第三章+模具失效形式及機理

第三章模具失效形式及機理本章學(xué)習(xí)目標：1、掌握模具失效主要形式2、掌握磨損失效形式、失效機理以及影響因素3、掌握斷裂失效形式、失效機理以及影響因素4、掌握塑性變形失效失效機理以及多種失效形式的交互作用模具的主要失效形式：

1.磨損失效

2.斷裂失效

3.塑性變形失效

第一節(jié)磨損失效磨損：由于表面的相對運動，從接觸表面逐漸失去物質(zhì)的現(xiàn)象。

磨損失效：模具在服役時，與成形坯料接觸，產(chǎn)生相對運動，造成磨損。當該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)使之不能繼續(xù)服役時。磨損的分類：

1.磨粒磨損(particlewear)

2.粘著磨損(adhesivewear)

3.疲勞磨損(fatiguewear)

4.氣蝕和沖蝕磨損(cavitationerosion

andwash-outwear)

5.腐蝕磨損(corrosionwear)1.磨粒磨損

定義：外來硬質(zhì)顆粒存在于工件與模具接觸表之間，刮擦模具表面，引起模具表面材料脫落的現(xiàn)象。

機理：圖3-2

磨粒磨損的機理模型圖3-3

磨粒耕犁與犁皺的機理模型垂直分力使磨粒壓入金屬表面平行分力使磨粒與金屬表面產(chǎn)生相對運動實例圖3-4

燈罩注塑模圖3-5

模腔表面凸臺微孔缺陷圖3-7

微孔邊緣損失形貌圖3-6

微孔附近拉傷及夾雜物形貌影響因素：a.磨粒的大小和形狀磨粒尺寸越大，磨損量越大，但磨粒的尺寸到達一定值后，磨損量保持不變;磨粒的外形越尖磨損量越大。b.磨粒硬度Hm與模具材料硬度Ho當Hm<Ho時，如1區(qū)，模具產(chǎn)生輕微磨損，此時磨損率小，曲線上升平緩。圖3-8

相對硬度對磨損量的影響圖3-8

相對硬度對磨損量的影響當Hm>Ho時，如III區(qū)，為嚴重磨損狀態(tài)，此時磨損量較大，曲線趨平。當Hm=Ho時，如II區(qū)，為磨損軟化狀態(tài)，此時的磨損率急劇增加，曲線上升很徒。c.模具與工件表面壓力

隨著模具與工件表面壓力的增加，磨粒壓入模具的深度增加，磨損越嚴重。但當壓力達到一定值后，磨粒棱角變鈍，磨損增加趨緩。圖3-9

壓力對磨損量的影響d.磨粒尺寸與工件厚度的比值

工件厚度越大，磨粒越易嵌入工件，嵌入越深，對模具的磨損越小。

圖3-10

磨粒尺寸與工件厚度相對比值對磨損量的影響(a)dm<t(b)dm=t(c)dm>t磨粒工件提高耐磨粒磨損的措施：a.提高模具材料的硬度b.進行表面耐磨處理c.采用防護措施2.粘著磨損

定義：工件與模具表面相對運動時，由于表面凹凸不平，粘著的結(jié)點發(fā)生剪切斷裂，使模具表面材料轉(zhuǎn)移到工件上或脫落的現(xiàn)象稱為粘著磨損。

機理：實例圖3-12

制藥器成型沖頭的粘著磨損圖3-13

沖頭的粘著磨損形貌(SEM)圖3-14

鋁合金殼體壓鑄模圖3-15表面缺陷低倍形貌圖3-16表面剝離形貌粘著磨損分類：當粘結(jié)點的強度低于模具與工件的強度時，剪切發(fā)生在結(jié)合面上，這種磨損量不大。當粘結(jié)點的強度高于模具與工件其中之一的材料強度時，剪切面發(fā)生在工件或模具的基體上。

圖3-17

輕微粘著磨損1.輕微粘著磨損（氧化磨損）

2.嚴重粘著磨損嚴重粘著磨損分類：粘結(jié)點的剪切發(fā)生在較軟金屬表面層上部，當粘結(jié)點強度高于較軟金屬的強度時，被剪切的金屬以涂抹方式轉(zhuǎn)移到硬金屬表面上。b.擦傷a.涂抹c.膠合

(a)涂抹b.擦傷當粘結(jié)點的強度高于兩金屬材料的強度時，剪切發(fā)生在較軟金屬表層較下的部分，有時剪切也發(fā)生在硬金屬的淺表層內(nèi)。

(b)擦傷c.膠合當粘結(jié)點強度比兩金屬硬度高得多且粘結(jié)點面積較大時，剪切破壞發(fā)生在一個或兩個金屬表層較深的地方。(c)膠合粘著磨損影響因素：a.表面壓力b.材料性質(zhì)

c.材料的硬度材料塑性越高，粘著磨損越嚴重；互溶性(成分、性質(zhì)相同或相近、互溶性大、易粘結(jié)，反之，不易粘結(jié))互溶性↑磨損↑晶格類型：面心立方>體心立方>密排六方；相組織:多相<單相硬度相差較大，磨損不大；反之亦然。提高耐粘著磨損的措施：a.合理選用模具材料b.合理選用潤滑劑和添加劑c.采用表面處理3.疲勞磨損

定義：兩接觸表面相互運動時，在循環(huán)應(yīng)力（機械應(yīng)力與熱應(yīng)力）的作用下，使表層金屬疲勞脫落的現(xiàn)象稱為疲勞磨損。分類（根據(jù)所收載荷的不同）：機械疲勞磨損冷熱疲勞磨損機理在模具和工件的相對運動中，會承受一定的作用力，模具的表面及亞表面存在多變的接觸壓力及切應(yīng)力，這些力反復(fù)作用一定周期后，表面就會產(chǎn)生局部的塑性變形和加工硬化。在某些組織不均勻處，由于應(yīng)力集中，形成裂紋源，并沿著切應(yīng)力方向或夾雜物走向發(fā)展。當裂紋擴展到金屬表面或與縱向裂紋相交時，形成磨損剝落。裂紋從表面產(chǎn)生點蝕裂紋從表層產(chǎn)生鱗剝實例裂紋疲勞擴展形貌中型鋁合金成型壓鑄模鋁合金殼體壓鑄模

壓鑄模內(nèi)腔面局部損傷形貌

表面龜裂形貌(熱疲勞裂紋)

轉(zhuǎn)角處表面縱向裂紋分布形貌

裂紋打開裂面形貌

裂紋開口處（邊緣）裂面形貌工作面上凹坑及周邊組織形貌轉(zhuǎn)角處裂紋兩側(cè)組織分布形貌影響因素：a.材質(zhì)（氣體含量、非金屬夾雜物類型、大小、形貌和分布狀態(tài)）b.硬度c.表面粗糙度（粗糙度值↑，接觸點壓力↑疲勞磨損↑）d.摩擦力e.潤滑提高耐疲勞磨損的措施：a.合理選擇潤滑劑b.進行表面強化處理(噴丸、滾壓)4.氣蝕磨損和沖蝕磨損

氣蝕磨損：金屬表面的氣泡破裂，產(chǎn)生瞬間的沖擊和高溫，便模具表面形成微小麻點和凹坑的現(xiàn)象叫氣蝕磨損。

機理:氣體沖擊

沖蝕磨損：液體和固體微小顆粒高速落到模具表面，這樣的反復(fù)沖擊,使模具表面材料流失，形成麻點和凹坑的現(xiàn)象叫沖蝕磨損。

機理：圖3-20提高抗氣蝕和沖蝕磨損的措施

：a.合理選擇材料(抗疲勞性、抗腐蝕性、強度及韌性高)b.降低流體對模具表面的沖擊速度,避免渦流5.腐蝕磨損

定義：模具表面與周圍介質(zhì)發(fā)生化學(xué)或電化學(xué)反應(yīng)，再加上摩擦力的機械作用，引起表層材料脫落的現(xiàn)象叫腐蝕磨損。(在高溫或潮濕的環(huán)境中，在酸、堿、鹽條件下易發(fā)生)圖3-21機理：氧化腐蝕磨損特殊介質(zhì)腐蝕磨損在摩擦過程中，原氧化膜破裂、脫落，生成新氧化膜，新生氧化膜因摩擦作用而剝落，由此造成的磨損稱為氧化磨損。在腐蝕性環(huán)境中，模具表面與酸、堿、鹽等特殊介質(zhì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，形成化合物，在摩擦力的作用下，引起表層化合物的脫落,這樣的過程稱為特殊介質(zhì)腐蝕磨損。分類：措施磨損的交互作用粘著磨損疲勞磨損腐蝕磨損磨粒磨損第二節(jié)斷裂失效

斷裂失效：模具在工作中出現(xiàn)較大裂紋或部分分裂而喪失正常服役能力的現(xiàn)象。

模具斷裂表現(xiàn)形式：局部碎塊、斷裂成幾大塊一、斷裂的分類

1、按斷裂的性質(zhì)分塑性斷裂脆性斷裂

2、按斷裂的路徑分沿晶斷裂穿晶斷裂混晶斷裂

3、按斷裂的機理分一次性斷裂疲勞斷裂應(yīng)力臨界值線一次斷裂或快速斷裂

應(yīng)力單邊增加應(yīng)力臨界值線疲勞斷裂

二、脆性斷裂

定義：指模具斷裂時不發(fā)生或發(fā)生較小的宏觀塑性變形（小于2%～5%）的斷裂。脆性斷裂的宏觀特征：

(1)斷裂處很少或沒有宏觀塑性變形，碎塊斷口可以拼合復(fù)原。

(2)斷口平坦，無剪切唇，斷口與應(yīng)力方向垂直。

(3)斷裂起源于變截面、表面缺陷和內(nèi)部缺陷等應(yīng)力集中部位。

(4)斷面顏色有的較光亮,有的較灰暗。

(5)板材構(gòu)件斷口呈人字紋放射線，放射源為裂紋源，其放射方向為裂紋擴展方向。

(6)脆性斷裂的擴展速率極高，斷裂過程在瞬間完成，有時伴有大響聲。

定義：模具在承受很大變形力或沖擊載荷的作用下，裂紋產(chǎn)生并迅速擴展所造成的斷裂。其斷口為結(jié)晶狀。按裂紋擴展路徑的走向，一次性脆性斷裂可分為穿晶斷裂和沿晶斷裂兩種類型。1、一次性斷裂脆性斷裂包括一次性斷裂和疲勞斷裂兩種。

1）穿晶斷裂

定義：模具因拉應(yīng)力作用而引起的沿特定晶面的斷裂。（解理斷裂）形核位置：有界面存在的地方及位錯易于塞積的地方如晶界、壓晶界、孿晶界、雜質(zhì)及第二界面穿晶斷裂解理斷裂特征：

機理：材料在應(yīng)力作用下，局部發(fā)生變形時，某一滑移面的位錯源開始啟動，產(chǎn)生一系列位錯，位錯在切向應(yīng)力的作用下沿滑移面的某一晶向移動，當遇到晶界、孿晶界、第二相時，發(fā)生位錯堆積，從而引起應(yīng)力集中和導(dǎo)致裂紋萌生。穿晶斷裂影響因素：環(huán)境溫度加載速率材料的種類、晶體結(jié)構(gòu)及冶金質(zhì)量實例斷口的宏觀形貌裂源處組織分布形貌基體組織形貌

2)沿晶斷裂

定義：裂紋沿晶界面擴展而造成金屬材料的脆斷。晶界斷裂

a.晶界沿沉淀相造成的沿晶斷裂b.雜質(zhì)元素偏聚而造成的沿晶脆斷

在某一溫度時，晶界強度、晶內(nèi)強度相等，這一溫度稱為等強溫度。溫度大于等強溫度，易產(chǎn)生沿晶斷裂，溫度小于等強溫度，易產(chǎn)生穿晶斷裂。實例裂面弧形條紋起始區(qū)域形貌弧形條紋起始區(qū)沿晶開裂形貌

裂面平坦區(qū)沿晶開裂形貌近裂面線組織分布形貌裂面表層組織形貌近裂面碳化物分布形貌

定義：模具在循環(huán)載荷的作用下服役一段時間后所引起的斷裂。

1）疲勞裂紋的萌生

a.表面不均勻處

b.沿晶界處

c.在夾雜物和第二相處

2、疲勞斷裂

2）疲勞裂紋的擴展a.疲勞裂紋擴展的第一階段

b.疲勞裂紋擴展的第二階段（穩(wěn)定擴展階段）

定義：在裂紋擴展的第二階段，裂紋每經(jīng)過一個加載-卸載循環(huán)后，便增加了一段長度△a，定義da/dN為裂紋擴展速率描述：式中：C、m——材料常數(shù)，由試驗確定；Ｎ——應(yīng)力循環(huán)次數(shù)；

△K——應(yīng)力強度因子振幅應(yīng)力集中產(chǎn)生裂紋造成新的應(yīng)力集中促進裂紋擴展最后斷裂

3）疲勞裂紋的擴展速率三、影響斷裂失效的主要因素

1、模具表面形狀

2、模具材料增大圓角半徑，減小凹模深度及截面突變提高模具材料的斷裂韌性第三節(jié)塑性變形失效及多種失效形式的交互作用一、塑性變形失效

定義：模具在使用過程中，發(fā)生了塑性變形，改變了幾何形狀或尺寸，而不能通過修復(fù)繼續(xù)服役的現(xiàn)象。

塑性變形失效形式：塌陷、彎曲、鐓粗塑性變形的失效機理：模具在工作時，一般承受很大的不均勻應(yīng)力。當模具的某個部位所受的應(yīng)力超過了工作溫度下模具材料的屈服強度時，就會以滑移、孿晶、晶界滑移等方式產(chǎn)生塑性變形，造成模具失效。。室溫：高溫：模具載荷和室溫屈服強度模具的工作溫度和模具材料的高溫強度在不同溫度下工作的模具是否會產(chǎn)生塑性變形失效，主要取決于不同溫度下模具材料的強度二、多種失效形式的交互作用

1.磨損對斷裂及塑性變形的促進作用

2.塑性變形對磨損和斷裂的促進作用傘齒精鍛模失效的外形齒（頂）部塌陷變形形貌齒筋（條）頂層變形形貌齒頂表面擠壓及片狀剝離形貌齒部法截面上組織宏觀分布形貌齒頂側(cè)轉(zhuǎn)角區(qū)域組織形貌近節(jié)圓齒側(cè)表面組織形貌實例三、模具的失效分析過程

1.模具失效分析的主要任務(wù)

a.合理選擇模具材料

b.合理設(shè)計模具結(jié)構(gòu)

c.保證加工和裝配質(zhì)量

d.嚴格模具的質(zhì)量控制

e.進行模具的表面強化

f.合理的使用、維護和保養(yǎng)模具

2.模具失效分析的方法和步驟

a.現(xiàn)場調(diào)查和處理

b.模具材料、制造工藝和工作情況調(diào)查

c.模具的工作條件分析

d.模具失效的綜合分析

e.提出防護措施

1.磨損的主要類型有哪些？在各類磨損中，耐磨性的主要影響因素有哪些？提高耐磨性的措施有哪些？

2.簡述模具的失效形式及其特點？

3.簡述模具的失效形式的交互作用？思考題：

4.簡述模具的粘著磨損失效形式的特點及其機理