常見(jiàn)模具失效形式及機(jī)理

1、2、斷裂失效3、塑性變形失效及多種失效形式的交互作用1、磨損失效失效的分類(lèi) 研究失效的目的不同，常用的分類(lèi)方法有兩種：按經(jīng)濟(jì)法觀(guān)點(diǎn)分類(lèi)和按失效的形式及失效機(jī)理分類(lèi)1. 按經(jīng)濟(jì)法觀(guān)點(diǎn)分類(lèi)失效正常損耗失效產(chǎn)品缺陷失效誤用失效受累性失效按失效的形式及失效機(jī)理分類(lèi)失效過(guò)量變形失效 斷裂失效模具局部斷裂示意圖表面損傷失效過(guò)量彈性變形失效過(guò)量塑性變形失效,模具的塑性變形蠕變超限韌性斷裂脆性斷裂疲勞斷裂蠕變斷裂應(yīng)力腐蝕斷裂表面磨損失效表面腐蝕失效接觸疲勞失效1、表面損傷失效表面損傷失效(磨損失效） 實(shí)際生產(chǎn)中使用的模具種類(lèi)繁多，工作狀態(tài)差別很大，失效的形式及機(jī)理各不相同。磨粒磨損粘著磨損疲勞磨損其它磨損氣蝕

2、磨損沖蝕磨損腐蝕磨損n找出失效原因，并提出防護(hù)措施1、表面損傷失效 由于表面的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，從接觸表面逐漸失去物質(zhì)的現(xiàn)象稱(chēng)為磨損。 當(dāng)磨損使模具的尺寸發(fā)生變化或改變了模具表面狀態(tài)使其不能繼續(xù)服役時(shí)，稱(chēng)為磨損失效。 磨粒磨損機(jī)理示意圖(一) 磨粒磨損 什么叫磨粒磨損？外來(lái)硬質(zhì)顆粒存在工件與模具接觸表面之間，刮擦模具表面，引起模具表面脫落的現(xiàn)象。(一) 磨粒磨損磨料磨損形成機(jī)理 磨料磨損與其他磨損形式在形成機(jī)制方面有顯著的不同，發(fā)生磨料磨損時(shí)，材料首先受磨料切削，并發(fā)生塑變和疲勞現(xiàn)象，形成切削，最終從表面除去。(一) 磨粒磨損 （1）高應(yīng)力鑿削磨損：所謂高應(yīng)力是指磨料在與工件接觸時(shí)產(chǎn)生的應(yīng)力已經(jīng)超過(guò)了

3、磨料本身的破斷強(qiáng)度。在此情況下，磨粒接觸處集中的壓應(yīng)力，使金屬表面受到切削并產(chǎn)生塑性變形和疲勞以及硬質(zhì)相的開(kāi)裂而造成材料磨損。 （2）低應(yīng)力劃傷磨損：是指磨料本身的強(qiáng)度超過(guò)磨料與工件之間的接觸應(yīng)力，在磨損過(guò)程中磨料不發(fā)生破碎的情況。磨料一般沿工件表面平移，金屬表面被劃傷，但由于正向壓力較低，劃痕較淺。 影響磨粒磨損的因素磨粒硬度Hm與模具材料硬度H0磨粒的大小和形狀模具與工件表面壓力磨粒尺寸與工件厚度的相對(duì)比值 提高磨粒磨損的措施提高模具材料的硬度進(jìn)行表面耐磨處理采用防護(hù)措施 粘著磨損機(jī)理示意圖(二) 粘著磨損（咬合磨損） 什么叫粘著磨損？工件與模具表面相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，由于表面凹凸不平，粘著的節(jié)點(diǎn)

4、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。 粘著磨損分類(lèi)磨損嚴(yán)重程度輕微粘著磨損（氧化磨損）嚴(yán)重粘著磨損涂抹擦傷撕脫咬死 影響粘著磨損的因素材料性質(zhì)表面壓力材料硬度 提高粘著磨損的措施合理選擇潤(rùn)滑劑進(jìn)行表面強(qiáng)化處理 疲勞磨損機(jī)理(三) 疲勞磨損 什么叫疲勞磨損？?jī)山佑|面相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，在循環(huán)（交變）應(yīng)力（機(jī)械應(yīng)力與熱應(yīng)力）的作用下，使表層金屬脫落的現(xiàn)象。表面或亞表面經(jīng)外力反復(fù)作用一定周期表面產(chǎn)生局部的塑性變形和加工硬化某些組織不均勻處由于應(yīng)力集中產(chǎn)生裂紋源裂紋源擴(kuò)展到表面或與縱向裂紋相交磨損剝落 影響疲勞磨損的因素硬度材質(zhì)表面粗糙度在無(wú)外加機(jī)械應(yīng)力的條件下，由于外部溫度的漲落使零件內(nèi)部

5、產(chǎn)生循環(huán)應(yīng)變，由此導(dǎo)致的裂紋和斷裂叫做熱疲勞失效熱疲勞失效。在熱疲勞條件下，有兩種方式可使零件產(chǎn)生循環(huán)應(yīng)變：（1） 受熱循環(huán)的零件因相鄰零件的約束而不能自由的膨脹或收縮。（2） 零件在壁厚或長(zhǎng)度方向因快速加熱或冷卻而產(chǎn)生溫度差，高溫區(qū)的膨脹受低溫區(qū)的約束，反之亦然。 氣蝕磨損機(jī)理(四) 氣蝕磨損和沖蝕磨損 什么叫氣蝕磨損？金屬表面的氣泡破裂，產(chǎn)生瞬間的沖擊和高溫，使模具表面形成小麻點(diǎn)和凹坑的現(xiàn)象。局部氣壓低于蒸汽壓形成氣泡或液體中析出的氣泡流到高壓區(qū)氣泡破裂模具淺表層產(chǎn)生疲勞裂紋形成泡沫海綿狀空穴產(chǎn)生高溫和極大沖擊力反復(fù)作用局部金屬脫離表面或氣化擴(kuò)展至表面容易發(fā)生氣蝕磨損的模具：注塑模、壓鑄模

6、固體表面 沖蝕磨損機(jī)理 什么叫沖蝕磨損？液體和固體微小顆粒高速落到模具表面，反復(fù)沖擊模具表面，使模具表面局部材料流失，形成麻點(diǎn)和凹坑的現(xiàn)象。速度不高的反復(fù)撞擊產(chǎn)生疲勞裂紋，形成麻點(diǎn)和凹坑強(qiáng)烈撞擊造成局部材料斷裂 腐蝕磨損機(jī)理(五) 腐蝕磨損 什么叫腐蝕磨損？在摩擦過(guò)程中，模具表面與周?chē)橘|(zhì)發(fā)生化學(xué)或電化學(xué)反應(yīng)，再加上摩擦力機(jī)械作用，引起表層材料脫落的現(xiàn)象。模具表面與周?chē)橘|(zhì)發(fā)生化學(xué)或電化學(xué)反應(yīng) 腐蝕磨損分類(lèi)氧化磨損：純凈金屬瞬間即與空氣中的氧起反應(yīng)而生成單分子層的氧化膜，且膜的厚度逐漸增長(zhǎng)，增長(zhǎng)的速度隨時(shí)間以指數(shù)規(guī)律減小，當(dāng)形成的氧化膜被磨掉以后，又很快形成新的氧化膜，可見(jiàn)氧化磨損是由氧化和機(jī)

7、械磨損兩個(gè)作用相繼進(jìn)行的過(guò)程 。特殊介質(zhì)腐蝕磨損：在摩擦副與酸、堿、鹽等特殊介質(zhì)發(fā)生化學(xué)腐蝕的情況下而產(chǎn)生的磨損，稱(chēng)為殊殊介質(zhì)腐蝕磨損。 小結(jié) 磨損是機(jī)械零件常見(jiàn)的一種失效形式，總是從零件表面開(kāi)始發(fā)生。各種磨損的過(guò)程和機(jī)理不同，因此其預(yù)防措施也不同。 提高零件表面硬度，合理設(shè)計(jì)減小壓應(yīng)力，以及提高表面光潔度等對(duì)降低磨損都有利。2 斷裂失效 斷裂失效模具出現(xiàn)大裂紋或分離為兩部分和屬部分，喪失服役能力時(shí)，稱(chēng)為斷裂失效。TITANIC:沉沒(méi)與船體材料的質(zhì)量直接有關(guān)沉沒(méi)與船體材料的質(zhì)量直接有關(guān)Titanic近代船用鋼板近代船用鋼板模具局部斷裂示意圖返回整體斷裂折斷劈裂斷裂韌性 工程上有時(shí)會(huì)出現(xiàn)材料在遠(yuǎn)

8、低于b的情況下發(fā)生斷裂的現(xiàn)象。如1943年1月美國(guó)一艘T-2油船停泊在裝貨碼頭時(shí)斷成兩半，計(jì)算的甲板應(yīng)力為7kg/mm2，遠(yuǎn)低于b（30-40kg/mm2）。1958,美國(guó)北極星導(dǎo)彈固體燃料發(fā)動(dòng)機(jī)殼體在實(shí)驗(yàn)時(shí)發(fā)生爆炸，經(jīng)過(guò)研究，發(fā)現(xiàn)破壞的原因是材料中存在0.1-1mm的裂紋并擴(kuò)展所致。 斷裂力學(xué)認(rèn)為，材料中存在缺陷是絕對(duì)的，常見(jiàn)的缺陷是裂紋。在應(yīng)力的作用下，這些裂紋將發(fā)生擴(kuò)展，一旦擴(kuò)展失穩(wěn)，便會(huì)發(fā)生低應(yīng)力脆性斷裂。材料抵抗內(nèi)部裂紋失穩(wěn)擴(kuò)展的能力稱(chēng)為斷裂韌性。 油輪斷裂和北極星導(dǎo)油輪斷裂和北極星導(dǎo)彈發(fā)動(dòng)機(jī)殼體爆炸與材彈發(fā)動(dòng)機(jī)殼體爆炸與材料中存在缺陷有關(guān)。料中存在缺陷有關(guān)。 1943年美年美國(guó)國(guó)T

9、-2油油輪發(fā)輪發(fā)生生斷斷裂裂北北極極星星導(dǎo)彈導(dǎo)彈裂裂紋擴(kuò)紋擴(kuò)展的基本形式展的基本形式斷裂的分類(lèi)及其特征晶體結(jié)構(gòu)晶體結(jié)構(gòu) 晶體點(diǎn)陣（晶格）晶體點(diǎn)陣（晶格）晶體結(jié)構(gòu)的幾個(gè)基本概念晶體結(jié)構(gòu)的幾個(gè)基本概念空間點(diǎn)陣空間點(diǎn)陣:(Lattice)為了便于研究晶體中原子分子或離子的排列情況,近似的將晶體看成無(wú)錯(cuò)排的理想晶體,忽視其物質(zhì)性抽象排列于空間的無(wú)數(shù)集合點(diǎn),這些點(diǎn)代表原子(分子或離子)的中心,也可是彼此等同的原子群或分子群的中心,各點(diǎn)的周?chē)h(huán)境相同,這些點(diǎn)的空間排列稱(chēng)為空間點(diǎn)陣,簡(jiǎn)稱(chēng)點(diǎn)陣線(xiàn)缺陷（位錯(cuò)）線(xiàn)缺陷（位錯(cuò)）點(diǎn)缺陷點(diǎn)缺陷從原子點(diǎn)看位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)從線(xiàn)角度看位錯(cuò)運(yùn)動(dòng) 穿晶斷裂原理(一) 一次性斷裂 1、穿晶

10、斷裂因拉力作用而引起的解理斷裂（沿特定晶面的斷裂）。位錯(cuò)反應(yīng)理論位錯(cuò)塞積理論塞積理論(001)(101) 110(c c體心立方晶體中位錯(cuò)反應(yīng)示意圖注意：高溫下解理裂紋不易形成； 低溫下易形成解理裂紋。 2、沿晶斷裂裂紋沿晶界面擴(kuò)展而造成金屬材料的脆斷。雜質(zhì)元素偏聚造成的沿晶斷裂晶界沿沉淀相造成的沿晶斷裂材料本身的沉淀相或雜質(zhì)元素偏聚晶界弱化沿晶裂紋環(huán)境介質(zhì)或高溫的促進(jìn)作用 疲勞裂紋的萌生(二) 疲勞斷裂疲勞斷裂：模具在循環(huán)載荷的作用下服役一段時(shí)間后所引起的斷裂。沿晶界萌生裂紋表面不均勻變形萌生裂紋沿夾雜物和第二相萌生微裂紋在無(wú)外加機(jī)械應(yīng)力的條件下，由于外部溫度的漲落使零件內(nèi)部產(chǎn)生循環(huán)應(yīng)變，由

11、此導(dǎo)致的裂紋和斷裂叫做熱疲勞失效熱疲勞失效。在熱疲勞條件下，有兩種方式可使零件產(chǎn)生循環(huán)應(yīng)變：（1） 受熱循環(huán)的零件因相鄰零件的約數(shù)而不能自由的膨脹或收縮。（2） 零件在壁厚或長(zhǎng)度方向因快速加熱或冷卻而產(chǎn)生溫度差，高溫區(qū)的膨脹受低溫區(qū)的約數(shù)，反之亦然。 疲勞裂紋擴(kuò)展速率 疲勞裂紋擴(kuò)展裂紋擴(kuò)展第二階段裂紋擴(kuò)展第一階段滑移面的取向與拉應(yīng)力軸呈45角，擴(kuò)展深度一般為幾微米到100微米mKCdNda)(A：經(jīng)一個(gè)加載-卸載循環(huán)后裂紋向前擴(kuò)展長(zhǎng)度C、m：材料常數(shù)N：應(yīng)力循環(huán)次數(shù)K：應(yīng)力強(qiáng)度因子振幅 估計(jì)模具承載能力(三) 斷裂力學(xué)在模具失效分析中的作用 估計(jì)模具剩余壽命c(diǎn)CcaK1利用探傷手段測(cè)得裂紋尺寸

12、后，利用公式根據(jù)材料性能，可求出相應(yīng)的臨界應(yīng)力)/(0dNdaaaNcy 指導(dǎo)修模工藝(四) 影響斷裂失效的主要因素 模具表面形狀 模具材料3 模具的過(guò)量變形失效模具的過(guò)量變形失效1.過(guò)量彈性變形失效過(guò)量彈性變形失效 模具在使用過(guò)程中，產(chǎn)生的彈性變形量超過(guò)模具模具在使用過(guò)程中，產(chǎn)生的彈性變形量超過(guò)模具匹配所允許的數(shù)值，使得成型的工件尺寸或成型匹配所允許的數(shù)值，使得成型的工件尺寸或成型精度不能滿(mǎn)足要求而不能服役的現(xiàn)象。精度不能滿(mǎn)足要求而不能服役的現(xiàn)象。2.塑性變形失效塑性變形失效 由于發(fā)生塑性變形改變了幾何形狀或尺寸，而不由于發(fā)生塑性變形改變了幾何形狀或尺寸，而不能通過(guò)修復(fù)繼續(xù)服役的現(xiàn)象。能通過(guò)

13、修復(fù)繼續(xù)服役的現(xiàn)象。塑性變形失效及多種失效形式的交互作用（一）塑性變形失效表現(xiàn)形式為：塌陷、彎曲、鐓粗等。模具的塑性變形沖頭彎曲沖頭鐓粗凹模?？诿洿蟀寄５乃?塑性變形失效機(jī)理室溫下，機(jī)械負(fù)荷和模具的室溫強(qiáng)度模具某部位所受的應(yīng)力超過(guò)了當(dāng)時(shí)溫度下模具材料的屈服強(qiáng)度，會(huì)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。產(chǎn)生塑性變形的主導(dǎo)因素：高溫下，模具的工作溫度和材料的高溫強(qiáng)度(二) 多種失效形式的交互作用磨損對(duì)斷裂及塑性變形的促進(jìn)作用塑性變形對(duì)磨損和斷裂的促進(jìn)作用一 冷作模具的服役條件及失效形式服役條件及失效形式 冷作模具是指在常溫下對(duì)材料進(jìn)行壓力加工或其他加工所使用的模具。冷作模具冷沖

14、裁模冷拉深模冷擠壓模冷鐓模 冷作模具都是在常溫下對(duì)工件材料施力，使其產(chǎn)生分離，從而獲得一定形狀、尺寸和性能的成品或半成品件。 冷沖模具工作對(duì)象是金屬或非金屬板材依靠冷沖模具的刃口完成冷沖壓加工中的分離工序。1.冷沖裁模 冷沖模具的主要工作部位凸模（沖頭）和凹模的刃口，靠它們對(duì)板料施加壓力，使其產(chǎn)生彈性變形、塑性變形和分離過(guò)程。 冷沖模具的最常見(jiàn)的失效形式是模具刃口的磨損，厚板沖裁模還會(huì)塑性變形、斷裂或崩刃。 凸模（沖頭）承受壓力同時(shí)還要承受沖擊力、剪切力和彎曲力的作用。凹模的刃口端面和側(cè)面承受擠壓和摩擦力的作用。模具刃口的損傷過(guò)程初期磨損階段(局部塑變)穩(wěn)定磨損階段（塑變強(qiáng)化）急劇磨損階段（疲

15、勞剝落）2.冷拉深模 依靠模具使金屬坯料產(chǎn)生塑性變形而獲得一定尺寸、形狀的產(chǎn)品。 最常見(jiàn)的失效形式是磨損（粘著磨損、磨粒磨損），有時(shí)還會(huì)產(chǎn)生咬合、擦傷、變形等失效形式。 承受的沖擊力不大，受到摩擦力十分強(qiáng)烈。凸模承受壓力和摩擦力；凹模承受徑向張力和摩擦力的作用。3.冷鐓模 冷鐓模是在沖擊力作用下，凸模使金屬棒料在凹模型腔內(nèi)鐓粗成型的冷作模具，主要用來(lái)加工各種形狀的螺釘、鉚釘、螺栓和螺母等的毛坯。 最常見(jiàn)的失效形式是磨損失效和疲勞斷裂失效。 在室溫條件下工作，塑性變形大，工作環(huán)境差，凸模承受巨大的沖擊力和摩擦力；凹模承受脹力和摩擦力的作用。4.冷擠壓模 依靠模具使金屬坯料在強(qiáng)大而均勻的近似靜擠壓

16、力的作用下，產(chǎn)生塑性變形流動(dòng)而形成產(chǎn)品 主要的失效形式是磨損失效、塑性變形失效、凸模折斷失效、疲勞斷裂失效及縱向開(kāi)裂失效，有時(shí)還會(huì)產(chǎn)生脹裂失效（凹模） 。 在進(jìn)行冷擠壓加工時(shí)，模具承受強(qiáng)大的擠壓力（如正擠壓鋼材時(shí)，擠壓力約為20002500MPa），同時(shí)產(chǎn)生很大的摩擦力，由于摩擦和變形，模具的局部表面溫度可達(dá)400以上。此外由于金屬坯料不平整，凸模和凹模之間的間隙不均勻和中心線(xiàn)不一致，還會(huì)偏載或橫向彎曲載荷。二 熱作模具的服役條件及失效形式服役條件及失效形式 錘鍛模在服役時(shí)不僅要承受沖擊力和摩擦力的作用，還要承受很大的壓應(yīng)力、拉應(yīng)力和彎曲應(yīng)力的作用，同時(shí)受到交替的加熱和冷卻的作用。失效形式比冷

17、作模具復(fù)雜。熱作模具錘鍛模壓力機(jī)鍛模熱擠壓模熱沖裁模壓鑄模 熱作模具是指將金屬坯料加熱到再結(jié)晶溫度以上進(jìn)行壓力加工的模具。 主要的失效形式是磨損失效、塑性變形失效、冷熱疲勞斷裂失效等。1、錘鍛模（錘鍛模的工作條件）（1）模具的受力沖擊力壓力內(nèi)應(yīng)力（2）模具的受熱鍛前預(yù)熱與坯料接觸的熱變形熱和摩擦熱（3）模具的冷卻為減輕錘鍛模熱負(fù)荷，在工作間歇，對(duì)模具進(jìn)行冷卻。由于加熱冷卻作用，易于產(chǎn)生熱疲勞。（4）型腔表面摩擦被鍛金屬坯料在模具型腔中熱塑變流動(dòng)，將對(duì)型腔表面產(chǎn)生摩擦作用。1、錘鍛?；臼问剑海?）型腔部分的模壁斷裂按斷裂性質(zhì)：脆性斷裂和疲勞斷裂。脆性斷裂：在很大沖擊載荷下，在型腔部分受拉應(yīng)

18、力較大薄弱處產(chǎn)生裂紋，從而斷裂。疲勞斷裂：模具承受多次鍛擊后發(fā)生的斷裂。（2）型腔表面的熱疲勞熱疲勞指熱作模具在循環(huán)熱應(yīng)力的反復(fù)作用下所產(chǎn)生的熱疲勞裂紋或破壞的現(xiàn)象。（3）型腔表面的磨損（4）模具型腔的塑性變形發(fā)生在模具型腔中受力大、受熱溫升高的部位。與坯料的變形速度和變形抗力有關(guān)。2、壓力機(jī)鍛模壓力機(jī)鍛模主要承受靜壓力和熱應(yīng)力，還受到氧化腐蝕。失效形式：脆性斷裂失效、冷熱疲勞失效、塑性變形失效、磨損失效、模具型腔表面氧化腐蝕失效。3、熱擠壓模 熱擠壓模工作時(shí)，承受壓縮應(yīng)力和彎曲應(yīng)力，脫模時(shí)承受一定的拉應(yīng)力，受熱溫度較高，如在擠壓銅合金和結(jié)構(gòu)鋼時(shí)，模具型腔的溫度可達(dá)600800，后還要進(jìn)行冷卻。