模具失效的基础知识.ppt
第三章 模具失效的基础知识,模具失效的种类和形式很多，其产生原因与材料性能、精度要求、应力、时间、温度、环境介质和操作失误等因素有关。学习要点：影响模具失效的主要因素；模具的失效形式；模具失效的分析方法；学习目的：分析失效原因，找出失效规律，提出防止失效措施。,一、模具失效的分类：模具失效包括正常失效和非正常失效。1.按经济法观点对失效分类：正常耗损失效模具缺陷失效误用失效受累性失效,第一节 模具失效的形式和机理,2.按失效形式及失效机理分类 表面损伤表面磨损、接触疲劳、表面腐蚀等。过量变形过量弹性变形、塑性变形。断裂韧性断裂、脆性断裂、疲劳断裂、蠕变断裂、应力腐蚀断裂等。,二、磨损失效的类型和机理 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。当磨损使模具的尺寸发生变化或改变了模具表面状态使其不能继续服役时，称为磨损失效。磨损按机理可分为：磨粒磨损、粘着磨损、疲劳磨损、汽蚀和冲蚀磨损、腐蚀磨损等。,（一）磨粒磨损（磨料磨损）,在滑动摩擦时零件表面存在硬质磨粒，使磨面发生局部塑性变形，磨粒嵌入、切割金属表面从而导致零件表面逐渐损耗的一种磨损。,磨粒磨损的形成和特征：,磨料磨损分类：,（1）高应力凿削磨损：所谓高应力是指磨料在与工件接触时产生的应力已经超过了磨料本身的破断强度。在此情况下，磨粒接触处集中的压应力，使金属表面受到切削并产生塑性变形和疲劳以及硬质相的开裂而造成材料磨损。（2）低应力划伤磨损：是指磨料本身的强度超过磨料与工件之间的接触应力，在磨损过程中磨料不发生破碎的情况。磨料一般沿工件表面平移，金属表面被划伤，但由于正向压力较低，划痕较浅。,磨料磨损机理的主要理论分析：微观切削磨损机理,多次塑变磨损机理,疲劳磨损机理多次塑变磨损后，产生金属表面分离的磨屑是因为材料表层微观组织受磨粒反复作用的应力超过表面的疲劳极限所造成的。零件工作面作滚动或滚动加滑动摩擦时，在交变接触压应力的长期作用下引起的表面疲劳剥落破坏的现象。,特点,产生接触疲劳的零件表面上出现许多针状或痘状的凹坑，称麻点，故得名麻点磨损，亦称接触疲劳。接触疲劳是裂纹形成和扩展的过程。,防止措施,提高材料硬度；（以增加塑性变形的抗力，延缓裂纹形成和扩展）提高材料纯度；（减少裂纹源）提高零件心部强度和硬度，增加硬化层深度，细化硬化层组织；减小表面粗糙度，以减小摩擦力。,微观断裂磨损机理脆性材料在磨粒磨损时会使横向裂纹互相交差或扩散到表面，造成材料剥落。综合可知，磨料磨损可能是这几种机理综合作用的反映，而其中的某一种损害可能起主要作用。,磨料磨损形成机制：磨料磨损与其他磨损形式在形成机制方面有显著的不同，发生磨料磨损时，材料首先受磨料切削，并发生塑变和疲劳现象，形成切削，最终从表面除去。,影响磨粒磨损的因素：磨粒尺寸与几何尺寸磨粒尺寸，金属表面的体积磨损量。磨粒棱角尖锐且凸出较高时，金属表面的体积磨损量。,磨粒硬度,I区，低磨损状态，Hm1.25Ha；区，磨损过度状态，0.8HaHm1.25Ha；区，高磨损状态，Hm0.8Ha,Hm1.3Ha，可达到减小磨损量的目的。,模具与工件表面压力模具与工件之间的表面压力越大，磨粒压入金属表面的深度越深，则磨损量越大。工作厚度工作厚度越大，磨粒越易嵌入工件，嵌入工件的深度越深，对模具的磨损量减小。,金属表面发生局部塑性变形,磨粒嵌入金属表面，切割金属表面,表面被划伤,特点,提高表面硬度（从选材方面）；减少磨粒数量（从工作状况方面）。,防止措施,普遍存在于机件中；磨损速度较大，0.55 m/h,（二）粘着磨损（咬合磨损）,在滑动摩擦条件下，摩擦副的接触面发生金属粘着，在随后的相对滑动中粘着处被破坏，有金属屑粒被拉拽下来或者是金属表面被擦伤的一种磨损形式。,定义：工件与模具表面相对运动时，由于表面凹凸不平，某些接触点局部应力超过了材料的屈服强度发生粘合，粘合的结点发生剪切断裂而拽开，使模具表面材料转移到工件上或脱落的现象称为粘着磨损。,粘着磨损的种类：涂抹 当较软金属的剪切强度小于接触处的粘合强度，也小于外加的切应力时，剪切破坏发生在离粘着结合面不远的较软金属层内，被剪切的软金属涂抹在硬金属表面上的现象。擦伤 软金属表面有细而浅的划痕，有时硬金属表面也有划伤的现象。,撕脱剪切破坏发生在摩擦副一方或两方金属较深处，有较深划痕的现象。咬死摩擦副之间咬死，不能相对运动的现象。,局部粘着（冷焊）,粘着处被撕掉,金属表面被划伤或者金属屑粒脱落,局部接触,接触面积小应力大,润滑油膜、氧化膜被挤破,2.1 摩擦与磨损,摩擦是机器运转过程中不可避免的物理现象。世界上1/31/2的能源消耗在摩擦上，各种机械零件因磨损失效的也占全部失效零件的一半以上。磨损是摩擦的结果，润滑则是减少摩擦和磨损的有力措施。,2.1.1 摩擦及其分类,两物体接触区产生阻碍运动并消耗能量的现象，称为摩擦。有些情况下却要利用摩擦工作，如带传动，摩擦制动器等。,2.1 摩擦与磨损,根据摩擦副表面间的润滑状态将摩擦状态分为四种：,2.1 摩擦与磨损,特点,在滑动摩擦条件上产生；摩擦副的两种金属力学性能相差不大；磨损速度大，1015m/h，破坏严重。,影响粘着磨损的因素：材料性质材料塑性越好，粘着磨损越严重。材料硬度模具材料和工件材料硬度相差越大，则磨损越小。模具与工件表面压力相对运动速度一定，表面接触压力，磨损量滑动摩擦速度两方面作用：氧化膜生成&硬度下降,防止措施,合理选材，摩擦幅配对材料选用硬度差较大的异类材料；提高表面硬度；合理设计减小接触压应力；减小表面粗糙度。,（三）疲劳磨损,零件工作面作滚动或滚动加滑动摩擦时，在交变接触压应力的长期作用下引起的表面疲劳剥落破坏的现象。,1.定义：两接触表面相互运动时，在循环应力的作用下，使表层金属疲劳脱落的现象称为疲劳磨损或麻点磨损。2.疲劳磨损的特点产生在金属表面和亚表面内，裂纹扩展的方向平行于表面，或与表面成1030角度。,3.影响疲劳磨损的因素：材料的冶金质量冶金质量，抗疲劳性材料的硬度硬度（小于HRC62）。抗疲劳能力提高。表面的粗糙度,（四）腐蚀磨损,在摩擦力和介质联合作用下，金属表层的腐蚀产物剥落与金属磨面间的机械磨损（粘着磨损和磨粒磨损）的一种磨损。,氧化磨损微动磨损冲蚀磨损,当小液滴以高速（如l000m/s）落到金属表面时，会产生很高的应力，往往一次冲击就能造成塑性变形或破坏。如果应力较小而反复作用，则会造成点蚀，这种由液体束冲击固体表面所造成的磨损，称为冲蚀磨损。微动磨损：在相互压紧的金属表面间由于小振幅振动而产生的一种复合型式的磨损。,小结,磨损是机械零件常见的一种失效形式，总是从零件表面开始发生。各种磨损的过程和机理不同，因此其预防措施也不同。提高零件表面硬度，合理设计减小压应力，以及提高表面光洁度等对降低磨损都有利。,模具的腐蚀失效,材料表面和周围介质发生化学反应或者电化学反应所引起的表面损伤现象。,化学腐蚀电化学腐蚀,化学腐蚀过程中不产生腐蚀电流，如金属在高温氧化性气氛中、在干燥空气中、在石油及酒精中的腐蚀都属于化学腐蚀。电化学腐蚀过程中会产生腐蚀电流，如金属在潮湿空气、海水、或电解质溶液中的腐蚀都是电化学腐蚀。,高温氧化腐蚀电化学腐蚀应力腐蚀,一、高温氧化腐蚀,除Au、Pt外，金属中在空气中都会发生氧化，高温会加速氧化过程。腐蚀会导致零件有效截面积减小，承载能力降低。在高温含氧气氛中工作的零件的抗高温氧化能力是一项重要指标。,氧化过程（三个步骤）,金属失去电子成为金属离子,氧原子吸收电子成为氧离,金属离子和氧离子结合为金属氧化物,氧化膜形成后，将金属基体与氧隔开，金属要继续氧化必须：,金属离子及电子（由内向外）穿过氧化膜氧原子或离子（由外向内）穿过氧化膜,氧化膜层阻止原子、离子及电子穿过氧化膜的能力，决定了材料的抗氧化性能。,Al2O3、Cr2O3、SiO2等氧化膜的熔点高，致密，阻力大；Fe2O3、Cu2O等氧化膜的熔点低，疏松，阻力小；,在钢中加入Al、Cr、Si等元素，因其与氧的亲和力比Fe大，故可优先形成氧化物，从而阻Fe的氧化。,二、电化学腐蚀,不同金属或同一金属的不同部分存在电极电位差；相互接触；有电介质溶液。,产生条件,阳极：失去电子发生氧化反应（被腐蚀）,电化学腐蚀的过程,阴极：得到电子发生还原反应,MM n+ne,析氢反应（电解质中H+高时）,吸氧反应（电解质中O2高时）,腐蚀原电池,在锌壳上的阳极反应,在碳棒上的阴极反应,ZnZn2+2e,2H+2e H2,结果：Zn被离子化（腐蚀）。,F基球墨铸铁在HCl中的电化学腐蚀,F基体的电极电位比G低，故为阳极，被腐蚀；而在阴极G上析出H2气体。,HCl水溶液,三、应力腐蚀（SCC）,材料在应力和特定介质联合作用下产生的低应力脆性断裂。,应力低介质的腐蚀性小特定介质,特点,常用金属材料发生应力腐蚀的敏感介质,18-8奥氏体不锈钢 Intergranular-SCC,四、改善零件耐蚀性的措施,对于化学腐蚀，常采用以下方式：选择抗氧化材料如耐热钢、高温合金、陶瓷材料等；零件表面涂层。对于电化学腐蚀：选择耐腐蚀材料；表面涂层；电化学保护；加缓蚀剂,模具的过量变形失效1.过量弹性变形失效 模具在使用过程中，产生的弹性变形量超过模具匹配所允许的数值，使得成型的工件尺寸或成型精度不能满足要求而不能服役的现象。2.塑性变形失效由于发生塑性变形改变了几何形状或尺寸，而不能通过修复继续服役的现象。,模具在高温下的蠕变变形和断裂失效,材料在高温下的力学行为蠕变和蠕变曲线材料高温力学性能指标高温下零件的失效和防止,一、材料在高温下的力学行为,高温下材料的力学性能与常温下有很大不同,20钢,室温抗拉强度:410MPa450短时抗拉强度:330MPa450持续工作300h断裂应力230MPa450持续工作1000h断裂应力120MPa,材料的强度随温度的升高而降低高温下材料的强度随时间的延长而降低高温下材料的变形量随时间的延长而增加,二、蠕变和蠕变曲线,蠕变：固体材料在保持应力不变的条件下，应变随时间延长而增加的现象。它与塑性变形不同，塑性变形通常在应力超过弹性极限之后才出现，而蠕变只要应力的作用时间相当长，它在应力小于弹性极限时也能出现。,蠕变,产生蠕变的最低温度,碳钢 300350合金钢 350400一般金属材料 0.30.4Tm陶瓷材料 0.30.4Tm,蠕变曲线,根据蠕变速率的变化可将蠕变曲线分为三个阶段,I 减速蠕变阶段II 恒速蠕变阶段III 加速蠕变阶段,在应力较小或温度较低时，蠕变第II阶段持续时间长，无第III阶段，即不发生蠕变断裂；在应力较大或温度较高时，蠕变第II阶段很短，甚至消失，即发生短时断裂。,三、材料高温力学性能指标,蠕变极限,高温长期载荷作用下材料对塑性变形的抗力指标。,表示方法,在规定温度下使试样产生规定稳态蠕变速率的应力值,600温度下，稳态蠕变速度为110-5/h的蠕变极限为60MPa,给定温度下，在规定时间内使试样产生一定蠕变总变形量的应力值,500温度下，105h后总变形量为1的蠕变极限为100MPa,材料在高温长期载荷作用下抵抗断裂的能力。,持久强度,表示方法,用给定温度和规定时间内试样发生断裂时的应力表示,700温度下，经1000h的持久强度为300MPa,四、高温下零件的失效和防止,过量塑性变形（蠕变变形）断裂（包括蠕变断裂、冲击载荷及疲劳载荷下的断裂）磨损氧化腐蚀,高温下零件的失效形式,正确选材；选熔点高、组织稳定的材料 表面处理 表面镀硬铬、热喷涂铝和陶瓷等,防止措施,刚度：受外力作用的材料、构件或结构抵抗变形的能力。刚度是指零件在载荷作用下抵抗弹性变形的能力。强度：金属材料在外力作用下抵抗永久变形和断裂的能力称为强度。强度是指零件承受载荷后抵抗发生断裂或超过容许限度的残余变形的能力。硬度：材料局部抵抗硬物压入其表面的能力称为硬度。,塑性：塑性是一种在某种给定载荷下,材料产生永久变形的材料特性。韧性：材料的断裂前吸收能量和进行塑性变形的能力。,模具在工作中出现较大裂纹或部分分离而丧失正常服役能力的现象称为断裂失效。局部断裂、全部断裂,五、断裂失效,科技开发研究中心,TITANIC:沉没与船体材料的质量直接有关,断裂韧性 工程上有时会出现材料在远低于b的情况下发生断裂的现象。如1943年1月美国一艘T-2油船停泊在装货码头时断成两半，计算的甲板应力为7kg/mm2，远低于b（30-40kg/mm2）。1958,美国北极星导弹固体燃料发动机壳体在实验时发生爆炸，经过研究，发现破坏的原因是材料中存在0.1-1mm的裂纹并扩展所致。断裂力学认为，材料中存在缺陷是绝对的，常见的缺陷是裂纹。在应力的作用下，这些裂纹将发生扩展，一旦扩展失稳，便会发生低应力脆性断裂。材料抵抗内部裂纹失稳扩展的能力称为断裂韧性。,科技开发研究中心,油轮断裂和北极星导弹发动机壳体爆炸与材料中存在缺陷有关,科技开发研究中心,1.韧性断裂断裂前产生明显的宏观塑性变形，断裂过程中吸收较多能量。2.脆性断裂断裂前的变形量很小，没有明显的塑性变形量。,3.沿晶断裂裂纹沿多晶体扩展分离产生的断裂。室温下脆性断裂，“冰糖块”。高温下韧性断裂，“韧窝”4.穿晶断裂裂纹的萌生和扩展穿过晶粒内部的断裂。可能是脆性断裂也可能是韧性断裂。5.混晶断裂（准解离断裂）裂纹的扩展形成既有穿晶型也有沿晶型。,6.一次性断裂模具在承受很大变形力或在冲击载荷的作用下，产生裂纹并迅速扩展所形成的脆性断裂。断口成结晶状。7.疲劳断裂在较低的循环载荷作用下，工作一段时间后，由裂纹慢慢扩展，最后发生断裂的现象。韧性断口具有纤维状特征，脆性断口具有结晶状特征。,8.正断和切断断口的宏观表面垂直于最大正应力或最大正应变方向的断裂称为正断。断口的宏观表面平行于最大切应力方向的断裂称为切断。,多种失效形式的交互作用1.磨损对断裂的促进作用2.磨损对塑性变形的促进作用3.塑性变形对磨损和断裂的促进作用,第二节 模具的工作条件与失效形式,模具失效原因-模具工作条件冷作模具；热作模具一、冷作模具的工作条件与失效形式冷作模具种类：冷冲裁模、冷拉深模、冷挤压模、冷镦模等,受力：正压力、侧压力、摩擦力、弯曲力,2.模具寿命与受力大小、板料厚度的关系 模具刃口的受力的大小与板料的厚度和硬度有关。,3.冷冲裁模的失效形式 模具刃口在压力和摩擦力的作用下，最常见的失效形式是磨损。冲头受力较大，而且在一次冲裁过程中经受两次摩擦，因而冲头的磨损较快。磨损使模具刃口变钝，棱角变圆，甚至发生表面剥落，从而使冲裁件毛刺增大，尺寸变差，需要对模具刃口进行修磨在使用。,薄板冲裁模（t1.5mm）和厚板冲裁模（t1.5mm）。薄板冲裁模 受力小，失效方式：磨损厚板冲裁模 受力较大，失效方式：磨损，崩刃、局部断裂,4.模具刃口的损伤过程初期磨损阶段(局部塑变)稳定磨损阶段（塑变强化）急剧磨损阶段（疲劳剥落）,（二）冷拉深模1.冷拉深模的工作条件冷拉深模主要用于板材的冷拉深成型。,拉深模在工作时，不易产生偏裁，较少出现应力集中，一般凸模主要承受压力和摩擦力，凹模主要承受径向张力和摩擦力。由于成型力只需超过板材的屈服极限，因此模具所收冲击力较小，单位面积的压力也不大，但是模具型腔表面和压边圈的工作表面受到板材变形时的剧烈摩擦。,2.冷拉深模的失效形式失效形式：粘着磨损、磨粒磨损 冷拉深过程中，模具工作表面的局部薄弱部分负荷较重，承受的挤压力较大，摩擦热积累较多使温度升高。拉深件表面产生擦伤或划痕。,（三）冷镦模 冷镦模是在冲击力作用下，凸模使金属棒料在凹模型腔内镦粗成型的冷作模具，主要用来加工各种形状的螺钉、铆钉、螺栓和螺母等的毛坯。,冷镦加工过程中，冲击频率高，可达60120次/min，冲击力大，金属坯料受到强烈的镦击，同时模具受到短周期冲击载荷作用。受力特点：塑性变形抗力大，工作环境差，凸模受巨大冲击压力和摩擦力，凹模受冲胀力和摩擦力，产生强烈的摩擦。失效形式：磨损失效、疲劳断裂失效,（四）冷挤压模按金属坯料流动方向与凸模运动方向之间关系：正挤压反挤压复合挤压径向挤压,冷挤压模的主要失效形式：塑性变形失效、磨损失效、凸模折断失效、疲劳断裂失效及纵向开裂失效、胀裂失效（凹模）,二、热作模具的工作条件与失效形式热作模具包括锤锻模、热冲裁模和压力铸造模等热作模具工作中除承受机械负荷外还承受热负荷，失效形式比冷作模具复杂。,（一）锤锻模1.锤锻模的工作条件,（1）模具的受力冲击力压力内应力（2）模具的受热锻前预热与坯料接触的热变形热和摩擦热,（3）模具的冷却为减轻锤锻模热负荷，在工作间歇，对模具进行冷却。由于加热冷却作用，易于产生热疲劳。（4）型腔表面摩擦被锻金属坯料在模具型腔中热塑变流动，将对型腔表面产生摩擦作用。,2.锤锻模的基本失效形式基本失效形式：（1）型腔部分的模壁断裂按断裂性质：早期脆性断裂和机械疲劳断裂。早期脆性断裂：在很大冲击载荷下，在型腔部分受拉应力较大薄弱处产生裂纹，从而断裂。断口宏观形貌特征：从断裂源开始，裂纹呈人字花纹向外扩展机械疲劳断裂：模具承受多次锻击后发生的断裂。断口宏观和微观特征：具有一定疲劳断口特征，裂纹扩展区小。,（2）型腔表面的热疲劳 热疲劳指热作模具在循环热应力的反复作用下所产生的热疲劳裂纹或破坏的现象。影响热疲劳的因素：模具型腔表面的温度变化幅度、模具材料的抗氧化性、导热性和热膨胀系数。（3）型腔表面的磨损影响因素:模具温度、模具材料的化学成分和硬度、模具型腔的表面状况以及模具的使用条件。,（4）模具型腔的塑性变形 发生在模具型腔中受力大、受热温升高的部位。与坯料的变形速度和变形抗力有关。（5）模具燕尾开裂,（二）压力机锻模主要承受静压力和热应力，还受到氧化腐蚀。失效形式：脆性断裂失效、冷热疲劳失效、塑性变形失效、磨损失效、模具型腔表面氧化腐蚀失效。（三）热挤压模 被加热的金属坯料在高温压应力状态下成型的一种模具。失效形式：断裂失效、冷热疲劳失效、塑性变形失效、磨损失效、模具型腔表面的氧化失效。,（四）热冲裁模热冲裁模主要是用于冲切模锻件的飞边和连皮的模具，由凸模和凹模组成。失效形式：刃口的热磨损失效、崩刃失效、卷边失效、断裂失效。（五）压力铸造模是在压铸机上用来压铸金属铸件的成型模具，主要承受液态金属的压力、冲刷、冲蚀和高温作用，急冷急热。,压铸锌合金表面温度不超过400，热负荷小，模具工作寿命较长。压铸铝合金表面温度600，且铝溶液容易粘附。失效形式：粘膜、侵蚀、热疲劳、磨损、断裂失效。压铸铁合金表面温度高达1000，表面易氧化、腐蚀、塑性变形和热裂。压铸几百次就发生失效。,三、塑料模具的工作条件与失效形式（自学内容）,第三节 模具失效分析的方法,一、模具失效分析的主要目的1.合理选择模具材料选择合适模具材料、热处理工艺和表面处理工艺。2.合理设计模具结构力求使各部位受载均匀、应力流线分布均匀并平滑过渡。3.保证加工和装配质量制定合理加工与装配工艺方案,4.严格控制模具材料的质量 严格控制模具材料的冶金质量、锻造质量、冷加工质量和热处理质量。5.采用表面强化工艺提高模具表面的耐磨、耐热、耐腐蚀等性能。6.合理使用、维护和保养模具严格按照操作规程正确安装和合理使用模具。减少人为因素的损伤失效或随机失效。,二、模具失效分析的方法和步骤1.现场调查、断裂件的收集和处理2.模具材料、制造工艺和工作情况调查 采用化学成分分析、力学性能测定、金相组织分析、无损探伤等方法；复查模具材料的化学成分和冶金质量。3.模具的工作条件和断裂状况分析模具的受力状况和工作环境状况。断口状况，宏观、微观分析。,4.断口分析5.断裂原因综合分析和判定6.提出防护措施,三、失效分析的基本实验技术简介常用实验技术：宏观和微观断口分析技术；金相检验技术；无损探伤检验技术；常规成分、微区成分和表面成分分析技术；X射线衍射分析技术；实验应力分析技术；力学性能检测技术；断裂力学测试技术,1.宏观分析技术及其在失效分析中的应用用肉眼观测，或用放大50倍以下的放大镜观察。初步判断作用。失效分析的基础，必须细心进行。断裂源、断口特征（加载方式、应力大小、材料的相对韧性与脆性、表面硬化、晶粒大小、内部缺陷等）,2.借助体视显微镜的分析3.金相显微镜观测4.扫描电子显微镜（SEM）观测5.透射电子显微镜（TEM）观测,6.电子探针（EP）观测测量几立方微米体积内材料的化学成分。7.饿歇能谱仪（AEM）分析进行薄层表面分析。8.X射线分析测量结构和成分。9.常规力学性能检测硬度测试拉伸、冲击试验10.断裂力学测试与分析,作业,1.什么是脆性断裂？什么是韧性断裂？脆性断裂和断裂各有什么特征？试述二者的断裂机理。,2.冷作模具和热作模具各主要包括哪几种？简述它们的工作条件和失效方式。,
