常见模具失效形式及机理

2、断裂失效3、塑性变形失效及多种失效形式的交互作用1、磨损失效失效的分类 研究失效的目的不同，常用的分类方法有两种：按经济法观点分类和按失效的形式及失效机理分类1.按经济法观点分类失效正常损耗失效产品缺陷失效误用失效受累性失效按失效的形式及失效机理分类失效过量变形失效 断裂失效模具局部断裂示意图表面损伤失效过量弹性变形失效过量塑性变形失效,模具的塑性变形蠕变超限韧性断裂脆性断裂疲劳断裂蠕变断裂应力腐蚀断裂表面磨损失效表面腐蚀失效接触疲劳失效1、表面损伤失效表面损伤失效(磨损失效）实际生产中使用的模具种类繁多，工作状态差别很大，失效的形式及机理各不相同。磨粒磨损粘着磨损疲劳磨损其它磨损气蚀磨损冲蚀磨损腐蚀磨损n找出失效原因，并提出防护措施1、表面损伤失效 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。磨粒磨损机理示意图(一)磨粒磨损 什么叫磨粒磨损？外来硬质颗粒存在工件与模具接触表面之间，刮擦模具表面，引起模具表面脱落的现象。(一)磨粒磨损磨料磨损形成机理 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。(一)磨粒磨损（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。影响磨粒磨损的因素磨粒硬度Hm与模具材料硬度H0磨粒的大小和形状模具与工件表面压力磨粒尺寸与工件厚度的相对比值 提高磨粒磨损的措施提高模具材料的硬度进行表面耐磨处理采用防护措施 粘着磨损机理示意图(二)粘着磨损（咬合磨损）什么叫粘着磨损？工件与模具表面相对运动时，由于表面凹凸不平，粘着的节点发生剪切断裂，使模具表面材料转移到工件上或脱落的现象。粘着磨损分类磨损严重程度轻微粘着磨损（氧化磨损）严重粘着磨损涂抹擦伤撕脱咬死 影响粘着磨损的因素材料性质表面压力材料硬度 提高粘着磨损的措施合理选择润滑剂进行表面强化处理 疲劳磨损机理(三)疲劳磨损 什么叫疲劳磨损？两接触面相对运动时，在循环（交变）应力（机械应力与热应力）的作用下，使表层金属脱落的现象。表面或亚表面经外力反复作用一定周期表面产生局部的塑性变形和加工硬化某些组织不均匀处由于应力集中产生裂纹源裂纹源扩展到表面或与纵向裂纹相交磨损剥落 影响疲劳磨损的因素硬度材质表面粗糙度在无外加机械应力的条件下，由于外部温度的涨落使零件内部产生循环应变，由此导致的裂纹和断裂叫做热疲劳失效热疲劳失效。在热疲劳条件下，有两种方式可使零件产生循环应变：（1）受热循环的零件因相邻零件的约束而不能自由的膨胀或收缩。（2）零件在壁厚或长度方向因快速加热或冷却而产生温度差，高温区的膨胀受低温区的约束，反之亦然。气蚀磨损机理(四)气蚀磨损和冲蚀磨损 什么叫气蚀磨损？金属表面的气泡破裂，产生瞬间的冲击和高温，使模具表面形成小麻点和凹坑的现象。局部气压低于蒸汽压形成气泡或液体中析出的气泡流到高压区气泡破裂模具浅表层产生疲劳裂纹形成泡沫海绵状空穴产生高温和极大冲击力反复作用局部金属脱离表面或气化扩展至表面容易发生气蚀磨损的模具：注塑模、压铸模固体表面 冲蚀磨损机理 什么叫冲蚀磨损？液体和固体微小颗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。速度不高的反复撞击产生疲劳裂纹，形成麻点和凹坑强烈撞击造成局部材料断裂 腐蚀磨损机理(五)腐蚀磨损 什么叫腐蚀磨损？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，再加上摩擦力机械作用，引起表层材料脱落的现象。模具表面与周围介质发生化学或电化学反应 腐蚀磨损分类氧化磨损：纯净金属瞬间即与空气中的氧起反应而生成单分子层的氧化膜，且膜的厚度逐渐增长，增长的速度随时间以指数规律减小，当形成的氧化膜被磨掉以后，又很快形成新的氧化膜，可见氧化磨损是由氧化和机械磨损两个作用相继进行的过程。特殊介质腐蚀磨损：在摩擦副与酸、碱、盐等特殊介质发生化学腐蚀的情况下而产生的磨损，称为殊殊介质腐蚀磨损。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。2 断裂失效 断裂失效模具出现大裂纹或分离为两部分和属部分，丧失服役能力时，称为断裂失效。TITANIC:沉没与船体材料的质量直接有关沉没与船体材料的质量直接有关Titanic近代船用钢板近代船用钢板模具局部断裂示意图返回整体断裂折断劈裂断裂韧性 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。油轮断裂和北极星导油轮断裂和北极星导弹发动机壳体爆炸与材弹发动机壳体爆炸与材料中存在缺陷有关。料中存在缺陷有关。1943年美年美国国T-2油油轮发轮发生生断断裂裂北北极极星星导弹导弹裂裂纹扩纹扩展的基本形式展的基本形式断裂的分类及其特征晶体结构晶体结构 晶体点阵（晶格）晶体点阵（晶格）晶体结构的几个基本概念晶体结构的几个基本概念空间点阵空间点阵:(Lattice)为了便于研究晶体中原子分子或离子的排列情况,近似的将晶体看成无错排的理想晶体,忽视其物质性抽象排列于空间的无数集合点,这些点代表原子(分子或离子)的中心,也可是彼此等同的原子群或分子群的中心,各点的周围环境相同,这些点的空间排列称为空间点阵,简称点阵线缺陷（位错）线缺陷（位错）点缺陷点缺陷从原子点看位错运动从线角度看位错运动 穿晶断裂原理(一)一次性断裂 1、穿晶断裂因拉力作用而引起的解理断裂（沿特定晶面的断裂）。位错反应理论位错塞积理论塞积理论(001)(101)110(c c体心立方晶体中位错反应示意图注意：高温下解理裂纹不易形成；低温下易形成解理裂纹。2、沿晶断裂裂纹沿晶界面扩展而造成金属材料的脆断。杂质元素偏聚造成的沿晶断裂晶界沿沉淀相造成的沿晶断裂材料本身的沉淀相或杂质元素偏聚晶界弱化沿晶裂纹环境介质或高温的促进作用 疲劳裂纹的萌生(二)疲劳断裂疲劳断裂：模具在循环载荷的作用下服役一段时间后所引起的断裂。沿晶界萌生裂纹表面不均匀变形萌生裂纹沿夹杂物和第二相萌生微裂纹在无外加机械应力的条件下，由于外部温度的涨落使零件内部产生循环应变，由此导致的裂纹和断裂叫做热疲劳失效热疲劳失效。在热疲劳条件下，有两种方式可使零件产生循环应变：（1）受热循环的零件因相邻零件的约数而不能自由的膨胀或收缩。（2）零件在壁厚或长度方向因快速加热或冷却而产生温度差，高温区的膨胀受低温区的约数，反之亦然。疲劳裂纹扩展速率 疲劳裂纹扩展裂纹扩展第二阶段裂纹扩展第一阶段滑移面的取向与拉应力轴呈45角，扩展深度一般为几微米到100微米mKCdNda)(A：经一个加载-卸载循环后裂纹向前扩展长度C、m：材料常数N：应力循环次数K：应力强度因子振幅 估计模具承载能力(三)断裂力学在模具失效分析中的作用 估计模具剩余寿命cCcaK1利用探伤手段测得裂纹尺寸后，利用公式根据材料性能，可求出相应的临界应力)/(0dNdaaaNcy 指导修模工艺(四)影响断裂失效的主要因素 模具表面形状 模具材料3 模具的过量变形失效模具的过量变形失效1.过量弹性变形失效过量弹性变形失效 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。精度不能满足要求而不能服役的现象。2.塑性变形失效塑性变形失效 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。能通过修复继续服役的现象。塑性变形失效及多种失效形式的交互作用（一）塑性变形失效表现形式为：塌陷、弯曲、镦粗等。模具的塑性变形冲头弯曲冲头镦粗凹模模口胀大凹模的塌陷 塑性变形失效机理室温下，机械负荷和模具的室温强度模具某部位所受的应力超过了当时温度下模具材料的屈服强度，会以滑移、孪晶、晶界滑移等方式产生塑性变形，造成模具失效。产生塑性变形的主导因素：高温下，模具的工作温度和材料的高温强度(二)多种失效形式的交互作用磨损对断裂及塑性变形的促进作用塑性变形对磨损和断裂的促进作用一 冷作模具的服役条件及失效形式服役条件及失效形式 冷作模具是指在常温下对材料进行压力加工或其他加工所使用的模具。冷作模具冷冲裁模冷拉深模冷挤压模冷镦模 冷作模具都是在常温下对工件材料施力，使其产生分离，从而获得一定形状、尺寸和性能的成品或半成品件。冷冲模具工作对象是金属或非金属板材依靠冷冲模具的刃口完成冷冲压加工中的分离工序。1.冷冲裁模 冷冲模具的主要工作部位凸模（冲头）和凹模的刃口，靠它们对板料施加压力，使其产生弹性变形、塑性变形和分离过程。冷冲模具的最常见的失效形式是模具刃口的磨损，厚板冲裁模还会塑性变形、断裂或崩刃。凸模（冲头）承受压力同时还要承受冲击力、剪切力和弯曲力的作用。凹模的刃口端面和侧面承受挤压和摩擦力的作用。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）2.冷拉深模 依靠模具使金属坯料产生塑性变形而获得一定尺寸、形状的产品。最常见的失效形式是磨损（粘着磨损、磨粒磨损），有时还会产生咬合、擦伤、变形等失效形式。承受的冲击力不大，受到摩擦力十分强烈。凸模承受压力和摩擦力；凹模承受径向张力和摩擦力的作用。3.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。最常见的失效形式是磨损失效和疲劳断裂失效。在室温条件下工作，塑性变形大，工作环境差，凸模承受巨大的冲击力和摩擦力；凹模承受胀力和摩擦力的作用。4.冷挤压模 依靠模具使金属坯料在强大而均匀的近似静挤压力的作用下，产生塑性变形流动而形成产品 主要的失效形式是磨损失效、塑性变形失效、凸模折断失效、疲劳断裂失效及纵向开裂失效，有时还会产生胀裂失效（凹模）。在进行冷挤压加工时，模具承受强大的挤压力（如正挤压钢材时，挤压力约为20002500MPa），同时产生很大的摩擦力，由于摩擦和变形，模具的局部表面温度可达400以上。此外由于金属坯料不平整，凸模和凹模之间的间隙不均匀和中心线不一致，还会偏载或横向弯曲载荷。二 热作模具的服役条件及失效形式服役条件及失效形式 锤锻模在服役时不仅要承受冲击力和摩擦力的作用，还要承受很大的压应力、拉应力和弯曲应力的作用，同时受到交替的加热和冷却的作用。失效形式比冷作模具复杂。热作模具锤锻模压力机锻模热挤压模热冲裁模压铸模 热作模具是指将金属坯料加热到再结晶温度以上进行压力加工的模具。主要的失效形式是磨损失效、塑性变形失效、冷热疲劳断裂失效等。1、锤锻模（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。1、锤锻模基本失效形式：（1）型腔部分的模壁断裂按断裂性质：脆性断裂和疲劳断裂。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。疲劳断裂：模具承受多次锻击后发生的断裂。（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。（3）型腔表面的磨损（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。2、压力机锻模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。3、热挤压模 热挤压模工作时，承受压缩应力和弯曲应力，脱模时承受一定的拉应力，受热温度较高，如在挤压铜合金和结构钢时，模具型腔的温度可达600800，后还要进行冷却。热挤压模是使被加热金属坯料在高温压力下成形。主要的失效形式是磨损失效、塑性变形失效、冷热疲劳断裂失效及模具型腔表面的氧化磨损失效等。4、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。压铸模具的型腔表面要承受液态金属的压力、冲刷、侵蚀和高温作用，每次压铸件脱模后还要对模具的型腔表面进行冷却和润滑，而使模具承受急冷、急热作用。热作模具工作时既承受机械载荷，又承受热载荷，且在循环状态下工作。5、压铸模 主要的失效形式是磨损失效、粘模失效、侵蚀失效、冷热疲劳等。三 塑料模的服役条件及失效形式服役条件及失效形式 塑料模是用于成型塑料制品的模具。塑料模注射模压缩模挤出模气动成型模 塑料模按成型固化不同可分为：压注模 根据成型方法的不同，塑料模可分为：塑料模热固性成型塑料模热塑性成型塑料模 热固性塑料模工作温度为150250，工作压力约为20008000MPa，物料以固体粉末状态或预制坯料状态进入模具型腔。受力大、易磨损、受热、有时腐蚀。热塑性塑料模工作温度为150250，工作压力约为20006000MPa，物料以粘流状态进入模具型腔。受压、易磨损、受热、有时腐蚀，但不严重。主要的失效形式是磨损失效、腐蚀失效、塑性变形失效、断裂失效、疲劳磨损失效等。1.失效与使用寿命的概念2.失效形式与机理本节重点