12_模具材料的主要性能指标.

1.2模具材料的主要性能指标l.强度2.硬度3.塑性4.韧性5.耐磨性6.抗热疲劳性7.咬合抗力8.耐蚀性1.2.1使用性能冷作模具钢：52~60HRC左右热作模具钢：40~52HRC1.硬度材料对一更硬物体压入其内时所表现的抵抗力。表征金属的塑性变形抗力及应变硬化能力。很容易测定与强度也有一定关系，可换算图1-1硬度对三种冷作模具钢抗压屈服强度的影响1-W6Mo5Cr4V2钢;2-Cr12MoV钢;3-Cr5Mo1V钢(1)布氏硬度HB(Brinell-hardness)适用于未经淬火的钢、铸铁、有色金属或质地轻软的轴承合金。布氏硬度计适用范围:＜450HBS;＜650HBW;(2)洛氏硬度(Rockwllhardness)----本学期实验之一每压痕深0.002mm相当于洛氏1度。常用标尺有B、C、A三种:①HRB轻金属，未淬火钢②HRC较硬，淬硬钢制品③HRA硬、薄试件h1-h0洛氏硬度测试示意图洛氏硬度计10HRC≈HBS(3)维氏硬度（Vickers-hardness）测试压力可选5、10、20，30、50、100、120kg等小于10kg的压力可以测定显微组织硬度。适用范围:测量薄板类;HV≈HBS;指材料在使用过程中，抵抗变形和断裂的能力。对于模具来说则是整个型面或各个部位在服役过程中抵抗拉伸力、压缩力、弯曲力、扭转力或综合力的能力。2.强度bs0.2bb抗拉强度屈服强度室温强度（冷做模具）强度条件屈服强度抗弯强度高温强度（热作模具）•拉伸试验机（金属）拉伸试样:其形状有圆形和矩形两类。在国家标准(GB/T228—2002)《金属材料室温拉伸试验方法》中，对试样的形状、尺寸及加工要求均有明确的规定。下图所示为圆形拉伸试样。强度与塑性•拉伸试验FesbkLFsFbO屈服弹性变形缩颈断裂塑性变形塑性变形:外力去除后不能消失的变形应力-应变曲线应力σ/MPa应变ε/%σpσkσbσsσeδPesbk弹性极限e屈服强度S抗拉强度b断裂强度k比例极限p强度指标:屈服点和抗拉强度。•①屈服点:试样在拉伸过程中力不增加(保持恒定)仍能继续伸长(变形)时的应力称为屈服点，其计算公式为•（1-3）••式中σs——屈服点，MPa;•Fs——试样屈服时的载荷，N;•S0——试样原始横截面面积，mm2。•对于无明显屈服现象的金属材料，按GB/T228—2002规定可用规定残余伸长应力σ0.2表示。σ0.2表示试样卸除拉伸力后，其标距长度部分的残余伸长率达到0.2%时的应力，也称条件屈服强度。计算公式为•（1-4）•式中σ0.2——规定残余伸长应力，条件屈服强度，MPa;•F0.2——残余伸长率达到0.2%时的载荷，N;•S0——试样原始横截面面积，mm2。SS0F/S0.20.20F/S•②抗拉强度:试样拉断前承受的最大标称拉应力称为抗拉强度。其计算公式为•σb=Fb/S0（1-5）•式中σb——抗拉强度，MPa;•Fb——试样承受的最大载荷，N;•S0——试样原始横截面面积，mm2。•抗拉强度表示材料在拉伸载荷作用下的最大均匀变形的抗力。零件在工作中所承受的应力，不允许超过抗拉强度，否则会产生断裂。抗拉强度σb和屈服点σs一样，也是机械零件设计和选材的主要依据。在工程上把σs/σb称为屈强比。屈强比高，则材料强度的有效利用率高，但过高也不好，一般以0.75左右为宜。强度指标:屈服点和抗拉强度。3.塑性•断裂前材料发生不可逆永久变形的能力称为塑性。•断后伸长率：•δ=(l1-l0)/l0×100%（1-6）•式中δ——试样断后伸长率，%;•l0——试样原始标距长度，mm;•l1——试样拉断后的标距长度，mm。•断面收缩率：•ψ=(S0-S1)/S0×100%（1-7）•式中ψ——断面收缩率，%;•S0——试样原始横截面面积，mm2;•S1——试样拉断后缩颈处的最小横截面面积，mm2。金属在断裂前吸收变形能量的能力称为韧性。摆锤冲击试验机4.韧性(1)冲击吸收功AkAk=M(H1-H2)•M为摆锤的质量,N；H1为摆锤初始高度，m;H2为冲断试样后，摆锤回升高度，m。(2)冲击韧度αk•冲击韧度（αk）是试样缺口处单位面积上所消耗的冲击吸收功，表征金属材料抵抗冲击载荷的能力。•其单位为(J/cm2)，值越小表明材料的韧性越低、脆性越大。（1-19）•Ak－冲击吸收功，F－试样横截面积。kkAaF在工作过程中，模具承受着冲击载荷，为了减少在使用过程中的折断、崩刃等形式的损坏，要求模具钢具有一定的韧性。韧性是模具钢的一种重要性能指标，它决定了材料在冲击试验力作用下对破裂的抗断能力。材料的韧性越高，脆断的危险性越小，热疲劳强度也越高。对于衡量模具脆断倾向，冲击韧度试验具有重要意义。要点：承受着冲击载荷的模具，应具有较高的韧性。Titanic沉没原因建造中的Titanic号水线上下都由10张30英尺长的高含硫量钢板焊接成300英尺的船体。当船撞击冰山时，船体上这些长长的焊缝无异于一条300英尺长的大拉链，使船体产生很长的裂纹，海水大量涌入使船迅速沉没。Titanic沉没原因Titanic号钢板（左图）和含硫较低钢板（右图）的冲击试验结果Titanic——含硫高的钢板，韧性很差，特别是在低温呈脆性。5.耐磨性磨料磨损粘着磨损微动磨损磨损的类型氧化磨损疲劳磨损腐蚀磨损模具在工作中承受相当大的压应力和摩擦力，要求模具能够在强烈摩擦下仍保持其尺寸精度。销盘式摩擦磨损试验机主要技术指标：载荷范围：0.1N～200N(10g～20kg)旋转速度：200～3000rpm(连续可调)样品尺寸：Φ8～Φ80mm厚度：0.5～30mm摩擦系数测量精度：0.2％Fs（满量程）样品对偶尺寸：Φ3～Φ6mm磨痕深度测量范围：±1mm精度：0.1µ图3是MG-200型调整高温磨擦磨损试验机工作原理示意图1垂直轴2金属圆盘3砂布4试样5夹具6加载砝码•磨粒磨损由外界硬质颗粒或硬表面的微峰在摩擦副对偶表面相对运动过程中引起表面擦伤与表面材料脱落的现象，称为磨粒磨损。其特征是在摩擦副对偶表面沿滑动方向形成划痕。•粘着磨损两个金属表面的微凸部分在局部高压下产生局部粘结(固相粘着)，使材料从一个表面转移到另一表面或撕下作为磨料留在两个表面之间，这一现象称为粘着磨损。•微动磨损微动磨损是指在滚动要素摆动工作时，因两个接触面相对反复的微小滑动而产生的摩损。•表面疲劳磨损两个接触面作滚动或滚动滑动复合磨擦时，在交变接触压应力作用下，使材料表面疲劳而产生材料损失的现象称为表面疲劳磨损。5.耐磨性比較图1-2五种模具钢模拟冲裁试验其耐磨性图1-3工模具钢的磨粒磨损抗力1-高碳高钒高速钢;2-高碳高钒钢;3-低合金模具钢及碳素工具钢6.抗热疲劳性能热作模具钢在服役条件下除了承受载荷的周期性变化之外，还受到高温及周期性的急冷急热的作用，抗热疲劳性能反映材料在热疲劳裂纹萌生之前的工作寿命。因此，热作模具如要获得高的寿命，模具材料应具备高的抗热疲劳性能、低的裂纹扩展速率和高的断裂韧性值。抗热疲必性能的指标可以用萌生热疲劳裂纹的热循环数，也可以用经过定的热循环后所出现的疲劳裂纹的条数及平均的深度或长度来衡量。咬合抗力实际上就是发生“冷焊”时的抵抗力。该性能对于模具材料较重要。试验时通常在干摩擦条件下，把被试验的工具钢试样与具有咬合倾向的材料（如奥氏体钢）进行恒速对偶摩擦运动，以一定的速度逐渐增大载荷，此时，转矩也相应增大，该载荷称为“咬合临界载荷”，咬合临界载荷愈高，标志着咬合抗力愈强。7.咬合抗力表1-2几种工模具钢及其表面强化工艺的咬合临界载荷实验材料W6Mo5Cr4V2Cr12MoV渗硫离子渗氯VC渗层TiC渗层硬质合金咬合临界载荷/N16232442737577金属材料在腐蚀性介质中所具有的抵抗介质侵蚀的能力，称为金属的耐蚀性。提高模具材料的耐蚀性，通常采用合金化方法获得一系列耐蚀合金，主要包括:（1）提高金属或合金的电极电位，例如在Ni中加Cu和Cr等。（2）加入易钝化合金元素，例如在钢中加入Cr，Ni，Mo等。（3）加入能使合金表面生成致密腐蚀产物保护膜的合金元素，例如，钢能耐大气腐蚀是因其表面形成结构致密的羟基氧化铁[FeOx·(OH)23-2x]，它能起保护作用。钢中加入Cu与P或P与Cr均可促进这种保护膜的生成，由此可用Cu与P或P与Cr制成耐大气腐蚀的低合金钢。8.耐蚀性冷冲压模具要求其材料具有高的强度，良好的塑性和韧性，高的硬度及耐磨性;冷挤压模具要求其材料具有高强度、高韧性、高淬透性以及良好的耐磨性、热稳定性和切削加工性;热作模具用钢要求在工作温度下保持高的强度和韧性、良好的抗腐蚀性、热稳定性和优良的热疲劳抗力。不同的服役条件对模具材料主要力学性能的要求不同热作模具：抗热疲劳性能;压铸模具：耐融熔金属的冲蚀性能;高温下工作的热作模具：工作温度下的抗氧化性能;腐蚀介质中工作的模具:耐蚀性;高载荷下工作的模具:抗压强度、抗拉强度、抗弯强度、疲劳强度及断裂韧度等。