第三章模具失效形式及机理

1模具材料及失效分析张艳梅2第三章模具失效形式及机理模具因类型不同、生产的产品不同，失效的形式也不同。如：锻模失效主要因为尺寸不符合要求或锻模破裂；塑料模具常常因表面光洁度不够而失效。综合来讲，模具失效形式主要有三类：磨损、断裂、塑性变形。3第三章模具失效形式及机理第一节磨损失效磨损的概念：由于表面的相对运动，从接触表面逐渐失去物质的现象称为磨损。模具的磨损：坯料与模具之间接触，成型过程中产生相对运动，造成磨损。磨损的结果:(1)模具尺寸发生变化；(2)模具表面状态发生变化，如粗糙度增加、产生划痕等。4一、磨损分类根据模具的成形坯料、使用状况，其磨损机理可以分为：磨粒磨损、粘着磨损、疲劳磨损、气蚀和冲蚀磨损、腐蚀磨损。第三章模具失效形式及机理5二、磨粒磨损磨粒磨损的定义:在工件和模具接触表面之间存在外来硬质颗粒或者工件表面的硬突出物，刮擦模具表面，引起模具表面材料脱落的现象叫磨粒磨损。第三章模具失效形式及机理主要特征是模具表面有明显的划痕或犁沟，磨损物为条状或切屑状。6二、磨粒磨损(一)磨粒磨损的机理（图3-1、图3-2）第三章模具失效形式及机理磨料磨损时，作用在质点上的力分为垂直分力和水平分力。垂直分力使硬质点压入材料表面；水平分力使硬质点与表面之间产生相对位移，硬质点与材料相互作用的结果，使被磨损表面产生犁皱或切屑，形成磨损或在表面留下沟槽。7二、磨粒磨损(二)影响磨粒磨损的因素①磨粒大小与形状②磨粒硬度和模具材料硬度③模具与工件表面压力④磨粒尺寸与工件厚度的相对比值第三章模具失效形式及机理8二、磨粒磨损(三)提高耐磨粒磨损的措施①提高模具材料的硬度②进行表面耐磨处理③采用防护措施第三章模具失效形式及机理9三、粘着磨损粘着磨损的定义：工件与模具表面相对运动时，由于表面凹凸不平，粘着的结点发生剪切断裂，使模具表面的材料转移到工件上或脱落的现象。第三章模具失效形式及机理主要特征是磨损产物多为片状或小颗粒。10(一)粘着磨损的机理模具与工件表面的实际接触面积只有名义上的0.01-0.1%，只有少数微观凸起处接触，压力很大，引起塑性变形，加上表面因摩擦而温度升高，局部金属软化或熔化，使表层的氧化膜破裂，使新鲜材料暴露，造成工件与模具材料纯金属接触，分子间互相吸引、渗透、粘着，使这些突起处联接起来。随着相对运动的进行和接触部分的温度急剧下降，突起处相当于进行了一次局部淬火，使粘着部分材料强度增加，形成淬火裂纹，最后造成撕裂和剥落。图3-5为粘着磨损过程。第三章模具失效形式及机理11（二）粘着磨损的分类根据磨损程度，分为：轻微粘着磨损（氧化磨损）和严重粘着磨损（涂抹、擦伤、胶合）。图3-6。第三章模具失效形式及机理轻微粘着磨损（氧化磨损）：粘结点强度低于模具和工件的强度时发生。接点的剪切损坏基本上发生在粘着面上，表面材料的转移十分轻微。12（二）粘着磨损的分类第三章模具失效形式及机理涂抹：粘结点强度介于模具和工件的强度之间时发生。接点的剪切损坏发生在离粘着面不远的较软金属的浅层内，使较软金属粘附并涂抹在较硬金属表面上。13（二）粘着磨损的分类第三章模具失效形式及机理擦伤：粘结点强度高于模具和工件的强度时发生。接点剪切损坏主要发生在较软金属的浅层内，有时硬金属表面也有擦痕。转移到硬表面上的粘结物又擦削较软表面。如铜与钢摩擦时，剪切大多发生在铜表层内，但钢表面也残留少量的小坑；14（二）粘着磨损的分类第三章模具失效形式及机理胶合（咬死）：粘结点强度远远高于模具和工件的强度时发生。摩擦副之间粘着面积较大，不能作相对运动称咬死。剪切发生在模具或工件较深的地方。15第三章模具失效形式及机理载荷对碳钢表面磨损量的影响（三）影响粘着磨损的因素①表面压力T1（接触压应力小于材料硬度的1/3），磨损主要是通过氧化碎屑的脱落而产生的，属于轻微氧化磨损区；T1与T2之间为严重磨损区，磨屑尺寸增大，加厚，且多为金属屑；当载荷继续增大超过T2后，表面内摩擦增大而温度很高，可能发生相变，并形成白层，形成不易破碎的氧化膜，因而耐磨。16（三）影响粘着磨损的因素②材料性质脆性材料比塑性材料粘着倾向小。塑性材料接点的断裂常发生在离表面较深处，磨损下来的颗粒较大；而脆性材料接点破坏处离表面较浅，磨屑呈细片状。密排六方结构的金属材料粘着倾向小，面心立方点阵的金属粘着倾向明显大于其他点阵的金属；多相的金属比单相的金属粘着倾向小；互溶性大的材料(包括相同金属或相同晶格类型的金属)所组成的摩擦副粘着倾向大；互溶性小的材料(异种金属或晶格结构不相近的金属)组成的摩擦副粘着倾向小。第三章模具失效形式及机理17（三）影响粘着磨损的因素③材料硬度模具材料和工件材料的硬度相差越大，磨损越小；反之，磨损越大。第三章模具失效形式及机理18(四)提高耐粘着磨损性能的措施①合理选用模具材料选与工件互溶性小的材料，减小亲合力，降低粘结的可能性。②合理选用润滑剂和添加剂润滑油膜一方面可防止金属表面直接接触，另一方面可减小摩擦，成倍提高抗粘着磨损的能力。③采用表面处理采用表面处理改变摩擦表面金属组织结构，避免同类金属表面接触。第三章模具失效形式及机理19四、疲劳磨损疲劳磨损的定义：工件与模具表面相对运动时，在循环应力（机械应力与热应力）的作用下，使模具表层金属材料疲劳脱落的现象。第三章模具失效形式及机理接触疲劳磨损，主要特征为磨损表面有裂纹、小坑等，磨损产物为块状或饼状。20第三章模具失效形式及机理四、疲劳磨损(一)疲劳磨损的机理在承受力和相对运动的情况下，模具表面及亚表面不仅有多变的接触应力而且还有切应力，这些外力反复作用一定周次后，模具表面就会产生局部塑性变形和加工硬化。在某些组织不均匀处，由于应力集中，形成裂纹源，并沿着切应力方向或夹杂物走向发展。当裂纹扩展到表面时或与纵向裂纹相交时，形成磨损剥落。模具疲劳磨损有机械疲劳磨损、冷热疲劳磨损。21第三章模具失效形式及机理四、疲劳磨损（二)影响疲劳磨损的因素①材质：钢材的冶金质量，如：夹杂物类型、大小、形貌、分布。特别是脆性、带棱角的非金属夹杂物。②硬度：图3-8。一般情况下，材料抗疲劳磨损能力随表面硬度的增加而增强，而表面硬度一旦越过一定值，则情况相反。③表面粗糙度：表面粗糙度低，接触面积大，接触应力小，提高抗疲劳磨损能力。22第三章模具失效形式及机理四、疲劳磨损(三)提高耐疲劳磨损的措施①合理选择润滑剂润滑剂可避免模具与工件表面直接接触，并均化接触应力，缓冲冲击。润滑剂粘度越高越好，固体润滑剂比液体润滑剂好。②进行表面强化处理采用喷丸、滚压等强化方法，使模具工作表面金属受压缩产生塑性变形，并产生宏观压缩应力，有利于提高抗疲劳磨损的能力。23五、气蚀磨损和冲蚀磨损（一）气蚀磨损定义：模具表面的气泡破裂，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叫气蚀磨损。第三章模具失效形式及机理24五、气蚀磨损和冲蚀磨损（一）气蚀磨损产生机理：模具与液体表面接触作相对运动时，在液体与模具接触处的局部压力比液体蒸发压力低的情况下，形成气泡，同时溶解在液体中的气体也可能析出形成气泡，如果这些气泡流到高压区，当承受压力超过气泡内压力时，气泡就会破裂，在瞬间产生极大的冲击力和高温，作用于模具表面上。气泡的形成和压溃的反复作用，使零件表面疲劳破坏，产生麻点，随后扩展成海绵状空穴，这种磨损称为气蚀磨损。第三章模具失效形式及机理25五、气蚀磨损和冲蚀磨损（二）冲蚀磨损定义：液体或固体微粒高速落到模具表面，反复冲击模具表面，使模具表面局部材料流失，形成麻点和凹坑的现象叫冲蚀磨损。当小液滴速度特别高，高于100m/s时，产生的冲击应力会超过材料的屈服强度，造成局部材料断裂。第三章模具失效形式及机理26五、气蚀磨损和冲蚀磨损（三）提高抗气蚀磨损和冲蚀磨损的措施气蚀磨损和冲蚀磨损都称为侵蚀磨损。它们都可以看成疲劳磨损的派生形式。因为就本质上来说，都是由于机械力造成的表面疲劳破坏，但液体的化学和电化学作用加速了它们的破坏速度。在注塑模具和压铸模具中易出现。若材料具有较好的抗疲劳性和抗腐蚀性，又有较高的强度和韧性，材料的抗气蚀磨损和冲蚀磨损性能就好。工艺上，降低流体对模具表面的冲击速度，避免涡流，消除产生气蚀的条件，可有效减少气蚀和冲蚀磨损。第三章模具失效形式及机理27六、腐蚀磨损定义：在摩擦过程中，模具表面与周围介质发生化学或电化学反应，再加上机械摩擦作用，引起表层材料脱落的现象叫腐蚀磨损。（腐蚀+磨损）第三章模具失效形式及机理腐蚀磨损，它的主要特征是磨损表面有化学反应膜或小麻点，但麻点比较光滑。磨损物为薄的碎片或粉末。典型工件如汽缸与活塞、船舶外壳、水力发电的水轮机叶片等。28六、腐蚀磨损（一）腐蚀磨损的机制（两个阶段）第一阶段：在摩擦过程中，模具表面与周围介质发生化学或电化学反应，形成反应物；第二阶段：表面反应物在随后的摩擦过程中被磨掉。反应物被磨掉后，新鲜表面暴露出来，重新与周围介质发生化学或电化学反应，重复第一阶段。第三章模具失效形式及机理29六、腐蚀磨损腐蚀磨损常发生在高温或潮湿的环境中，尤其在有酸、碱、盐等特殊条件下最易发生。模具常见的腐蚀磨损形式有：氧化腐蚀磨损、特殊介质腐蚀磨损。第三章模具失效形式及机理30六、腐蚀磨损（二）氧化腐蚀磨损在摩擦过程中，由于金属表层凸峰的塑性变形，促使原有的氧化膜破裂，新的材料暴露后又与氧结合形成脆而硬的氧化膜。由于氧化膜不断生成与剥落造成的磨损称为氧化磨损。模具服役时一般都会出现氧化磨损。一般情况下氧化膜能使金属表面免于粘着，氧化磨损一般要比粘着磨损缓慢，因而可以说氧化磨损能起到保护摩擦副的作用。第三章模具失效形式及机理31六、腐蚀磨损氧化磨损的速度与氧化膜的性质有关：（1）氧化膜的密度和金属相近：氧化膜能牢固覆盖在金属表面，磨损小；（2）氧化膜的密度大于金属密度：氧化膜中易出现拉应力，膜易破裂或出现多孔疏松膜。（3）氧化膜的密度小于金属密度：随着氧化膜的生长，膜的体积不断膨胀，在膜内形成平行于表面的压应力和垂直于表面使膜脱离表面的拉应力，膜愈厚，内应力愈大，膜易剥落。（4）氧化膜与基体的热涨系数不同，也会造成氧化膜脱落。第三章模具失效形式及机理32六、腐蚀磨损（三）特殊介质腐蚀磨损在腐蚀环境中，金属表面与酸、碱、盐等特殊介质发生化学反应，形成化合物。在摩擦力的作用下，表层化合物剥落而引起的磨损称为特殊介质腐蚀磨损。为了防止和减轻腐蚀磨损，可从表面处理工艺、润滑材料及添加剂的选择等方面采取措施。第三章模具失效形式及机理33七、磨损的交互作用模具表面的磨损往往多种形式并存，并相互促进。如；模具表面发生粘着磨损后，形成的磨粒会引发磨粒磨损；而磨粒磨损造成模具表面更加粗糙，又会促进粘着磨损；模具表面疲劳磨损后，形成的磨粒同样会引发磨粒磨损；而磨粒磨损造成模具表面更加粗糙，也会促进粘着磨损、疲劳磨损。腐蚀磨损也会促进磨粒磨损、疲劳磨损、粘着磨损。第三章模具失效形式及机理34第三章模具失效形式及机理第二节断裂失效模具出现大裂纹或分离为两部分或数部分，丧失服役能力时，称为断裂失效。35第三章模具失效形式及机理一断裂力学的基本概念（一）葛里菲斯理论为什么玻璃等脆性材料的实际强度远低于其理论强度？根据葛里菲斯理论，由于玻璃中存在微小裂纹，降低了玻璃强度。36第三章模具失效形式及机理（一）葛里菲斯理论模型：单位厚度薄板，受单向均匀拉应力σ，两端固定，构成能量封闭系统。图3-13。此时平板内单位体积储存的弹性应变能为)2/(2/2E37第三章模具失效形式及机理（一）葛里菲斯理论如果在板内沿垂直于拉应力方向开一长度为2a（远小于板宽及板长）的穿透裂纹。裂纹出现后，板内弹性应变能一部分释放，释放的能量设为U。平面应力）(22EaU（平面应变）EaU)1(222U—裂纹释放的能量；E，μ—材料的弹性模量和泊松比。38第三章模具失效形式及机理（一）葛里菲斯理论裂纹出现后，形成两个新表面，增加表面能W，设单位面积的表面能为T，新增加的表面能为：aTW4则，裂纹出现后，板中能量改变量F为：平面应力）(422E