模具材料基礎(chǔ)知識(shí)教案

1、緒論模具是利用金屬或非金屬材料的塑性或流淌性將其加工成一定形狀 和尺寸的工藝裝備總稱。第一章 模具材料的分類: :冷作模具材料。熱作模具材料。塑料模具材料。其他模具材料（鑄鐵。有色金屬及其合金。鋼結(jié)硬質(zhì)合金。非金屬材料）系統(tǒng)、設(shè)備、工件等產(chǎn)品喪失正常使用功能的現(xiàn)象稱為失效。工件的失效一般可分為非正常失效和正常失效，非正常失效指設(shè)備未達(dá)到一定技術(shù)工 藝水平公認(rèn)的使用壽命。一般出現(xiàn)在模具使用初期，正常失效是模具使用 一段時(shí)刻后，由緩慢塑性變形、均勻磨損或疲勞破壞而出現(xiàn)的失效。零件失效評(píng)定：1 1 零件完全破壞，不能接著工作；2.2.零件嚴(yán)峻損傷，不能保證工作安全 3 3 零件雖能安全工作，但工作低

2、效由零件破壞的特點(diǎn)、所受載荷的類型以及外在條件，零件的失效形式可歸 納為變形失效、斷裂失效和表面損傷失效三大類型。1. 變形失效：彈性變形失效、塑性變形失效2. 斷裂失效：塑性斷裂失效、低應(yīng)力脆斷失效、疲勞斷裂失效、蠕變斷 裂失效、應(yīng)力腐蝕斷裂失效3. 表面損傷失效：磨損失效、表面疲勞失效、腐蝕失效。磨損由于模具表面相對(duì)運(yùn)動(dòng)，而從模具的接觸表面逐漸失去物質(zhì)的現(xiàn)象。磨損失效當(dāng)磨損使模具的尺寸發(fā)生變化或使模具表面狀態(tài)發(fā)生改變而使其不 能正常工作。磨損分類：磨粒磨損、粘著磨損、疲勞磨損和腐蝕磨損。1 1 / / 4949磨粒磨損：配合表面之間在相對(duì)運(yùn)動(dòng)過程中，因外來硬顆?；虮砻嬗餐贵w的作用而造成表面

3、損傷（被犁削形成溝槽）的磨損稱為磨料（粒）磨損。阻礙因素：磨粒的形狀和大小、硬度和磨具材料硬度的比值、模具和工件的表面應(yīng)力。防止：提高模具表面的硬度；及時(shí)清理模具及工件表面上的磨粒。 粘著磨損:兩個(gè)金屬表面的微凸部分在局部高壓下產(chǎn)生 局部粘結(jié) （固相粘著），使材料從一個(gè)表面轉(zhuǎn)移到另一表面或被撕下作為 磨料留在兩個(gè)表面之間的現(xiàn)象稱為粘著磨損。阻礙因素：材料性質(zhì)（塑 性、晶體結(jié)構(gòu)）、材料硬度、表面壓力。防止：選擇與工件材料互溶性小 的材料、加潤滑劑（減少摩擦系數(shù)）、表面強(qiáng)化處理（減少摩擦系數(shù)） 疲 勞磨損：在循環(huán)應(yīng)力下，兩接觸面相互運(yùn)動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的表面金屬疲勞剝落 的現(xiàn)象。阻礙因素：冶金質(zhì)量（氣體含量

4、、非金屬夾雜物） 、材料硬度、 表面粗造度、表面應(yīng)力狀態(tài)，防止：加潤滑劑、使表面處于壓應(yīng)力狀態(tài)、 提高冶金質(zhì)量、提高硬度、降低表面粗糙度。 腐蝕磨損:腐蝕磨損是模具表面與其周圍的環(huán)境介質(zhì)發(fā)生化學(xué)或電化學(xué)反應(yīng)，以及模具與工件之 間的摩擦作用而引起模具表面材料的脫落現(xiàn)象。點(diǎn)腐蝕集中于局部，呈 尖銳小孔、晶間腐蝕發(fā)生于晶粒邊界或其近旁斷裂失效模具在工作中出現(xiàn)較大裂紋或部分分離而喪失正常服役能力的 現(xiàn)象。斷裂分類：斷裂性質(zhì) （脆性斷裂/ /韌性斷裂）；按斷裂機(jī)理（一次性斷裂2 2 / / 49493 3 / / 4949/ / 疲勞斷裂）按斷裂路徑（沿晶斷裂 / / 穿晶斷裂 / / 混晶斷裂）1 1

5、 一次性斷裂：模具在承受專門大變形歷或沖擊載荷作用下，產(chǎn)生裂紋并迅速擴(kuò)展所形成的脆性斷裂。 （ 1 1）沿晶斷裂： 裂紋沿晶界擴(kuò)展而造成 材料脆性斷裂的現(xiàn)象（高溫、雜質(zhì)偏聚、晶界偏聚相的不連續(xù)易出現(xiàn)） ，（2 2）穿晶斷裂： 因拉 應(yīng)力作用沿特定晶面的斷裂。也稱解理斷裂。在較低溫度使用是易出現(xiàn)2 2、疲勞斷裂：在較低的循環(huán)應(yīng)力作用下，工作一段時(shí)刻后，由裂紋緩慢擴(kuò)展，最后發(fā)生斷裂的現(xiàn)象 a a 疲勞裂紋的萌生和擴(kuò)展萌生 ：表面不均勻處，晶界，夾雜物，第二相，尺寸過渡處，加工刀痕，磨損溝 痕。擴(kuò)展 ：在循環(huán)應(yīng)力作用下已形成的裂紋便沿著主滑移面向模具材料內(nèi)部 擴(kuò)展。阻礙斷裂失效的因 素：要緊是模具結(jié)

6、構(gòu)因素（截面突變、凹槽、尖角） 和模具材料（材料韌性越高，越有利于防止裂紋的萌生和擴(kuò)展）失效分析的要緊方法：1.1. 無損檢測 ：無損檢測是針對(duì)材料在冶金、加工、使用過程中產(chǎn)生的缺陷和裂紋用無損探傷法進(jìn)行檢查，以查清其狀態(tài)及分 布。2.2.斷口分析： 脆性斷口 u/u/ 韌性斷口 / / 疲勞斷口。 3.3. 金相分析 ：通過觀看 分析零件（特不是失效源周圍）顯微組織構(gòu)成情況，如組織組成物的形態(tài)、粗細(xì)、數(shù)量、分布及其均勻性等，辨析各種組織缺陷及失效源周圍組織的變化，對(duì)組織是否正常作出推斷。4.4.化學(xué)分析：檢驗(yàn)材料整體或局部區(qū)域的成分是否符合設(shè)計(jì)要求 5.5.力學(xué)分析:檢查分析失效零件的應(yīng)力分

7、布、承 載能力以及脆斷傾向等。模具的服役條件與失效形式：冷作模具：承受拉伸、彎曲、壓縮、沖擊、疲勞等不同應(yīng)力的作用，而用于金屬冷擠、冷鐓、冷拉伸的模具；熱作模具：高溫下承受交變應(yīng)力和沖擊力，抗高溫氧化及燒損；塑料模具：模具在較強(qiáng)的磨損及浸蝕條件下工作，而熱塑性塑料注射模其受力、受磨損都 不太嚴(yán)峻，但部分塑料品種含有氯及氟，當(dāng)壓制時(shí)易放出腐蝕性氣體，模 具型腔經(jīng)受氣體腐蝕作用。模具的失效形式：1.1.塑性變形 2.2.磨損失效 3.3.疲勞失效 4.4.斷裂失效 沖裁過程能夠分為三個(gè)時(shí)期: :彈性變形時(shí)期/ /塑性變形時(shí)期 和剪裂時(shí)期 拉深模具的要緊失效形式為粘附磨損和磨粒磨損，并以粘附磨損為主

8、。塑料模具的服役條件和失效形式（1 1）腐蝕（2 2）磨損（3 3）變形 （4 4）開裂模具的質(zhì)量：一包括模具的尺寸精度、表面光潔度和模具壽命三個(gè)方面。阻礙模具使用壽命的差不多因素：1.1.結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 2.2.模具材料及熱處理 3.3.冷熱加工工藝 4.4.磨削和電火花加工 5.5.機(jī)床的調(diào)整與操作；材料對(duì)壽命的4 4 / / 49495 5 / / 4949阻礙：1 1。材料類不（須依照成型工件、批量大小、精度要求、溫度、尺寸 選材） 2 2 。硬度（并不是硬度越高越好） 3 3。冶金質(zhì)量（不行，則易淬裂或 早期破壞） 4 4。熱處理工藝（決定最終的組織和性能，挖掘材料潛力） 不正確的機(jī)加工可

9、能在以下三個(gè)方面導(dǎo)致模具早期失效 : :1不當(dāng)切削，形成尖銳圓角或圓角半徑過小時(shí)常常造成應(yīng)力集中，使 模具早期失效 ; ;2表面光潔度不夠，存在不同意的刀痕，常常使模具因早期疲勞破壞而失效 ; ;3機(jī)加工沒有完全均勻地去除軋制和鍛造形成的脫碳層，致使模具熱處理后形成軟點(diǎn)和過大的殘余應(yīng)力，導(dǎo)致模具早期失效。1 1、 模具的熱處理： 模具的熱處理一般包括預(yù)先熱處理和最終熱處理（1 1） 預(yù)先熱處理包括退火、正火和調(diào)質(zhì) 目的：改善模具材料的組織結(jié)構(gòu)，消除缺陷，為最終熱處理作組織預(yù)備；消除應(yīng)力；降低硬度，改善切削加工性能。（2 2） 最終熱處理，淬火 + +回火目的：獲得最終的使用性能。2 2、 模具

10、表面強(qiáng)化： （1 1） 定義： 將差不多過常規(guī)熱處理的模具進(jìn)行某種表面處理，使其表面具有某些專門的物理、化學(xué)和機(jī)械性能。（2 2）目的：改善模具材料的表面特性，給予模具某些專門的性能：耐磨性、抗粘附性、抗咬合性、抗熱疲勞性、高的機(jī)械疲勞強(qiáng)度、高的的沖擊韌性、耐腐蝕性及減磨性。（ 2 2 ） 方法： 化學(xué)熱處理、表面淬火、表面涂覆、離子注入、噴丸強(qiáng)化6 6 / / 4949及堆焊等1.1. 阻礙沖壓模具壽命的因素（1 1）模具材料的阻礙（2 2）模具結(jié)構(gòu)的阻礙 （模具幾何形狀的阻礙 / / 模具間隙的阻礙 / / 結(jié)構(gòu)形式的阻礙）（3 3）模具制造工藝的阻礙（鍛造工藝的阻礙加工工藝的阻礙 熱處理

11、工藝的阻礙 （4 4） 模具工作條件和使用維護(hù)的阻礙（被加工材料的阻礙 沖壓設(shè)備特性的阻礙 潤滑條件的阻礙 ）第二章模具材料的性能要求： （ 冷沖壓模具、 冷擠壓模具、 熱作模具、其 他模具材料）冷沖壓模具：要求其材料具有高的強(qiáng)度，良好的塑性和韌性，高的硬度及耐磨性 ; ;冷擠壓模具： 要求其材料具有高強(qiáng)度、高韌性、高淬透性以及良好的耐 磨性、熱穩(wěn)定性和切削加工性 ; ;熱作模具： 用鋼要求在工作溫度下保持高的強(qiáng)度和韌性、良好的抗腐蝕 性、熱穩(wěn)定性和 優(yōu)良的熱疲勞抗力。其他模具材料： 鑄鐵、有色金屬及其合金、鋼結(jié)硬質(zhì)合金、非金屬材料 使用性能 ：機(jī)械性能（硬度、強(qiáng)度和韌性等） 、化學(xué)性能、物理

12、性能等。1. 硬度 表示了鋼對(duì)變形和接觸應(yīng)力的抗力，而且是專門容易測定的一種性 能，同時(shí)硬度與強(qiáng)度也有一定關(guān)系，可通過二者的換算關(guān)系得到材料硬 度值?？砂从捕确? 7 / / 4949圍劃定模具類不，如高硬度（525260HRC60HRC, 般用于冷作模具；中等硬度（404052HRC52HRC, 一般用于熱作模具。2. 強(qiáng)度 是指鋼在服役過程中，抵抗變形和斷裂的能力。關(guān)于模具來講則是 整個(gè)型面或各個(gè)部位在服役過程中抵抗拉伸力、壓縮力、彎曲力、扭轉(zhuǎn) 力或綜合力的能力。3. 韌性 是模具承受著沖擊載荷，為了減少在使用過程中的折斷、崩刃等形 式的損壞的能力，韌性是模具鋼的一種重要性能指標(biāo)，它決定了

13、材料在 沖擊試驗(yàn)力作用下對(duì)破裂的抗斷能力。材料的韌性越高，脆斷的危險(xiǎn)性 越小，熱疲勞強(qiáng)度也越高。關(guān)于衡量模具脆斷傾向，沖擊韌度試驗(yàn)具有 重要意義。4. 耐磨性 是模具在工作中承受相當(dāng)大的壓應(yīng)力和摩擦力，要求模具能夠 在強(qiáng)烈摩擦下仍保持其尺寸精度。5. 抗熱疲勞性能 熱作模具鋼在服役條件下除了承受載荷的周期性變化 之外，還受到高溫及周期性的急冷急熱的作用，抗熱疲勞性能反映材料 在熱疲勞裂紋萌生之前的工作壽命。因此，熱作模具如要獲得高的壽命， 模具材料應(yīng)具備高的抗熱疲勞性能、低的裂紋擴(kuò)展速率和高的斷裂韌性6.咬合抗力 咬合抗力實(shí)際上確實(shí)是發(fā)生“冷焊”時(shí)的抵抗力。該性能關(guān)于模具材料較重要。試驗(yàn)時(shí)通常

14、在干摩擦條件下，把被試驗(yàn)的工具鋼試樣與具有咬合傾向的材料（如奧氏體鋼）進(jìn)行恒速對(duì)偶摩擦運(yùn)動(dòng)，以一定的速度逐漸增大載荷，現(xiàn)在，轉(zhuǎn)矩也相應(yīng)增大，該載荷稱為“咬合臨界載荷”，咬合臨界載荷愈高，標(biāo)志著咬合抗力愈強(qiáng)。8 8 / / 49497耐蝕性 是金屬材料在腐蝕性介質(zhì)中所具有的抵抗介質(zhì)侵蝕的能力，稱為金屬的耐蝕性。提高耐磨的方法 （ 1 1）加合金元素形成單相組織（2 2）加合金元素提 高基體的電極電位（3 3）加入易鈍化合金元素（4 4 ）加入能促使合金表面生 成致密腐蝕產(chǎn)物愛護(hù)膜的合金元素工藝性能：可加工性，淬透性和淬硬性，淬火溫度和熱處理變形，氧化、脫碳敏感性及其他因素；材料費(fèi)用一般占 10%10%