第二章 模具失效分析(模具材料)

第二章模具失效分析1失效的概念失效：指产品丧失规定的功能，包括规定功能的完全丧失，

也包括规定功能的降低。按经济观点失效的分类误用失效：产品未按规定条件使用而发生的失效。本质失效：产品因本身固有的弱点而发生的失效。早期失效：产品因设计、制造或检验方面的缺陷等而发生的失效（一般通过强化实验找出失效原因并加以排除）。偶然失效（随机失效）：产品因偶然因素而发生的失效（产品通常完全丧失功能，且无法判断什么时候发生）。正常损耗失效：产品因磨损、疲劳、老化、损耗等而发生的失效（产品的功能降低）。目的：明确失效造成损失的法律责任和经济责任2失效的概念按失效形式及机理失效的分类目的：找出失效原因，提出防护措施第一类变形失效过量弹性变形塑性变形蠕变超限第二类表面损伤失效表面磨损（如磨粒磨损、粘着磨损、氧化磨损、疲劳磨损等）表面腐蚀（如点腐蚀、晶间腐蚀、冲刷腐蚀、应力腐蚀等）疲劳磨损第三类断裂失效塑性断裂脆性断裂疲劳断裂蠕变断裂应力腐蚀断裂3失效分析的目的失效分析：指分析产品的失效原因，研究和采取补救措施及预防措施的技术与管理活动，再反馈于产品的生产和应用的过程。失效分析的目的：找出材料及构件失效的原因，提出预防或延迟失效的措施，避免和防止类似事故的发生，提高经济社会效益。找出导致材料及构件失效的主导因素和可控因素，采取相应措施，达到预防事故、保障安全的目的。加强企业全面质量管理，提高产品质量，改进操作、维修和设备管理工作，保证长期稳定和安全可靠地连续生产。为诉讼、索赔、责任仲裁问题及确认犯罪事实和保险事务等提供证据。为科学和技术决策指出方向。4失效分析涉及的学科5模具失效分析的主要任务：正确判断模具的失效形式，找出模具失效的原因及主要影响因素，提出防止模具失效的具体措施，并为新型模具材料的研制和新工艺的开发等提供指导性数据。模具失效分析的主要任务正确判断模具的失效形式：主要依据失效模具的形貌特征、应力状态、材料强度和环境因素等进行分析判断，并找出模具失效的原因及主要影响因素。提出防止模具失效的具体措施，主要从以下几个方面考虑：合理选择模具材料合理设计模具结构保证加工和装配质量严格控制模具质量模具表面强化处理合理使用、维护和保养模具6模具失效分析的步骤主要包括：对模具失效现场的保护观察模具失效的形式与部位了解生产设备的使用状况和操作工艺询问具体操作情况和模具的失效过程统计模具的使用寿命收集并保存失效的模具（保护断口）1、模具失效现场的调查与处理7模具失效分析的步骤采用化学成分分析、力学性能测定、金相组织分析、无损探伤等方法，复查原材料的化学成分和冶金质量。通过翻阅有关技术资料和检测报告、检查同批原材料、询问生产人员等方式，详细了解模具的材质状况、锻造质量、机械加工质量、热处理和表面处理质量、装配质量等情况，核实各个环节是否符合有关标准规定及模具设计和工艺上的技术要求。查阅模具工作记录、检修与维护记录、了解生产设备的工作状况及被加工坯料的实际情况，调查有关模具的使用条件和具体使用状况，了解模具按操作规程操作时有无异常现象等。2、模具材料、制造工艺和工作情况的调查8模具失效分析的步骤受载状况包括：载荷性质、载荷类型、应力分市、应力集中状况、是否存在最大应力以及最大应力的大小及分布等。工作温度包括：工作温度的高低、变化幅度、热应力的大小等。环境介质包括：介质种类、含量、均匀性及是否带有腐蚀性等。模具组织状态包括：模具的组织类型、组织的稳定性、组织应力的大小与分布等。主要包括：3、模具工作条件的分析9模具失效分析的步骤观察失效模具的损伤部位的表面形貌和几何形状、断口特征及模具的内部缺陷和组织结构，经过综合分析，找出模具失效的原因及导致模具失效的主要因素。模具失效的原因一般有模具的工作环境、模具质量、操作人员的水平和经验、生产管理制度等，其中最主要的是模具质量。因此，分析模具失效的原因时，应将重点放在主要影响模具质量的制造过程方面，包括模具材料的选择与冶金质量、模具的结构设计、毛坯锻造质量、机械加工质量、热处理工艺、模具装配精度和维护等。4、模具失效的综合分析10主要内容§2.1模具的失效形式§2.2影响模具失效的基本因素§2.3典型模具的服役条件和失效形式11模具类型模具名称常见失效形式冷作模具冷冲裁模磨损、崩刃、断裂冷拉深模磨损、咬合、划伤冷镦模脆断、开裂、磨损冷挤压模挤裂、疲劳断裂、塑性变形、磨损热作模具热锻模冷热疲劳、裂纹、磨损、塑性变形热挤压模断裂、磨损、塑性变形、开裂热切边模磨损、崩刃热镦模断裂、磨损、冷热疲劳、堆塌压铸模具有色金属压铸模热疲劳破坏、粘附、腐蚀黑色金属压铸模热疲劳破坏、塑性变形、腐蚀塑料模具热固性塑性压模表面磨损、吸附、腐蚀、变形、断裂热塑性塑料注射模塑性变形、断裂、磨损玻璃模具—热疲劳破坏、氧化模具的失效形式模具失效：指模具工作部分发生严重磨损或损坏而不能采用一般修复方法（如刃磨、抛磨等）使其重新服役的现象。不同种类的模具，因服役条件不同失效形式和特点也各不相同。模具的失效形式12摩擦：运动物体与物体（或介质）相互接触而阻碍相对运动的现象。磨损：接触表面间由于相对运动而发生物质减少的过程。摩擦是过程；磨损是摩擦的结果，是一种材料损耗现象。磨损失效：模具工作过程中与工件表面接触构成摩擦副，产生相对运动而造成磨损，磨损失效是指当磨损使模具尺寸发生变化或改变模具表面状态致使模具不能正常工作的现象。磨损不是一个简单的力学过程，而是力学、物理和化学过程的综合。根据磨损破坏机理，磨损可分为磨粒磨损（各类磨损造成的经济损失中，所占比例高达50%）、粘着磨损（所占比例约15%）、腐蚀磨损（包括冲蚀磨损、气蚀磨损，所占比例约13%）、疲劳磨损、微动磨损等。2.1.1磨损失效13典型磨损过程的三个阶段磨合（跑合）磨损阶段：因接触表面总有一定的粗糙度，刚开始接触时真实接触面积较小，磨损率较高，随着真实接触面积增大表面被逐渐磨平，磨损速率减小。稳定磨损阶段（正常工作阶段）：磨损速率稳定，且较低。通常根据这一阶段的磨损速率或磨损量评价材料的耐磨性。剧烈磨损阶段：因接触表面间间隙逐渐增大，接触表面质量降低，引起剧烈振动，导致磨损速率急剧增加。2.1.1磨损失效典型磨损过程的三个阶段14磨粒磨损表面的形貌2.1.1.1磨粒磨损磨粒磨损：指模具与工件相对运动时，工件表面的硬凸出物或外来硬质颗粒刮擦模具表面，引起模具表面材料脱落的现象。前者称为两体磨粒磨损，后者称为三体磨粒磨损。磨粒磨损表面的主要特征：有擦伤或明显的沟槽（犁皱）。两体磨粒磨损三体磨粒磨损（又称磨料磨损）1、磨粒磨损的概念15采用模具工件时，因模具的硬度比工件高，磨粒首先被压入工件内，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）而随着工件运动，磨粒将耕犁或犁皱工件。2.1.1.1磨粒磨损1、磨粒磨损的概念16(1)微观切削磨损机理切向力Fx使磨粒向前推进；法向力Fy使磨粒压入材料表面，形成压痕。当磨粒棱角锐利且与材料表面具有合适的角度以及材料表面塑性高时，磨粒受切向力作用时如同刀具将摩擦表面材料剪切下来，在材料表面留下长而浅的犁沟（沟槽）。在显微镜下观察，这种条件下形成的切屑很小，具有机床切屑的特点，故称为微观切削。F—在材料表面上的作用力Fx—与材料表面平行的切向分力Fy—与材料表面垂直的法向分力磨粒磨损过程的示意图常见的磨损机理2.1.1.1磨粒磨损2、磨粒磨损的机理17当磨粒较圆钝、凸出部分高度较小，或材料表面塑性较高时，磨粒不是切削材料而是沿材料表面滑行，将表面材料推向磨粒运动的两侧或前沿，产生未脱离母体材料的堆积，同时材料表面发生很大的塑性变形，形成犁沟（或犁皱）。多次塑变磨损的示意图随后的摩擦将堆积部分重新压平，已变形的沟底材料再次被犁皱变形。如此反复塑性变形、堆积和压平，导致金属表面产生加工硬化和形成裂纹，最终剥落而成为磨屑。多次塑性变形后形成的磨屑呈块状或片状，且在金属材料表面可观察到反复塑性变形和辗压后的层状折痕以及一些台阶、压坑及二次裂纹等。2.1.1.1磨粒磨损2、磨粒磨损的机理(2)多次塑变磨损机理18疲劳磨损：指接触表面在磨粒产生的循环接触应力作用下，使表面材料因疲劳而发生剥落的现象。模具与工件的相对运动过程中，模具的表面与亚表面需承受多变的接触应力和切应力，在这些应力反复作用下，模具表面会发生局部塑性变形和冷加工硬化现象，那些相对薄弱的地方，因应力集中而形成裂纹源，并在外力作用下扩展，当裂纹扩展到金属表面并相互交叉时，便形成磨屑。2.1.1.1磨粒磨损2、磨粒磨损的机理(3)疲劳磨损机理19磨粒与脆性材料表面接触时，材料表面因受到磨粒的压入作用而形成裂纹，当裂纹相互交叉或扩展到材料表面时发生剥落形成磨屑。微观断裂造成的材料损失率最大。以上各种磨粒磨损机理均只能解释部分磨粒磨损特征，不能解释所有磨粒磨损现象。磨粒磨损过程可能是磨粒对材料接触表面产生的切削作用、塑性变形和疲劳破坏作用或材料呈脆性的结果，还可能是它们综合作用的反映，而其中的某一种磨损机理可能起主要作用。当工况条件发生变化时，磨粒磨损机制也可能随之变化。2.1.1.1磨粒磨损2、磨粒磨损的机理(4)微观断裂（剥落）磨损机理20理想的磨粒磨损模型F—与材料表面垂直的法向载荷Θ—凸出部分的圆锥面与软材料平面间的夹角r—凸出部分圆锥面与软材料的接触面的半径l—摩擦副相对滑动的距离在法向载荷F作用下，硬材料的凸出部分或磨粒（假设为圆锥体）被压入软材料中。当作用在凸出部分或磨粒上的压缩应力等于软材料三向压缩屈服强度（3σs）时，凸出部分或磨粒的压入会停止，此时摩擦副相对滑动距离l时，凸出部分或磨粒切削下来的软材料体积即磨损量V为若软材料的屈服强度σs与硬度Hk成正比，即，则磨损量为↑Hk，↓F→↓V2.1.1.1磨粒磨损3、切削作用下磨粒磨损量的计算21(1)磨粒尺寸与几何形状材料表面的体积磨损量随磨粒尺寸↑而↑，但当磨粒尺寸超过一定值后，体积磨损量增幅明显减小。当磨粒的棱角尖锐且凸出部分较高时，材料表面磨损率较大；当磨粒棱角不尖锐且凸出部分较小时，材料表面磨损率较小。影响磨粒磨损的因素十分复杂2.1.1.1磨粒磨损4、影响模具磨粒磨损的主要因素22(2)磨粒硬度与材料硬度比值I区（低磨损区）材料磨损体积与磨粒硬度/材料硬度之比的关系曲线软磨粒磨损区，磨损量小，磨损量随着硬度比增加增幅不明显。磨损是通过疲劳、表面严重塑性变形而发生的，此时硬度是次要因素，提高材料硬度对提高其耐磨性作用不大。磨损体积与磨粒/材料的硬度比的关系磨损体积疲劳严重变形软磨粒磨损硬磨粒磨损硬度控制AB磨粒硬度Ha/材料硬度Hk之比A：Ha/Hk=0.7~1.1B：Ha/Hk=1.3~1.72.1.1.1磨粒磨损4、影响模具磨粒磨损的主要因素23实验结果：↑材料硬度Hk，使Hk/Ha↓，可↓磨粒磨损量。实际经验：当Hk≈1.3Ha时，可达到↓磨粒磨损量的目的，这是由于Hk高于一定值时，抗磨粒磨损能力不会再得到更显著的改善。磨损量随硬度比增加急剧增加III区（高磨损状态）硬磨粒磨损，磨损量大，但磨损量随硬度增幅很缓慢磨损是通过磨粒嵌入表面形成沟槽而发生的，硬度是控制因素II区（过渡磨损区）2.1.1.1磨粒磨损4、影响模具磨粒磨损的主要因素(2)磨粒硬度与材料硬度比值材料磨损体积与磨粒硬度/材料硬度之比的关系曲线磨损体积与磨粒/材料硬度比的关系磨损体积疲劳严重变形软磨粒磨损硬磨粒磨损硬度控制AB磨粒硬度Ha/材料硬度Hk之比A：Ha/Hk=0.7~1.1B：Ha/Hk=1.3~1.724金属材料的抗磨粒磨损能力与其硬度H/弹性模量E之比有关。H/E比值越大，在相同接触压力下弹性变形量↑。由于接触面积↑，单位法向载荷反而↓，致使沟槽深度↓，堆在沟槽两侧的材料↓，故磨粒磨损量↓。弹性模量E对组织是不敏感的，故材料的抗磨粒磨损能力主要与材料硬度成正比。一般而言，材料硬度越高，抗磨粒磨损能力越强。金属材料的抗磨粒磨损能力（相对耐磨性）与材料硬度的关系2.1.1.1磨粒磨损4、影响模具磨粒磨损的主要因素(3)模具材料的组织与性能Cr12冷作模具钢(高碳高铬型莱氏体钢)25纯金属和未热处理钢：抗磨粒磨损能力与硬度成线性关系，且直线通过原点。热处理钢：抗磨粒磨损能力也与硬度成线性关系，但直线斜率比纯金属的小。在相同硬度条件下，热处理钢的抗磨粒磨损能力反而低于纯金属，故硬度不是影响磨粒磨损的唯一因素。硬度相同时，钢中C含量越高，碳化物形成元素越多，抗磨粒磨损能力越强。金属材料的抗磨粒磨损能力（相对耐磨性）与材料硬度的关系2.1.1.1磨粒磨损4、影响模具磨粒磨损的主要因素(3)模具材料的组织与性能26金属材料的耐磨性、硬度和断裂韧性之间的关系示意图模具材料的断裂韧性也影响其抗磨粒磨损能力。金属材料的抗磨粒磨损能力与其硬度、断裂韧性KIC的关系：I区：磨损受断裂过程控制，耐磨性随KIC↑而↑II区：硬度与KIC配合最佳，耐磨性最好III区：磨损受塑性变形控制，耐磨性随硬度↓而↓2.1.1.1磨粒磨损4、影响模具磨粒磨损的主要因素(3)模具材料的组织与性能27钢铁材料的各种基体组织的抗磨粒磨损能力钢铁材料的基体组织由铁素体逐步转变为珠光体、贝氏体、马氏体时，耐磨性逐渐↑；在相同硬度下，下贝氏体的耐磨性优于回火马氏体。残余奥氏体较多且应力较低时，耐磨性一般较差，但应力增加时，残余奥氏体转变为马氏体，↑模具的耐磨性。在低应力磨粒磨损条件下，材料的磨损量与接触压力成正比，与材料硬度成反比，要求钢具有高的硬度和好的耐磨性；在高应力磨粒磨损（多发生在高能量冲击载荷工况下）条件下，高的应力足以破碎磨粒，使材料表面发生加工硬化，材料加工硬化能力越强硬度越高，抗磨粒磨损能力↑，如高锰耐磨钢。2.1.1.1磨粒磨损4、影响模具磨粒磨损的主要因素(3)模具材料的组织与性能28随着模具与工件表面间的接触压力↑，磨粒压入材料表面的深度↑，磨粒磨损量越大。但当接触压力达到一定数值后，由于磨粒尖角变钝，使磨粒磨损量增加得以变缓。工件厚度越大，磨粒嵌入工件的深度越大，模具的磨粒磨损量减小。2.1.1.1磨粒磨损4、影响模具磨粒磨损的主要因素(4)模具与工件表面间的接触压力(5)工件厚度29对于低应力磨粒磨损，应选择含C量高的模具钢，并进行热处理获得回火马氏体组织，↑模具表面硬度。对于重载荷或大冲击载荷工况下的磨粒磨损，模具钢基体组织最好是高硬度、良好韧性的下贝氏体，也可选择韧性好的模具钢，进行表面强化处理，↑模具的表面硬度和耐磨性。采用合金钢时，通过控制热处理工艺改变碳化物的数量、分布及形态，可↑模具的抗磨粒磨损能力。对模具表面进行润滑、防尘等保养，可↓模具的磨粒磨损量。确定模具的硬度要求时，应以模具材料的硬度为磨粒硬度的1.3倍为依据。硬度相同时，模具钢中含C量越高、碳化物形成元素越多，抗磨粒磨损能力越强。2.1.1.1磨粒磨损5、提高钢制模具抗磨粒磨损能力的措施30粘着磨损：指由于模具与工件表面凹凸不平，两者相对运动时接触表面局部发生粘着，在随后相对运动中粘着点被剪断、拉开并转移到一方材料表面，然后脱落下来形成磨屑的现象。粘着磨损表面的主要特征磨损产物多呈片状或小颗粒，粘着磨损表面出现大小不等的结疤。粘着磨损表面有细小的划痕，沿滑动方向可能形成交替的裂口、凹穴。模具与工件间有材料转移，表层组织和成分均有明显变化。粘着磨损表面的形貌2.1.1.2粘着磨损（又称咬合磨损）1、粘着磨损的概念31第1层：氧的物理吸附层第2层：氧的化学吸附层第3层：塑性变形层材料经机械加工后在大气中的表层结构金属与周围空气中的氧交互作用而形成的干摩擦条件下，两摩擦表面直接接触；边界摩擦条件下，因边界膜4的厚度<两摩擦表面的粗糙度之和，两摩擦表面间仍有局部接触；液体摩擦条件下，润滑油膜4的厚度>两摩擦表面的粗糙度之和，两摩擦表面间不直接接触。接触载荷较小时，金属表面吸附的氧化膜能起到防止纯金属新鲜表面直接接触而发生粘着。2.1.1.2粘着磨损2、粘着磨损的机理——摩擦机理机械加工引起的32模具与工件作相对运动时，因模具与工件表面微观上是凹凸不平的，实际接触面积远小于名义接触面积，在法向载荷作用下某些接触点承受的接触应力>材料压缩屈服强度足以引起挤压塑性变形，并使接触点处的润滑油膜、氧化膜发生破裂，致使模具与工件直接接触而发生强烈粘着（冷焊）。在随后的相对滑动中，刚形成的粘着点被剪断、拉开并转移到摩擦副一方材料表面，然后脱落下来形成磨屑，之后又在其它地方形成新的粘着点，如此粘着—剪断—脱落—再粘着不断地循环，就构成了粘着磨损过程。总之，粘着磨损过程是粘着点不断形成又不断被破坏并脱落的过程。2.1.1.2粘着磨损2、粘着磨损的机理——摩擦机理33第1阶段：接触表面凸起因塑性变形被碾平，并在接触表面间形成剪切强度较高的分界面。第2阶段：在远离分界面摩擦副一方的本体内发生断裂，导致脱落碎屑转移到摩擦副另一方的表面。第3阶段：转移的碎屑脱落形成磨屑。粘着磨损过程可分为3个阶段：粘着磨损过程的示意图2.1.1.2粘着磨损2、粘着磨损的机理——摩擦机理343、阿查得（J.F.Archard）提出的粘着磨损量估算方法摩擦副接触处为三向压缩应力状态，接触压缩屈服强度≈单向压缩屈服强度σs的3倍，当接触处压应力>3σs时会发生塑性变形，随后因加工硬化而使变形终止。此时，外加载荷实际上是作用在接触点真实面积上。设真实接触面积为A，接触压缩屈服强度为3σs，则作用于接触表面上的法向载荷F为假设磨屑呈半球形，直径为d。在任一瞬间有n个粘着点，所有粘着点尺寸相同，直径也均为d，则真实接触面积A为将式(2)代入式(1)，得2.1.1.2粘着磨损(1)(2)(3)35假设每一粘着点滑过距离也为d，单位滑动距离内形成的粘着点数N为由于从摩擦副较软一方表面脱离下来的碎屑不一定全部成为磨屑，有些碎屑也可能粘附于摩擦副较硬一方的表面上，因此，磨屑的形成存在几率问题。假设磨屑形成几率为K，则单位滑动距离内的粘着磨损体积为2.1.1.2粘着磨损3、阿查得（J.F.Archard）提出的粘着磨损量估算方法(5)(4)36将式(5)代入式(4)得将上式积分，且材料的单向压缩屈服强度σs与硬度Hk之间满足关系式Hk=ασs，由此可获得总滑动距离lt内材料的粘着磨损体积V为式中：—总滑动距离、—材料的单向压缩屈服强度、硬度—磨屑形成几率—材料的硬度与强度之比—作用于接触表面的法向载荷↑Hk(σs)，↓F→↓VV与表观接触面积无关2.1.1.2粘着磨损3、阿查得（J.F.Archard）提出的粘着磨损量估算方法(6)37当其它条件相同时，若摩擦副较软一方的抗压屈服强度较高，则因难于塑性变形不易粘着转移而使磨损减小。但是，若屈服强度σs（Hk）一定，材料塑性较好，则在相同法向载荷F作用下可产生较大塑性变形，使真实接触面积增加，单位面积上的法向载荷随之下降，从而使粘着磨损量下降。这意味着材料的粘着磨损量与其塑性成反比，因此上式可改写为式中：—总滑动距离—材料的单向压缩屈服强度—磨屑形成几率—材料的延伸率—作用于表面的法向载荷粘着磨损量随摩擦副较软一方材料的屈服强度和延伸率↑而↓2.1.1.2粘着磨损3、阿查得（J.F.Archard）提出的粘着磨损量估算方法38接触表面发生粘着以后，根据运动产生的切应力、接触处粘合强度、材料本体强度三者间的不同关系会发生不同形式的破坏，粘着磨损也有不同的形式，如轻微粘着磨损、一般粘着磨损、擦伤磨损和胶合磨损。轻微粘着磨损：当粘结处强度低于摩擦副两材料的剪切强度时，剪切发生在结合界面上，此时虽然摩擦系数增大，但粘着磨损量却很小，材料转移也不显著。当材料表面有氧化膜、硫化膜或其它涂层时，易发生轻微粘着磨损。一般粘着磨损：当粘结处强度高于摩擦副中较软材料的剪切强度时，剪切破坏发生在离结合界面不远的软材料表层内，因而软材料转移到硬材料表面上。一般粘着磨损的摩擦系数与轻微粘着磨损的差不多，但磨损程度增加。2.1.1.2粘着磨损4、粘着磨损的分类39擦伤磨损：当粘结处强度高于摩擦副两材料的剪切强度时，剪切破坏主要发生在软材料表层内，有时也发生在硬材料表层内。转移至硬材料上的粘着物又使软材料表面出现细而浅的划痕，有时硬金属表面也有擦伤的现象。胶合磨损：当粘结处强度远高于摩擦副两材料的剪切强度，且粘结处面积较大时，剪切破坏发生在对磨材料的基体内。此时，两表面出现严重磨损，甚至使摩擦副之间咬死而不能相对滑动。2.1.1.2粘着磨损4、粘着磨损的分类40脆性材料的抗粘着磨损能力高于塑性材料。一般情况下，脆性材料的破坏是由正应力引起的，塑性材料的破坏是由切应力引起的，表面接触中最大正应力出现在表面，最大切应力出现在次表面，故脆性材料的抗粘着磨损能力更强。材料匹配：互溶性大的材料（相同金属或晶格类型、点阵参数、电子密度、化学性质相近的金属材料）组成的摩擦副粘着倾向大；化合物的粘着倾向比固溶体小，金属与非金属组成的摩擦副比金属与金属组成的摩擦副难以粘着。组织结构：多相金属比单相金属粘着倾向小。2.1.1.2粘着磨损5、影响模具粘着磨损的主要因素(1)材料特性41摩擦元素在元素周期表中的位置：Fe与副族元素不相溶或形成化合物，粘着倾向小；Fe与主族元素组成的摩擦副粘着磨损倾向大。从粘着磨损机理来看，选择与工件材料互溶性小的模具材料，可↓模具与工件间的相溶性，↓粘着磨损量；↑模具硬度可↓模具粘着磨损量；↑模具韧性，可延缓模具断裂过程，↓模具粘着磨损量。2.1.1.2粘着磨损5、影响模具粘着磨损的主要因素(1)材料特性422.1.1.2粘着磨损模具与工件间的接触压力一定时,粘着磨损量随着滑动速度↑而↑,但达到某一极值后,又随滑动速度↑而↓。这可能是由于随着滑动速度↑接触表面温度升高，使材料剪切强度↓和塑性变形不能充分进行延缓粘着点长大，前者使磨损量↑，后者使磨损量↓，因此，在这两个因素共同作用下磨损量与滑动速度的关系曲线上出现极大值。磨损量与滑动速度的关系磨损量随滑动速度的变化可能与磨损类型变化有关：随着滑动速度↑，磨损类型由氧化磨损转化为粘着磨损，又从粘着磨损转化为氧化磨损，最终恢复为粘着磨损。

5、影响模具粘着磨损的主要因素(2)滑动速度43滑动速度一定时，粘着磨损量随接触压力↑而↑。当接触压力小于材料硬度的1/3时，粘着磨损量与接触压力成正比且较小；当接触压力超过材料硬度的1/3时，粘着磨损量急剧增加，严重时甚至发生咬死现象。但当接触压力很大时，接触表面温度很高，粘着部分不易冷却，剪切发生在接触面，磨损量下降。随着接触压力增加，磨损形式由氧化磨损转变为粘着磨损，再转化为氧化磨损。模具设计中，许用接触压力必须低于材料硬度的1/3，以免发生严重粘着磨损。磨损量与接触载荷的关系粘着磨损系数与接触压力关系2.1.1.2粘着磨损5、影响模具粘着磨损的主要因素(3)模具与工件表面间的接触压力44选择与工件材料相溶性小、粘着倾向小的模具材料，可↓模具与工件之间的粘着磨损倾向。采用合适的润滑剂进行润滑，防止模具与工件直接接触，可大幅度↑模具的抗粘着磨损能力。对模具进行表面强化处理，改变模具的表层组织结构及模具与工件之间的互溶性质，避免同类金属相互摩擦，可↓粘着磨损倾向。调整模具与工件间的接触压力。模具与工件间的接触压力低于材料硬度的1/3，可防止模具与工件之间发生严重粘着磨损。2.1.1.2粘着磨损6、提高模具抗粘着磨损能力的措施45疲劳磨损：指模具与工件相对运动时，在交变接触应力长期作用下，模具工作表面因疲劳损伤而导致局部区域发生小片或小块状剥落的现象。疲劳磨损表面的主要特征出现许多小针状或痘状凹坑；有时凹坑较深，呈贝壳状，有疲劳裂纹扩展线的痕迹。疲劳磨损表面的形貌2.1.1.3疲劳磨损1、疲劳磨损的概念（又称接触疲劳、点蚀）46模具与工件相对运动时，在外力作用下模具的表层和次表层需承受多变的接触压力和切应力，这些应力反复作用一定周次后，模具表层和次表层会发生局部塑性变形和加工硬化。在那些相对薄弱的地方，由于应力集中而形成裂纹源，在外力作用下沿着切应力方向或夹杂物走向扩展。当裂纹扩展到模具表面或与纵向裂纹相交时，形成磨损剥落。疲劳磨损过程2.1.1.3疲劳磨损2、疲劳磨损的机理疲劳磨损过程包括裂纹萌生、裂纹扩展、磨损剥落三个阶段。47(1)麻点剥落多发生在滚动兼有滑动的条件下初始裂纹形成初始裂纹扩展二次裂纹形成二次裂纹扩展形成磨屑锯齿形表面麻点剥落形成示意图滚动接触过程中，因表面最大综合切应力反复作用，模具表层局部区域发生塑性变形并伴有形变强化。由于损伤逐步累积，当表面最大综合切应力高于材料剪切强度时，在表层萌生裂纹。裂纹形成后，润滑油被反复挤入并封闭在裂纹内。裂纹内的高压油使裂纹沿与滚动方向呈小于45º倾角向前扩展。有滑动摩擦时，摩擦力越大，倾角越小。当裂纹扩展一定深度后，因裂纹尖端的应力集中，在该处产生与初始裂纹垂直的二次裂纹。二次裂纹受高压油作用向表面扩展，最终形成深度0.1~0.2mm的小块剥落。2.1.1.3疲劳磨损2、疲劳磨损的机理48实践表明，当表面接触应力较小、摩擦力较大或表面质量较差（如脱碳、烧伤、淬火不足、有夹杂物等）时，易产生麻点剥落。前者是由于表面最大综合切应力过高，后者是由于材料剪切强度过低。提高模具抗麻点剥落能力的措施↑模具表面的塑性变形抗力，如采用表面淬火、化学热处理↓工件表面粗糙度，↓摩擦力和表面堆积概率↑润滑油的黏度，↓油楔的作用2.1.1.3疲劳磨损2、疲劳磨损的机理(1)麻点剥落麻点剥落发生的两种情况表层切应力高表层材料强度低492.1.1.3疲劳磨损纯滚动或摩擦力很小时，次表层需承受最大的切应力，塑性变形最剧烈。在交变接触应力反复作用下，变形层内产生位错塞积和空位，逐步形成裂纹。裂纹经常出现在非金属夹杂物附近，先沿非金属夹杂物平行于表面扩展，后在外界滚动及摩擦力作用下又产生与表面成一倾角的二次裂纹，二次裂纹扩展至表面，一端形成悬臂梁，最后因反复弯曲而断裂，形成盆状剥落凹坑，深度一般为0.2~0.4mm。多出现在表面粗糙度高、相对滑动小（即摩擦力小）的场合2、疲劳磨损的机理(2)浅层剥落剥层磨损形成示意图浅层剥落裂纹产生于次表层（0.786b）b为接触面宽度50提高模具抗浅层剥落能力的措施↑模具的塑性变形抗力，如进行整体强化或表面强化，使模具次表层的剪切强度尽可能↑。一般认为，最大切应力与材料强度之比小于0.55时，可防止发生疲劳磨损。↑模具材料的纯净度，↓夹杂物含量。2.1.1.3疲劳磨损2、疲劳磨损的机理(2)浅层剥落51一般经表面强化处理的材料，若硬化层深度不足，则裂纹源多位于硬化层与基体的交界处（过渡区）。该处切应力虽不是最大，但因过渡区是弱区，切应力可能高于材料强度而在该区域优先萌生裂纹。裂纹形成后，先平行于表面（沿过渡区）扩展，再垂直于表面扩展，最终形成较深的剥落坑。硬化层内裂纹萌生的示意图深层剥落裂纹产生于过渡区的分析2、疲劳磨损的机理(3)深层剥落（压碎性剥落）2.1.1.3疲劳磨损52提高模具抗深层剥落能力的措施↑模具表面硬化层的厚度↑模具材料基体组织的强度2.1.1.3疲劳磨损2、疲劳磨损的机理(3)深层剥落（压碎性剥落）53非金属夹杂物（即钢的冶金质量）2.1.1.3疲劳磨损3、影响钢制模具疲劳磨损的主要因素(1)内部因素模具钢中的非金属夹杂物分为塑性的（如硫化物）、脆性的（如氧化铝、硅酸盐、氮化物等）和球状的（如硅钙酸盐、铁锰酸盐等）三类。脆性、带棱角的氧化物、硅酸盐夹杂对模具接触疲劳寿命危害性最大，这是由于其与钢中基体组织交界处的弹塑性变形不协调，引起应力集中，在脆性夹杂边缘最易形成微裂纹，从而降低模具的接触疲劳寿命。塑性硫化物夹杂，易随基体组织一起塑性变形，当包覆氧化物夹杂形成共生夹杂时，可降低氧化物夹杂的破坏作用。一般而言，钢中夹杂物越少即纯净度越高，接触疲劳寿命越长。54热处理组织状态2.1.1.3疲劳磨损3、影响钢制模具疲劳磨损的主要因素(1)内部因素马氏体的含C量。接触疲劳裂纹的萌生与钢的切断抗力有关，裂绞扩展与钢的正断抗力有关。为了提高钢的接触疲劳强度，应保证钢的切断抗力，并兼顾正断抗力，即钢应具有适当高的硬度。一般认为，热处理后马氏体中含C量为0.4~0.5%较适宜，接触疲劳寿命最高。当模具需承受较大的冲击载荷时，C含量可取下限值。轴承钢的马氏体含碳量对接触疲劳寿命的影响对于表面强化处理的模具，为防止表层压碎或产生次表层裂纹，表面硬化层应有一定厚度，心部应有足够硬度（35~40HRC为宜）。55热处理组织状态2.1.1.3疲劳磨损3、影响钢制模具疲劳磨损的主要因素(1)内部因素马氏体和残余奥氏体级别。渗碳钢淬火，因工艺不同可得到不同级别的马氏体和残余奥氏体。若残余奥氏体越多，马氏体针越粗大，则表层有益的残余压应力和渗碳层强度越低，易产生显微裂纹，降低接触疲劳寿命。因此，对含C量较高的模具钢，淬火温度不宜过高，回火温度不宜过低。未溶碳化物。若不是为了提高耐磨性的需要，则应通过适当热处理，改善钢中未溶碳化物的形状、尺寸及分布，使其尽可能趋于小、少、均、圆，从而提高模具的接触疲劳寿命。带状碳化物。带状碳化物及其附近富碳区生成的针状马氏体，易成为接触疲劳裂纹的发源地，降低接触疲劳寿命，应通过锻造和热处理加以改善。56表面硬度与心部硬度2.1.1.3疲劳磨损3、影响钢制模具疲劳磨损的主要因素(1)内部因素在一定硬度范围内，模具的接触疲劳抗力随硬度升高而提高，但不成正比关系。模具表面脱碳会降低表面硬度，并使表面易形成非马氏体组织，改变表面残余应力分布而形成残余拉应力，从而降低接触疲劳寿命。但表面形成一层极薄的（0.1~0.3mm）均匀脱碳层或残余奥氏体层，虽会降低表面硬度，但因表面产生微量塑性变形和增加接触面积，减少应力集中，反而可提高接触疲劳寿命。对于渗碳处理模具，若心部硬度太低，则表层硬度梯度太陡，易在过渡区内萌生裂纹而产生深层剥落。轴承钢的接触疲劳寿命与硬度的关系57表面硬化层深度2.1.1.3疲劳磨损3、影响钢制模具疲劳磨损的主要因素(1)内部因素为防止模具表层产生早期麻点剥落或深层剥落，表面硬化层有一较合适的厚度。表层残余内应力模具表层有一定的残余压应力时，可提高模具接触疲劳寿命。582.1.1.3疲劳磨损3、影响钢制模具疲劳磨损的主要因素(2)外部因素表面粗糙度减少模具表面冷热加工缺陷，降低表面粗糙度，可提高接触疲劳寿命，尤其是接触应力高时效果更显著。硬度匹配模具与工件的硬度匹配不当，直接影响模具的接触疲劳寿命。润滑条件提高润滑油的黏度，在润滑油中加入某些添加剂，使其在接触表面形成不易破坏的油膜，可延缓接触疲劳损伤过程。59↑模具钢冶金质量，或在模具钢中引入适量塑性硫化物夹杂，并使其包覆脆性氧化物夹杂形成共生夹杂，降低氧化物的破坏作用，可↑模具的抗疲劳磨损能力。对基体组织为马氏体的模具钢，细化碳化物并使其呈球状均匀分布，使马氏体、残余奥氏体和未溶碳化物在数量之间实现最佳匹配，可大幅度↑模具的抗疲劳磨损能力。合理选择表面硬化工艺，如进行喷丸、滚压等处理，使模具的工作表面因受压变形而产生一定的残余压应力，有利于↑模具的抗疲劳磨损能力。改善模具表面状态，减少冷热加工缺陷，降低表面粗糙度，降低摩擦系数，也是↑模具抗疲劳磨损能力的有效措施。例如，在模具表面电镀一层锡、铜等软金属，模具与工件接触时，表层软金属可封住裂纹开口，阻止润滑油侵入使裂纹进一步扩展，从而↑模具的抗疲劳磨损能力。2.1.1.3疲劳磨损4、提高钢制模具抗疲劳磨损能力的措施602.1.1.4腐蚀磨损腐蚀磨损：模具工作过程中模具表面同时与周围环境介质发生化学或电化学反应，在腐蚀和机械摩擦交互作用下而引起模具表层材料脱落的现象。根据腐蚀磨损机理，模具的腐蚀磨损又分为氧化磨损、特殊介质腐蚀磨损、冲蚀磨损（又称侵蚀或侵蚀磨损）、微动磨损等。1、腐蚀磨损（又称腐蚀机械磨损）的概念612.1.1.4腐蚀磨损氧化磨损：模具工作过程中表面同时与氧接触发生反应，在氧化和机械摩擦交互作用下而引起模具表层材料脱落的现象。氧化磨损的机理：模具与工件表面总有一定的氧吸附层，两者作相对运动时，因接触表面凹凸不平，凸起部位承受的接触应力超过模具材料的屈服强度时发生塑性变形，塑性变形加速氧向材料内部扩散，从而形成氧化膜。由于氧化膜的强度低，接触表面继续作相对运动时，氧化膜发生剥落，裸露出新表面，从而又发生氧化形成氧化膜，随后氧化膜又发生剥落。如此循环，模具表面被逐渐磨损，这就是模具的氧化磨损过程。氧化磨损的磨损速率最小，属于正常类型的磨损。氧化磨损不一定是有害的，例如，当氧化磨损先于其它类型磨损如粘着磨损发生，氧化磨损是有利的。采用发蓝、磷化、渗硫等处理，可提高模具的抗氧化磨损能力。2、氧化磨损的概念及机理622.1.1.4腐蚀磨损冲蚀磨损：指流体或固体颗粒（粒径通常<1um）以一定速度和角度对模具表面进行冲击，使模具表面局部受损而形成麻点或凹坑的现象，也称为“侵蚀”或“侵蚀磨损”。3、冲蚀磨损的概念及机理根据流体介质种类，冲蚀磨损可分为气固冲蚀磨损、液固冲蚀磨损、液滴冲蚀磨损和气蚀磨损。影响模具冲蚀磨损速率的主要因素环境因素：如冲蚀速度、冲角、冲蚀时间、环境温度等固体颗粒性质：如硬度、形状、粒度、破碎性等模具材料特性：如力学性能、组织结构、物理化学性能等冲蚀磨损的产生632.1.1.4腐蚀磨损气蚀磨损：因模具表面的气泡发生破裂而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。注塑模和压铸模易发生气蚀磨损。热作模具使用易燃性润滑剂进行冷却时，也会发生气蚀磨损。3、冲蚀磨损的概念及机理气蚀磨损的机理：当液体与模具接触处的局部压力低于液体的蒸气压时，会形成气泡。同时，溶解在液体中的气体也可能析出形成气泡。如果这些气泡承受的压力超过气泡内压力，气泡会发生破裂。在气泡的形成和破裂的反复作用下，模具浅表层将萌生疲劳裂纹，最后扩展至表面，局部金属脱离表面或气化而形成泡沫海绵状空穴。气蚀磨损不仅影响模具尺寸精度和表面质量，也可能是裂纹源，选用不易燃的冷却润滑介质和添加剂可减少气蚀磨损。气蚀磨损的产生642.1.1.4腐蚀磨损微动磨损：在外部变动载荷和振动影响下，模具的嵌合部位或过盈配合处虽不发生宏观相对位移，但发生微小（<102um）的相对滑动（切向振动）而造成模具损伤的一种磨损现象。微动磨损的机理：模具的嵌合部位或过盈配合处在预紧压力作用下，当存在变动载荷时，接触表面的凸起部位发生塑性变形和局部温度升高，随之引起粘着（或焊合），粘着点发生断裂形成的磨屑不易向外排出，被氧化形成等氧化物（如Fe2O3）留在该处而充当磨粒，并导致磨粒磨损。如此循环，在粘着磨损、磨粒磨损和氧化磨损综合作用下，接触表面局部深层脱落，形成应力集中，严重者引起模具疲劳断裂。因此，微动磨损实质上是一种复合磨损。微动磨损产生示意图4、微动磨损的概念及机理652.1.1.4腐蚀磨损为了减少和防止模具微动磨损，应在模具设计、选材和制备工艺上采取相应措施。设计上，防止过渡配合处模具零件间的松动，如增加配合压力、提高加工工精度等；尽量减少过渡配合处的应力集中，如在过渡配合处附近开设圆滑过渡的卸载台阶、卸载槽等。选材上，尽量避免选用相同的配对材料，并考虑材料对微动磨损的敏感性。工艺上，采用表面滚压、喷丸等表面形变强化处理，采用渗碳、渗氮、碳氮共渗、渗硫、电镀镉等改变表层成分和性能的表面处理，均能提高模具的抗微动磨损能力。4、微动磨损的概念及机理66模具与工件(或坯料)作相对运动时，摩擦磨损情况极为复杂，影响因素众多，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，如微动磨损就是一种典型的综合磨损。然而，根据工况条件、环境条件、磨损表面形貌及磨损碎屑，通过调查、检验、研究和分析，可找出模具磨损失效的原因，提出防止及减少模具磨损的有效措施。2.1.1.5磨损的交互作用672.1.2断裂失效断裂失效：指模具工作过程中出现较大型纹或部分分离而丧失正常服役能力的现象。模具断裂通常表现为产生局部掉块或整个模具断成几个部分。最严重的失效形式模具的断裂形式

折断

劈裂

掉块

深热裂龟裂682.1.2断裂失效断裂失效的分类按断裂前产生的宏观塑性变形大小分为：脆性断裂、韧性断裂按裂纹扩展路径分为：穿晶断裂、沿晶断裂按断裂机理分为：解理断裂、剪切断裂（又分为纯剪切断裂、微孔聚集型断裂）按断口宏观取向与最大正应力的夹角分为：正断、切断按应力状态与环境介质分为：静载断裂（拉、扭、剪）、疲劳断裂、低温冷脆断裂、高温蠕变断裂、应力腐蚀断裂、氢脆断裂由于模具钢多为中、高强度钢，塑性相对较差，断裂时没有或仅有少量塑性变形发生，因而经常表现为脆性断裂。692.1.2.1韧性断裂断裂前产生明显的宏观塑性变形，断口出现颈缩现象。断裂过程中材料吸收较多的能量，高于材料屈服强度时断裂。断裂面一般平行于最大切应力τmax并与主应力呈45º角。断口常呈暗灰色，纤维状。对于光滑圆柱样品的拉伸韧性断口，由纤维区、放射区和剪切唇三部分组成。1、韧性断裂的特点韧性断裂示意图拉伸韧性断口示意图

纵剖面

断口形貌

正断：断口宏观表面⊥最大正应力方向切断：断口宏观表面//最大切应力方向、与最大正应力成呈45º角702.1.2.1韧性断裂(1)纯剪切型断裂2、韧性断裂的机理剪切断裂：材料在切应力作用下沿滑移面分离而发生的断裂又分为滑断型（纯剪切型断裂）、微孔聚集型断裂纯剪切断裂是由滑移流变而发生的断裂，纯金属尤其是单晶体金属常发生纯剪切断裂单晶体金属的纯剪切型断口呈锋利的楔形多晶体金属的纯剪切型断口呈刀尖形712.1.2.1韧性断裂2、韧性断裂的机理微孔聚集型断裂是通过微孔形核长大聚集而导致材料断裂的。常用金属材料在切应力作用下常常同时形成许多微孔，发生微孔聚集型断裂，如低碳钢室温下的拉伸断裂。断口的基本特征是出现大量韧窝。(2)微孔聚集型断裂微孔聚集型断裂过程示意图

微孔聚集型断口的高倍SEM形貌

断口上出现韧窝宏观上不一定是韧性断裂。722.1.2.1韧性断裂(2)

微孔聚集型断裂包括微孔形核、长大、聚集直至断裂。2、韧性断裂的机理微孔聚集型断裂的过程微孔是通过第二相（或夹杂物）质点破碎或与基体组织界面脱离而形核的。第二相（或夹杂物）质点处微孔形核的原因：位错引起的应力集中，或者是在高应变作用下第二相与基体组织塑性变形不协调而产生分离。微孔长大同时，几个相邻微孔之间的基体的横截面积不断缩小，基体被微孔分离成无数个小单元，在外力作用下它们借助塑性流变方式产生内颈缩而断裂，使微孔聚集（连接）形成微裂纹。随后，因在裂纹尖端附近存在三向拉应力区和集中塑性变形区，在该区又形成新的微孔。新的微孔借助内颈缩与裂纹连通，使裂纹向前扩展，如此不断进行下去直至最终断裂。732.1.2.1韧性断裂3、韧性断裂断口的微观基本特征：韧窝(1)

韧窝形状与应力状态有关等轴韧窝：垂直于微孔平面的正应力使微孔各向长大速度相同，形成等轴韧窝。拉长韧窝：在扭转载荷或双向不等拉伸条件下，因切应力作用在配对断口上形成方向相反的拉长韧窝。拉伸断口的剪切唇部分是拉长韧窝。撕裂韧窝：微孔周围的应力状态为拉、弯联合作用，微孔在拉长、长大的同时还被弯曲，在配对断口上形成方向相同的撕裂韧窝。三点弯曲韧性断裂试样，裂纹在平面应变条件下扩展时形成撕裂韧窝。三种应力状态下的韧窝形貌等轴韧窝拉长韧窝撕裂韧窝742.1.2.1韧性断裂3、韧性断裂断口的微观基本特征：韧窝(2)韧窝大小第二相质点密度增大或间距减小，韧窝尺寸减小。形变强化指数大的材料越难于发生内颈缩，韧窝尺寸小。应力大小和状态改变是通过影响材料塑性变形能力而间接影响韧窝深度的：在高的静水压力作用下，易产生内颈缩，韧窝深度增加；在多向拉应力作用下或在缺口根部，韧窝较浅。

韧窝直径、深度取决于第二相质点的大小和密度、基体组织的塑性变形能力和形变强度指数、外加应力的大小和状态等。752.1.2.2脆性断裂断裂前变形量很小，无明显的塑性变形，断口无颈缩现象。断裂过程中材料吸收很少的能量，常在低于其屈服强度条件下断裂。断裂面一般与最大正应力垂直。断口平齐光亮，常呈放射状或结晶状。对于板状矩形样品的拉伸脆性断口，出现人字纹或放射花样，人字纹的放射方向与裂纹扩展方向平行，尖端指向裂纹源。裂纹源总是位于材料内部宏观缺陷处；温度降低，材料脆性增加。1、脆性断裂的特点脆性断裂示意图762.1.2.2脆性断裂(1)解理断裂机理2、脆性断裂的机理解理断口的SEM形貌解理断裂：金属材料在一定条件（如低温、冲击）下，当外加正应力达到一定值后以极快速率沿一定晶体学平面（解理面，一般是低指数晶面或低能量晶面）发生穿晶断裂的过程。解理断裂是否发生，与材料晶体结构及组织、环境温度、介质、加载速度、应力大小等因素有关。一般来讲，低温、冲击和三向拉伸应力状态下，体心立方（bcc）、密排六方（hcp）金属易产生解理断裂；当氢在α-Fe的解理面处集聚时，会产生氢致解理断裂。典型金属单晶体的解理面(1124)(0001)、(1100)Zn、Cd、Mg密排六方结构{112}{001}Fe、W、Mo体心立方结构次要解理面主要解理面材料晶体结构772.1.2.2脆性断裂解理断口的形貌2.1.2.2脆性断裂(1)解理断裂机理2、脆性断裂的机理解理台阶解理断口上河流花样的SEM形貌河流花样形成示意图河流花样：由若干解理台阶相汇合形成的。根据河流支流合并为主流的方向，可确定裂纹在微观区域内扩展的方向。解理裂纹与螺位错交截会形成解理台阶。不在同一平面上的两平行解理裂纹（距离较小）向前扩展时，通过与主解理面垂直的二次（次生）解理形成解理台阶；当两平行解理裂纹的间距远大于一个原子间距时，解理裂纹间的金属会发生较大塑性变形，借助塑性撕裂（剪切）形成解理台阶。形成机理782.1.2.2脆性断裂解理断口的形貌2.1.2.2脆性断裂(1)解理断裂机理2、脆性断裂的机理舌状花样：由于解理裂纹沿孪晶界扩展而留下的舌头状凹坑或凸台。解理舌状花样的形貌bcc金属解理舌状花样的形成示意图解理面孪晶面孪晶方向[111]bcc金属在低温或高速变形条件下，且同时存在解理裂纹和形变孪晶时，易出现解理舌状花样。792.1.2.2脆性断裂准解理断裂：先在材料的许多不同部位同时产生许多解理裂纹，再按解理方式扩展形成解理小刻面，最后以塑性方式撕裂，与相邻解理小刻面相连，形成撕裂棱。2.1.2.2脆性断裂(2)准解理断裂机理2、脆性断裂的机理准解理断裂过程的示意图形成解理裂纹裂纹长大通过塑性变形形成撕裂棱准解理断口的形貌

10Cr9Mo1VNbN钢-120℃冲击断口802.1.2.2脆性断裂准解理断裂与解理断裂的区别2.1.2.2脆性断裂(2)准解理断裂机理2、脆性断裂的机理裂纹起源不同：准解理裂纹起源于晶粒内部的孔洞、夹杂物、第二相粒子；解理裂纹起源于晶界或相界面上（位错运动在界面上塞积）。裂纹扩展途径不同：准解理裂纹扩展路径与晶粒取向无关，而与第二相质点有关；解理裂纹沿一晶体学平面扩展。准解理小平面不是晶体学解理面。准解理断裂与解理断裂的共同点属于穿晶断裂有理解刻面断口上有解理台阶或撕裂棱、河流花样准解理断裂不是一种独立的断裂机制，而是解理断裂的变种。81脆性沿晶断口的形貌2.1.2.2脆性断裂2.1.2.2脆性断裂(3)沿晶断裂（又称晶界断裂、晶间断裂）机理2、脆性断裂的机理沿晶断裂：裂纹的萌生、扩展是沿着晶界进行的。沿晶断裂多数为脆性断裂，断口微观形貌上显示多晶体外形，呈“冰糖状”。但高温蠕变条件下的沿晶断裂属于韧性断裂，由于晶界滑动和晶粒发生塑性变形，微观断口上有大量韧窝。沿晶断裂示意图韧性沿晶断口的形貌82晶界上出现脆性第二相、夹杂物、裂纹或杂质元素偏聚时，通常易发生脆性沿晶断裂。应力腐蚀断裂、氢脆、回火脆性、淬火开裂等属于沿晶断裂。在高温和应力共同作用下发生的蠕变断裂，属于韧性沿晶断裂。2.1.2.2脆性断裂2.1.2.2脆性断裂(3)沿晶断裂机理2、脆性断裂的机理沿晶断裂产生的原因温度对晶界强度、晶内强度的影响832.1.2.2脆性断裂2.1.2.2脆性断裂(1)材料的性质3、影响脆性断裂的基本因素当材料的正断抗力Sk低而剪切屈服强度τs高时，发生脆性断裂的倾向大；反之，易发生韧性断裂。首先，取决于材料基体相原子间的键合强度，键合强度高，材料的正断抗力Sk也高。其次，取决于材料的冶金质量、冷热加工质量，冶金缺陷、冷热加工缺陷使材料的正断抗力Sk下降。再次，取决于材料的组织结构，强度低的组织导致材料的正断抗力Sk下降。金属材料的正断抗力Sk取决于以下因素：842.1.2.2脆性断裂2.1.2.2脆性断裂(2)应力状态3、影响脆性断裂的基本因素根据应力状态理论和强度理论，最大正应力σmax和最大切应力τmax处易发生断裂。只有切应力时，金属材料发生韧性断裂；拉应力增大时，易发生脆性断裂。在模具结构形状的突变部位、表面缺口及材料的各种缺陷处，会产生应力集中导致三向不等拉伸等硬性应力状态，增加模具的脆断倾向。截面尺寸大的模具，当某一方向产生拉应变时，另两个方向的泊松收缩变形均会受到较大的约束，易产生平面应变状态或三向拉应力状态，增加模具的脆断倾向。852.1.2.2脆性断裂2.1.2.2脆性断裂(3)工作温度3、影响脆性断裂的基本因素工作温度降低时，金属材料特别是bcc金属材料的塑性变形抗力增大，即屈服强度σs升高，但对正断抗力Sk影响不大。当工作温度降至某一温度以下（T<Tc）时，σs>Sk，此时，金属材料处于脆性状态，Tc称为韧脆转变温度。韧脆转变温度高低取决于材料的成分、纯净度、晶体结构、晶粒大小和组织状态。低温脆性常常发生于bcc金属中，fcc金属一般无冷脆现象。细化晶粒可提高断裂强度，并降低Tc。温度对金属材料屈服强度σs、正断抗力Sk的影响862.1.2.2脆性断裂2.1.2.2脆性断裂(4)加载速度3、影响脆性断裂的基本因素加载速度对金属材料脆断倾向的影响与工作温度的影响类似。随着加载速度增加，金属材料的屈服强度σs升高，正断抗力Sk变化不大。当加载速度超过某一值（vc）时，σs>Sk，金属材料处于脆性状态。加载速度对金属材料屈服强度σs、正断抗力Sk的影响872.1.2.3疲劳断裂疲劳断裂：指模具在交变载荷作用下工作一段时间后所发生的断裂失效现象。疲劳断裂的分类882.1.2.3疲劳断裂1、疲劳断裂的特点载荷是交变载荷，或者是大小或大小与方向随时间按一定规律呈周期性变化的载荷（称为周期性循环载荷、循环应力），或者是无规则随机变化的载荷（称为随机变动载荷）。疲劳断裂是在交变载荷多次循环作用后发生的（累积式），疲劳断裂过程是疲劳裂纹萌生、扩展直至瞬时断裂的过程。疲劳断裂表现为脆性断裂，即使是塑性良好的合金钢或铝合金，疲劳断口处通常也观察不到宏观的塑性变形。疲劳应力随时间变化的曲线软钢断裂试样疲劳断裂静拉伸断裂疲劳曲线892.1.2.3疲劳断裂2、疲劳断裂的机理疲劳裂纹萌生：疲劳裂纹是由不均匀滑移（即局部塑性变形）和显微开裂引起的。滑移带中产生的“侵入沟”及“挤出脊”示意图疲劳源一般只有一个，一般位于表面应力集中处或冶金缺陷部位。驻留滑移带、侵入沟、挤出脊常常是疲劳裂纹萌生地；第二相、夹杂物、晶界、亚晶界及各类冶金缺陷、工艺缺陷等处也常常是疲劳裂纹萌生地。表面缺陷：刀痕、划伤、烧伤、锈蚀、淬火裂纹等亚表面或心部缺陷：夹杂物、气孔、夹渣白点、内裂纹等应力集中部位：缺口、沟槽、台阶、尖角、突变截面等902.1.2.3疲劳断裂2、疲劳断裂的机理疲劳裂纹扩展分为亚临界扩展、失稳扩展两阶段第一阶段：疲劳裂纹先沿τmax方向（与主应力方向成45°角）的滑移面向内扩展，因各晶粒位向不同及晶界、夹杂物、第二相等的阻碍作用，裂纹扩展逐渐转向与最大拉应力垂直的位向。第二阶段：疲劳裂纹沿与最大拉应力垂直的方向扩展，直到断裂部分不足以承担所加载荷，裂纹开始失稳扩展为止。疲劳裂纹扩展示意图亚临界扩展912.1.2.3疲劳断裂3、疲劳断口的形貌裂纹起源区（位于表面）疲劳扩展区（光亮区）具有光亮的“贝壳”状痕迹或疲劳弧线，出现“河滩花样”最终瞬时断裂区（粗糙区）呈宏观脆性断裂特征，呈“晶粒”结构(1)宏观形貌疲劳断口三区示意图疲劳断口的实物形貌922.1.2.3疲劳断裂3、疲劳断口的形貌(1)

宏观形貌载荷类型及大小和应力集中程度对疲劳断口形貌的影响932.1.2.3疲劳断裂

不同材料疲劳试样断口的疲劳辉纹

40MnBTEM5000X20TEM5000X铝合金TEM5000X疲劳辉纹3、疲劳断口的形貌(2)

微观形貌94疲劳极限应力越高，疲劳辉纹越容易观察到；高强钢的疲劳辉纹不如铝合金的容易观察到。2.1.2.3疲劳断裂疲劳辉纹的特征疲劳辉纹是一系列基本上相互平行的条纹，略带弯曲，呈波浪状，并与裂纹微观扩展方向相垂直；裂纹的扩展方向均朝向波纹凸出的一侧；辉纹的间距在很大程度上与外加交变载荷的大小有关；条纹的清晰度则取决于材料的韧性。3、疲劳断口的形貌(2)微观形貌952.1.2.3疲劳断裂疲劳辉纹的特征三阶段的疲劳辉纹有不同的微观特征：疲劳起源处由很多细滑移线组成，以后形成致密的疲劳辉纹，随着裂纹扩展，应力逐渐增加，疲劳条纹的间距也随之增加。疲劳源处形成大量的滑移线2500X疲劳裂纹扩展初期形成的疲劳条纹较密3000X疲劳裂纹扩展后期形成的疲劳条纹较疏3000X3、疲劳断口的形貌(2)

微观形貌962.1.2.3疲劳断裂疲劳辉纹的特征疲劳辉纹分为韧性辉纹和脆性辉纹。韧性疲劳辉纹较常见，辉纹间距均匀规则。脆性疲劳辉纹一般不常见，它被切割成一段段的解理台阶，间距不均匀，断断续续。韧性疲劳辉纹TEM10000×脆性疲劳辉纹TEM15000×3、疲劳断口的形貌(2)

微观形貌972.1.2.3疲劳断裂疲劳辉纹的特征疲劳断口的微观范围内，通常由许多大小不同、高低不同的小断片组成。疲劳辉纹均匀分布在小断片上，每一小断片上的疲劳辉纹连续且相互平行分布，但相邻断片上的疲劳辉纹不连续、不平行。疲劳辉纹与小断片示意图3、疲劳断口的形貌(2)微观形貌982.1.2.3疲劳断裂疲劳辉纹的特征一条辉纹代表一次载荷循环，其数目与载荷循环次数相等。一次载荷循环产生一条疲劳辉纹的过程示意图3、疲劳断口的形貌(2)微观形貌992.1.2.3疲劳断裂4、影响模具疲劳寿命的因素(1)表面状态模具或零件的表面粗糙度、加工缺陷、表面处理工艺及残余应力等因素，均影响模具或零件的疲劳强度。加工方法对疲劳极限的影响表面粗糙、刀痕、裂纹等会引起应力集中，未完全去除的表面脱碳层使表面强度降低，加工引起的残余拉应力等，均会导致模具疲劳强度大幅度降低。表面冷作变形（喷丸、滚压等）、表面强化处理（表面淬火、化学热处理等），可显著提高模具的疲劳强度。提高表面质量是提高模具疲劳强度的重要途径！1002.1.2.3疲劳断裂4、影响模具疲劳寿命的因素(1)表面状态表面强化提高疲劳强度示意图表面层应力/疲劳强度>1表面层应力/疲劳强度<1101表面强化后试样截面上的残余应力分布冷作变形强化表面热处理强化2.1.2.3疲劳断裂4、影响模具疲劳寿命的因素(1)表面状态1022.1.2.3疲劳断裂4、影响模具疲劳寿命的因素(2)

缺口效应与应力集中实际上，模具表面通常存在各种缺口，如螺纹、孔洞、台阶及与其类似的表面几何形状，也可能有刀痕、机械划伤等表面缺陷，这些不光滑连续的部位出现应力集中，且往往成为疲劳裂纹源。缺口的存在使材料的疲劳极限降低，缺口越尖锐，疲劳极限下降越快。缺口对疲劳抗力的影响因材料而异，通常，材料的抗拉强度越高，缺口对疲劳强度的削弱程度越大。采用高强度钢制作模具时应特别注意缺口对疲劳强度的削弱作用。缺口附近的应力分布尖锐缺口对疲劳强度的影响设计中应尽量避免应力集中，制造工艺要确保缺口质量，模具有缺口时应避免选用缺口敏感材料。1032.1.2.3疲劳断裂4、影响模具疲劳寿命的因素(3)模具材料特性模具材料本身的化学成分、组织状态和内部缺陷，是决定疲劳强度的内因。在一定强度范围内，疲劳强度与抗拉强度密切相关，提高抗拉强度的合金化与热处理均可提高疲劳强度，但对高强度钢，需提高塑性才能提高疲劳强度。钢的晶粒度及各相分布特征影响疲劳强度，例如，当强度相同时，粒状珠光体的疲劳强度高于片状珠光体，回火屈氏体的疲劳强度最高；下贝氏体组织的疲劳强度高于淬火回火组织。钢中出现碳化物偏析、大块自由铁素体和过多的残余奥氏体，均使疲劳强度下降。夹杂物及锻造流线露头处，均易产生疲劳裂纹使钢的疲劳强度下降。采用真空冶炼和真空浇注，减少夹杂物数量、减小夹杂物尺寸和改善夹杂物形状，并进行合理的锻造，都可提高疲劳强度。1042.1.2.3疲劳断裂4、影响模具疲劳寿命的因素(4)服役条件载荷交变频率：在一定范围内↑载荷交变频率可↑疲劳强度。次载锻炼：指在低于或接近于材料疲劳极限的应力下运转一定周次后可↑疲劳极限的现象。这可能是由于应力应变循环产生的硬化及局部应力集中松弛的结果。间隙运行：加载应力低于或接近疲劳极限时，间歇加载可↑间歇疲劳寿命，而过载时，间歇加载对疲劳寿命不仅无益，甚至还会↓疲劳强度。温度：一般温度↑，材料疲劳强度↓。腐蚀环境介质：模具表面的蚀坑、微裂纹等缺陷会加速疲劳源萌生而促进腐蚀疲劳。模具服役条件对疲劳断裂也有很大影响，其中载荷交变频率、次载锻炼、间歇运行以及环境温度及介质情况都是主要影响因素。1052.1.2.3疲劳断裂5、热疲劳(1)热疲劳产生的必要条件热疲劳：热作模具由于温度循环变化产生热应力而引起应变循环变化，由此发生的疲劳现象。热疲劳产生的两个必要条件：温度循环变化、机械约束。温度循环变化使材料体积循环变化，但因受机械约束作用，会产生循环热应力或循环热应变，在产生循环热应力或循环热应变与机械应力联合作用下，导致疲劳裂纹形成与扩展，最后使热作模具发生热疲劳失效。热疲劳也是塑性变形累积的结果，属于应变疲劳、低周疲劳。热疲劳过程比机械疲劳复杂，首先，由于温度交变作用，除产生热应力或热应变外，还导致材料内部组织变化，使强度和塑性降低。其次，热疲劳条件下温度分布是不均匀的，在温度梯度大的部位塑性变形严重，热应变集中较大。106选择具有优良抗热疲劳性能的模具材料，是决定模具具有优良抗热疲劳能力的重要因素。模具不可避免地存在圆角、孔等应力集中因素，在不影响使用性能的前提下，应尽量选择最佳结构，使截面圆滑过渡，尽可能减少或消除应力集中、应变集中。进行表面强化处理，如表面热处理、喷丸、化学处理、滚压强化等，改善和提高热作模具的抗热疲劳性能。提高局部塑性，迅速消除应力集中。2.1.2.3疲劳断裂5、热疲劳对于热作模具，应尽量减少应力集中和温度梯度，选用热膨胀系数小且相近的材料匹配或连接，从而减少模具热疲劳损伤。(2)提高热作模具抗热疲劳能力的措施107一次性断裂：指模具在承受很大变形力或在冲击载荷作用下，产生裂纹并迅速扩展所形成的脆性断裂。一次性断裂的断口呈结晶状。根据裂纹扩展路径的走向不同，一次性断裂又可分为沿晶断裂和穿晶断裂。2.1.2.4一次性断裂108钢中的非金属夹杂、中心疏松、白点、碳化物大小、形状及分布不理想，均降低钢的强韧性及疲劳抗力。提高模具材料的断裂韧性，有利于防止裂纹的萌生及扩展，从而减少模具的断裂失效。2.1.2.5影响模具断裂失效的主要因素(1)模具材料的冶金质量和加工质量(2)模具结构(3)服役（工况）条件由于模具成形结构工艺性的要求，在模具零件上会存在截面突变、凹槽、尖角、圆角半径等，易产生应力集中，形成裂纹并导致断裂失效。适当增大模具圆角半径、减小凹模深度、减少尖角数量、尽量避免截面突变等。1092.1.3变形失效模具受外力作用时会发生变形，先是发生弹性变形，当某一部位的应力值高于材料的屈服强度时，又开始发生塑性变形。模具的弹性变形是不可避免的，但弹性变形量不能超过一定的允许值；塑性变形是不允许的（有些条件下可允许有局部微小塑性变形）。模具的变形失效是逐步进行的，一般是非灾难性的，不易被关注。当变形量超过了模具的精度要求，成形的工件将成为次品或废品。并且，过度变形最终也会导致模具断裂。过量弹性变形失效：模具使用过程中，产生的弹性变形量超过模具匹配所允许的数值，使得工件的尺寸或形状精度不能满足要求而不能服役的现象。判断过量弹性变形失效比较困难。这是由于在工作状态下引起的过量弹性变形导致失效的模具，在剖析和测量尺寸时，弹性变形已恢复。110塑性变形失效：模具使用过程中，当某些部位所