大质点的夹质物，都易在夹杂物与基体界面上萌生裂纹。242）疲劳裂纹扩展疲劳裂纹的扩展分为两个阶段（图330）。（1）裂纹扩展的第一阶段裂纹萌生后，在循环载荷的作用下，沿滑移带的主滑移面向模具金属内部扩展，此滑移面的取向与拉应力轴呈450 角，当裂纹遇到晶界时，其位向会稍有偏移，但就总的走向来说，仍保持与拉应力轴呈450。第一阶段的扩展很浅，一般几微米到 100m左右。（2）裂纹的扩展第二阶段（稳定扩展阶段）当裂纹扩展

27、遇到了障碍（如晶界夹杂） ，就转向朝垂直于拉应力轴的方向扩展，这就是第二阶段扩展。应力集中 产生裂纹 造成新的应力集中 促进裂纹扩展 最后断裂。3 、冷热疲劳断裂（1）产生的原因对于热作模具， 工作时由于与热的坯料相互作用， 引起了模具表面温度 常升至 600900的范围。为了不使模具的强度下降，必须要对脱模后的模具 喷洒冷却剂 ，使其降温。这样周则复始，使模具表面反复经历 急冷忽热 的过程，于是模具表层便累积了相当的 循环热应力 ，该应力最终以准热疲劳的方式进行释放，形成 冷热疲劳裂纹 。至于高温氧化、冷却剂的腐蚀以及模具与高温坯料间的摩擦作用则更是加速了冷热疲劳的这一过程。（ 2）冷热疲劳裂纹形式 ：网状（龟裂状）、平行状 或放射状 。常出现在模具上受载荷较大和冷热温度变化最大之处， 是热作模具中最为常见的一种疲劳失效形式。25（二）模具断裂表现形式模具断裂表现为 局部掉块 和整个模具断裂成几大块 ，如图 322 所示。三、影响断裂失效的主要因素模具的断裂是由裂纹萌生及裂纹扩展两个过程来实现的，能对这两个过程产生影响的因素，也就是影响断裂失效的因素。（一）模具表面形状由于成形件结构与工艺的需要，模具零件存在截面突变凹槽、圆角半径及尖角。在这些部位，易产生应力集中，形成裂纹并导致断裂。因此，适当增大圆角半径、减小凹槽深度及截面突变 、能降低应力集中，减少断裂失效。（二）模具材