模具寿命与失效5.ppt

1、（五）材料在其它循环应力下的疲劳极限,1是材料在对称循环弯曲应力情况下的疲劳极限，测定比较简便。 模具实际承受的循环应力多是不对称的，而且应力状态也比较复杂，这时材料的疲劳极限与-1有所不同，且不易试验测定, 但与-1有密切的关系。,疲劳断裂失效的抗力指标,1.不同循环应力特性下的疲劳极限,任何循环应力都是由静载应力分量m和交变应力分量a组成的； 交变应力分量a是引起疲劳断裂的根本原因； a越大，疲劳极限越低； 反之，a越小，疲劳极限越高。,材料在其它循环应力下的疲劳极限,不对称循环疲劳极限值与1值的关系,1）当静载应力分量m0（为拉应力）时 在各种循环应力中，对称循环的疲劳极限1最低。 不对

2、称循环疲劳极限值随着应力比R=min/max值增大，交变应力分量a减小，则不对称循环的疲劳极限值升高。 当 R1时，不对称循环应力下的疲劳极限，介于材料的1和静强度之间。,材料在其它循环应力下的疲劳极限,2）当静载应力分量m0(为压应力)时,材料的疲劳极限一般也高于1。 总之各种不对称循环应力下材料的疲劳极限均高于1， 用1进行疲劳强度计算偏于安全。 用1比较不同材料的疲劳抗力，可供选材时参考。,材料在其它循环应力下的疲劳极限,2.不同应力状态下的疲劳极限,同一材料在不同的应力状态下，所测得的疲劳极限也不相同， 这是由于不同应力状态下的切应力与正应力之比不同所造成的。,材料在其它循环应力下的疲

3、劳极限,1、1P 、1间的关系式：,钢 1P = 0.851 铸铁 1P = 0.651 钢及轻合金 1 = 0.551 铸铁 1 = 0.801 同一材料在不同应力状态下的疲劳极限关系式: 1 1P 1,材料在其它循环应力下的疲劳极限,原因,交变弯曲时，表面应力最大，疲劳源多发生在表面； 交变拉压时，截面上应力大小一致，疲劳源既可在表面，又可在内部，即发生疲劳损伤的几率增多，表现为1P值较低； 扭转时，交变切应力比拉应力更易使材料局部产生微小塑性变形，即更易产生疲劳损伤，因而1最低。,材料在其它循环应力下的疲劳极限,(五)材料的低周疲劳抗力,低周疲劳的特点：最大循环应力接近或高于材料的屈服强

4、度，使材料的应力集中处等薄弱部位发生塑性变形，因而材料在每一周次的循环应力作用下，均产生一定幅度的塑性变形。 低周疲劳寿命较短，一般在102105次的范围内。,为了提高模具的低周疲劳寿命，选材时应在满足强度要求的前提下，尽量选用高塑性的材料。 高周疲劳条件下测重选用高强度材料 。,材料的低周疲劳抗力,周期性塑性应变对材料塑变抗力的影响,循环硬化：反复的塑性应变会使材料的塑变抗力增大的现象； 循环软化：反复的塑性应变会使材料的塑变抗力减小的现象。,材料的低周疲劳抗力,塑变抗力变化的规律,材料的性能比值b0.2大于1.4时，为循环硬化； 若b 0.2小于1.2时，为循环软化； 若b 0.2在1.2

5、1.4之间时，倾向不定，但性能一般比较稳定,材料的低周疲劳抗力,循环软化对塑变的影响,循环软化会产生过量的塑性变形。 循环软化首先使应力集中处的材料软化，使应力得以重新分布，削减应力集中。,材料的低周疲劳抗力,(六)材料在其他条件下的疲劳抗力,（1）冲击疲劳 在冲击载荷的多次作用下所发生的疲劳破坏称为冲击疲劳。,不同冲击能量下的性能指标,1）在冲击能量高时，疲劳断裂周次很低(Nf250)时，材料的疲劳抗力主要决定于塑性； 2）在冲击能量低时，疲劳断裂周次较高(Nf2104)时，材料的疲劳抗力主要取决于强度。 3）冲击能量介于上述两种情况之间时，要求材料具有强度和塑性的良好配合。,冲击疲劳,4）

6、材料的冲击韧度ak值可作为冲击疲劳抗力的参考值，尤其对高强度材料。 5）材料的整体刚度对冲击应力的大小有影响；整体刚度增大，冲击应力增大。 6）冲击疲劳下的缺口效应要比静疲劳大。,冲击疲劳,2.热疲劳,热作模具工作表面承受循环热负荷，使得表面材料发生循环胀缩变形，当这种变形受到外界(包括内部不变形材料)的约束不能自由地进行时，就使表面材料产生循环热应力。 循环热应力的反复作用将使模具表面多处产生沿晶和穿晶裂纹,材料在其他条件下的疲劳抗力,模具表层循环热应力的关系式,T热应力(MPa)； ET材料受热温度下的弹性模量(MPa)； 材料的线胀系数(1)； t表面层温度变化范围()； 材料的泊松比。

7、,热疲劳,与减小热应力有关的性能指标,1）选用弹性模量低、线胀系数小的材料。 2）选择导热性能好的材料，利于减小表层和心部的温度梯度，从而减小对表层材料胀缩的约束。,热疲劳,提高热疲劳抗力考虑的性能指标,1)在保证一定强度的基础上提高材料的塑性； 高强度且脆性较大的材料难以塑性变形，其热应力很容易升高达到材料的断裂抗力，从而易产生热疲劳裂纹。,热疲劳,提高热疲劳抗力考虑的性能指标,2)高温下，提高材料的抗氧化能力可显著提高其热疲劳抗力。 高温时微裂纹尖端的氧化产物将大大加速裂纹的扩展，形成明显的热疲劳裂纹。,热疲劳,3.腐蚀疲劳,材料在腐蚀介质和循环应力的共同作用下，经过一定周次所产生的断裂失

8、效称为腐蚀疲劳。,材料在其他条件下的疲劳抗力,腐蚀疲劳的特点,1)材料发生腐蚀疲劳在任何腐蚀介质中均会出现。 2)材料的腐蚀疲劳不存在临界应力强度因子KISCC。在外加应力作用下，即使KmaxKISCC，虽然不产生应力腐蚀，但照样会发生腐蚀疲劳开裂。,腐蚀疲劳,3)腐蚀疲劳的-N曲线没有水平部分，一般采用指定周次下断裂的应力作为条件腐蚀疲劳极限。 4)条件腐蚀疲劳极限和强度之间不存在比例关系。,腐蚀疲劳,腐蚀疲劳抗力与组织成分有关,提高材料的强度大小对腐蚀疲劳抗力不仅没有好处，反而使材料对腐蚀介质更敏。 只有含大量Cr、Ni等合金元素的精炼不锈钢，在经过最佳的热处理后，才显著提高腐蚀疲劳抗力。

9、 回火索氏体和回火屈氏体组织具有最高的条件腐蚀疲劳极限，马氏体组织则对腐蚀介质最为敏感。,腐蚀疲劳,腐蚀疲劳抗力与表面强化及应力状态有关,各种表面强化手段能有效地提高模具的腐蚀疲劳抗力。 表面镀层及其它防护手段只有在表面层产生残余压应力时才能改善其腐蚀疲劳性能。,腐蚀疲劳,5)腐蚀疲劳强度对加载频率极为敏感，对应力集中和表面状态的敏感度较小；尺寸因素对它的影响与一般疲劳相反； 6)腐蚀疲劳破坏有多个疲劳源，有特殊的多齿状宏观断口特征，并有腐蚀产物存在。微观断口呈晶界断裂或穿晶与晶界断裂的混合型。,腐蚀疲劳,第三节 材料抵抗表面损伤失效的性能指标,模具的表面损伤包括： 磨粒磨损、粘着磨损、腐蚀磨

10、损、接触疲劳等 材料抵抗不同磨损类型的性能指标也有不同。,一、抵抗材料磨粒磨损的性能指标,低应力磨粒磨损：摩擦副之间的压力不超过磨粒的破坏强度。 如冷冲裁模刃口的磨损。 高应力磨粒磨损：摩擦表面承受高能量冲击载荷时的应力超过磨粒的破坏强度，足以将磨粒打碎，并使材料表面层产生小量塑性变形。,材料抵抗表面损伤失效的性能指标,1）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，与材料的硬度成反比。 要求模具钢具有高的硬度和耐磨性； 2)在高应力磨损条件下，要求材料有很高的加工硬化能力，加工硬化后的硬度要高，而材料基体保持良好的韧性。 如高锰耐磨钢。,抵抗材料磨粒磨损的性能指标,3）磨损类型介于

11、低应力和高应力之间时，要求材料有高的硬度，还要求有较好的韧性。 尤其当硬度超过HRC40时，只有提高材料的韧性才能进一步提高其耐磨性。,抵抗材料磨粒磨损的性能指标,二、抵抗材料粘着磨损的性能指标,1）摩擦表面光滑和良好的润滑可有效地减少粘着磨损； 根据摩擦副的具体情况，选择利于表面吸附的润滑剂及添加物，使形成的油膜不易被破坏。 2）选用不易与坯料粘着的模具材料，同时采用适当的热处理工艺，可以减少模具的粘着磨损。,材料抵抗表面损伤失效的性能指标,三、腐蚀和腐蚀磨损的防护,1、腐蚀的防护 压铸模采用涂层处理、渗氮处理和氮碳共渗等方法可提高抗腐蚀、抗粘模性能； 热作模具采取渗铬或渗铝处理可提高抗氧化

12、性； 塑料模具采用表面电镀铬、化学镀Ni-P合金或直接采用不锈钢制造模具可提高耐蚀性。,材料抵抗表面损伤失效的性能指标,2腐蚀磨损的防护,材料受到腐蚀损伤再受机械力的摩擦作用就会产生腐蚀磨损。 模具中的腐蚀磨损包括： 氧化磨损、微动磨损和气蚀磨损。,腐蚀和腐蚀磨损的防护,（1）氧化磨损,材料对氧化磨损的抗力取决于 氧化膜的性质 与金属基体的结合力 材料表层的塑性变形抗力。,腐蚀和腐蚀磨损的防护,（1）氧化磨损,如果材料表面能形成致密的非脆性的氧化膜等保护层，则能显著提高磨损抗力,因而除了合理选材外在生产上广泛采用发蓝、磷化、蒸汽处理和渗硫等工艺来保护表面，并可减轻氧化磨损。,腐蚀和腐蚀磨损的防

13、护,（2）微动磨损,微动磨损也称为咬蚀。 模具在嵌合部位或过盈部位处，在循环载荷或振动的作用下，会产生微小(220m)的相对滑动， 在配合面会产生氧化物磨损粉末的现象， 严重时可导致疲劳断裂。,腐蚀和腐蚀磨损的防护,防止微动磨损的措施：,1）设计方面 防止过渡配合模具零件间的松动； 如：增加配合压力、提高加工精度。 尽量减少过渡配合处的应力集中； 如：开设卸荷台阶或卸荷槽等结构。,腐蚀和腐蚀磨损的防护,2）选材方面,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； 3）工艺方面 采用表面形变强化处理 改变表面层成分和性能的表面处理。,腐蚀和腐蚀磨损的防护,（3）气蚀磨损,防止气蚀磨损

14、的主要措施，是选用不易燃烧的冷却润滑介质和添加剂。,腐蚀和腐蚀磨损的防护,四、材料的接触疲劳抗力指标,1.接触疲劳的概念 两物体在压力作用下相互接触时，由于接触表面处的局部弹性变形所产生的应力称为接触应力，模具，尤其是承受冲击的模具，其工作表面的某些区域受较高接触应力的周期作用，,材料抵抗表面损伤失效的性能指标,1.接触疲劳的概念,经过一定的周次后，在这些区域中产生深度不同的小片或小块状剥落，造成表面上针状或豆状凹坑(麻点)，这就是接触疲劳损坏。 接触疲劳又称点蚀、疲劳磨损，它使磨损加剧，严重损害模具的表面质量，并将导致模具的疲劳断裂失效。,材料的接触疲劳抗力指标,2影响材料接触疲劳强度的因素

15、,(1)材料的硬度 接触疲劳裂纹的产生与材料的切断抗力k有关； 裂纹的扩展则与材料的正断抗力Sk有关。 材料应具有适当高的硬度。,材料的接触疲劳抗力指标,材料合适的硬度,材料热处理后达到5862HRC， 同时要求马氏体中的含碳量为0.4%0.5% 对采取表面强化处理的模具 表面强化层应有一定的深度， 心部硬度为3540HRC,材料的接触疲劳抗力指标,（2）材料的组织状态,接触疲劳裂纹多起源于非金属夹杂物、粗大的碳化物和其它薄弱的组织组成物。 钢的冶金质量和热处理组织的均匀性对接触疲劳强度有很大影响。,材料的接触疲劳抗力指标,（3）表面粗糙度和润滑条件,减少模具表面冷热加工缺陷，降低表面粗糙度值

16、，可有效增加接触疲劳寿命，尤其接触应力高时收效更显著。 提高润滑油的粘度，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，可减轻接触疲劳损伤过程。,材料的接触疲劳抗力指标,五、以多种形式失效的模具对材料性能的要求,模具的工作条件非常复杂。同一种模具会有多种失效形式，即使在同一个模具上也可能出现多种损伤。,材料抵抗表面损伤失效的性能指标,（一）主要失效形式的分析判断,1）了解这一批模具中主要的失效形式； 2）找出发生这一主要失效形式的原因； 3）根据抵抗这种失效的性能指标，优选材料和热处理工艺并采取其它相应的防护措施。,以多种形式失效的模具对材料性能的要求,注意：,当推迟了主要失效形

17、式的发生以后，其它失效形式可能会成为新的主要失效形式。 这就需要重复上面的工作过程，进一步采取另一套防护措施予以解决。,以多种形式失效的模具对材料性能的要求,注意：,实际上，在找出主要失效形式的同时，也能找出非主要失效形式产生的原因，并且采取的防护措施在解决主要矛盾的同时，也能兼顾解决其它失效问题。,以多种形式失效的模具对材料性能的要求,（二）表面损伤导致断裂失效的分析判断,各种表面损伤形式之间的交互作用可促使损伤的积累和发展，则促使模具的表面损伤失效。 表面损伤会导致模具一次断裂或疲劳断裂。 分析模具断裂失效原因时，应该了解清楚有哪些表面损伤参与了模具的断裂过程，它们对断裂是否起主导作用。,

18、以多种形式失效的模具对材料性能的要求,例1：,模具发生疲劳断裂时，若疲劳裂纹起源于磨损沟痕处，则磨损就是引起疲劳断裂的主要原因； 若疲劳裂纹不是萌生于磨损沟痕处，则需要另找其它原因。,以多种形式失效的模具对材料性能的要求,例2：,由于热疲劳、热磨损、内应力等因素引起热作模具的断裂失效时，应提高材料的热疲劳抗力才能有效防止断裂失效。 反之，若确认断裂与热疲劳无关时，则需要另找其它原因。,以多种形式失效的模具对材料性能的要求,例3：,挤压冲头由于塑性变形引起冲头受力状态的变化，而导致折断失效时，应先提高材料的塑变抗力，才能解决其断裂问题。,以多种形式失效的模具对材料性能的要求,第四节 模具材料性能

19、指标的测试方法,一、常规的力学性能 （一）拉伸试验 试验在拉伸试验机或万能试验机上进行。,材料的单向静拉伸试验是在室温下按常规的试验标准，采用光滑圆柱试样在缓慢加载和低的变形速率下进行的。试验方法和试样尺寸在试验标准中有明确规定。,拉伸试验,在拉伸过程中，随着载荷的不断增加，试样不断被拉长，,拉伸试验,由试验机上安装的自动绘图机构连续描绘出拉伸力和绝对伸长量L的关系曲线，直至试样被拉断。,拉伸试验,拉伸试验,材料在整个拉伸过程中经历了弹性变形、屈服变形、均匀塑性变形及不均匀集中塑性变性等四个变形阶段。,拉伸试验,不同材料的力伸长曲线是不同的。 不同材料具有不同的力学性能指标值。,拉伸试验,（二

20、）拉伸试验测定的性能指标,1）弹性极限e 材料产生弹性变形能力的衡量指标。 2）屈服极限s 材料抵抗微量塑性变形能力的衡量指标。,拉伸试验,（二）拉伸试验测定的性能指标,3）抗拉强度b 材料抵抗断裂能力的衡量指标。 4）刚 度E 材料抵抗弹性变形能力的衡量指标。,拉伸试验,（二）拉伸试验测定的性能指标,5）延伸率、断面收缩率 材料产生塑性变形能力的衡量指标。,拉伸试验,二、扭转、弯曲与压缩的力学性能,（一）扭转试验及其性能指标 1扭转试验测定的力学性能指标,扭转试验一般采用圆柱形试样在扭转试验机上进行。,模具材料性能指标的测试方法,扭转试验,扭转时试样表面的应力状态在与试样轴线呈45方向上承受

21、最大正应力，与试样轴线平行或垂直方向上承受最大切应力。,扭转试验,在弹性变形阶段，试样横截面上的切应力和切应变沿半径方向呈线性分布(b)。,扭转试验,当表层产生塑性变形后，切应变的分布仍保持线性关系。,切应力则因塑性变形而呈非线性变化(c)。,扭转试验,在扭转试验过程中，根据每一时刻加于试样上的扭矩M和扭转角 绘制成M曲线，称为扭转图,扭转试验,根据扭转图和有关的材料力学公式，可计算出材料的 扭转屈服强度s 扭转强度极限b 切变模量G和切应变 等力学性能指标。,扭转试验,扭转试样断口特征,切断断口断面和试样轴线垂直，有回旋状塑性变形痕迹，是切应力作用的结果。 塑性材料常为这种断口。,扭转试验,

22、扭转试样断口特征,正断断口和试样轴线约成45角，呈螺旋状或斜劈状，是正应力作用的结果。 脆性材料常为这种断口。,扭转试验,（二）弯曲试验及其性能指标,弯曲试验，用圆柱试样或方形试样在万能试验机进行。 图4-17是弯曲试验压头工作示意图。,弯曲试验的的加载方式一般有两种： 三点弯曲加载，最大弯矩Mmax=FL/4（Nm）， 四点弯曲加载，L段为等弯矩，最大弯矩Mmax=FK/2。,弯曲试验及其性能指标,通过记录载荷F或弯矩M与试样最大挠度fmax之间的弯曲图来确定材料在弯曲载荷下的力学性能。,弯曲试验,塑性材料,中等塑性材料,脆性材料,（三）压缩试验及其性能指标,压缩试验是利用万能试验机对试样施

23、加轴向压力，在其变形和断裂过程中测定材料的强度和塑性等力学性能指标的试验方法。,压缩试验用的圆柱形试样，试验时直接放在试验机的工作台上。,压缩试验,压缩试验时，材料抵抗外力变形和断裂情况可用压力变形的关系曲线来表示，称为压缩曲线，如图示。图中,1-脆性材料的压缩曲线，断裂点f的应力即为抗压强度bc； 2-塑性材料的压缩曲线，上部虚线表示材料被压扁但并不断裂。,压缩试验,三、缺口试样的静拉伸及静弯曲试验及其性能,（一）缺口试样的静拉伸和偏斜拉伸 缺口敏感性试验可以在拉伸试验机或万能试验机上在进行。 试验时为了便于比较，所用试样的缺口形状和尺寸应符合规定。,模具材料性能指标的测试方法,缺口角 =4

24、560 缺口根部曲率半径 =0.10.2mm 缺口截面直径 dN=715mm dNd0=0.70.85,常用的缺口试样如图示。,缺口试样的静拉伸和偏斜拉伸,缺口试样静拉伸试验广泛用于研究高强度材料的缺口敏感性、钢和钛的氢脆，以及高温合金的缺口敏感性等。,缺口试样的静拉伸和偏斜拉伸,缺口偏斜拉伸试验工作示意图,在试样与试验机夹头间有一垫圈，垫圈倾斜角有0、4、83种。 更换不同的垫圈便可完成不同角度的偏斜拉伸试验，测定材料在不同倾斜角度下的抗拉强度bN。,试样,试验机 夹头,垫圈,试样螺 纹夹头,缺口试样的静拉伸和偏斜拉伸,（二）缺口试样静弯曲,试验时，一般采用尺寸为10mm10mm 55mm，

25、缺口深度为2mm，夹角为60的V型或U型缺口试样。,模具材料性能指标的测试方法,试验可在室温或低温下进行，具体温度视设计要求而定。 试验时记录弯曲曲线，直到试样发生折断，记下全部弯曲曲线为止。,缺口试样静弯曲,几种常见材料的缺口静弯曲曲线,材料1在曲线上升部分断裂，残余挠度f1很小，表示对缺口敏感； 材料2在曲线下降部分断裂，残余挠度f2较大，表示缺口敏感度低；,材料3弯曲不断，取相当于1/4Fmax时的残余挠度f3作为它的挠度值，其值很大，表示材料对缺口不敏感。,缺口试样静弯曲,四、硬度试验和硬度指标,硬度试验方法有十几种，常用的方法为压入法包括： 布氏硬度、洛氏硬度、维氏硬度和显微硬度及肖

26、氏硬度等。,模具材料性能指标的测试方法,1布氏硬度,测值原理：用一定大小的载荷F(kgf)，把直径为D（mm）的淬火钢球或硬质合金球压入试样表,面，保持规定时间后卸除载荷，测量试样表 面的残留压痕直径d，求压痕的表面积S。,硬度试验方法,将单位压痕面积承受的平均压力（FS）定义为布氏硬度，其符号用HB表示。,当压头为硬质合金球时，用符号HBW表示，适用于布氏硬度值为450650的材料； 当压头为淬火钢球时，用符号HBS表示，适用于布氏硬度值低于450的材料。,布氏硬度试验,2洛氏硬度,测值原理：通过测量压痕深度值的大小来表示材料的硬度值。 试验所用的压头为圆锥角=120的金刚石圆锥或直径为1.

27、588mm、3.175mm的淬火钢球。 载荷分先后两次施加，先加初载荷F1，再加主载荷F2，其总载荷为F(F=F1+F2)。,硬度试验方法,0-0金刚石压头没有和试样接触时的位置； 1-1压头受到载荷F1后压入试样深度为h1的位置；,2-2压头受到F2后压入试样深度为h2的位置； 3-3压头卸除F2，只保留初载荷F1时的位置。,洛氏硬度试验,2洛氏硬度,洛氏硬度值的计算式：,式中k值 压头为金刚石时，取0.2； 压头为淬火钢球时，取0.26。,洛氏硬度试验,3维氏硬度与显微硬度,维氏硬度的试验原理也是根据压痕单位面积所承受的载荷来计算硬度值的。 试验所用的压头是两相对面夹角为136的金刚石四棱锥体。,硬度试验方法,试验时，在载荷F的作用下，试样表面被压出一个四方锥形压痕， 测量压痕的对角线长度分别为dl和d2，取其平均值d，用以计算压痕的表面积S， FS即为试样的硬度值，用符号HV表示。,维氏硬度与显微硬度,显微维氏硬度的试验原理与维氏硬度试验一样，所不同的是负荷以gf计量，压痕对角线长度以m计量。