常见模具失效形式及机理.

疲劳裂纹扩展
●裂纹扩展第一阶段 滑移面的取向与拉应力轴呈45º 角，扩展深度一般为几微米 到100微米
●裂纹扩展第二阶段
疲劳裂纹扩展速率
da C (K ) m dN
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 ΔK：应力强度因子振幅
(三) 断裂力学在模具失效分析中的作用
模具刃口的损伤过程 ①初期磨损阶段(局部塑变) ②稳定磨损阶段（塑变强化） ③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。 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。 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。
(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。
模具失效形式及机理
1、磨损失效 2、断裂失效 3、塑性变形失效及多种失效形式的交互作用
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 正常损耗失效 产品缺陷失效 失效 误用失效 受累性失效
按失效的形式及失效机理分类
过量弹性变形失效 过量变形失效 过量塑性变形失效,模具的塑性变形 蠕变超限 失 效 韧性断裂 蠕变断裂
二 热作模具的服役条件及失效形式
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。
锤锻模 压力机锻模 热作模具 热挤压模 热冲裁模 压铸模
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。 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。
疲劳裂纹
容易发生气蚀磨损的模具： 注塑模、压铸模
固体表面
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。
冲蚀磨损机理
●强烈撞击造成局部材料断裂 ●速度不高的反复撞击产生疲劳裂纹，形成麻点和凹坑
(五) 腐蚀磨损
什么叫腐蚀磨损？
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。
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。
最常见的失效形式是磨损失效和疲劳断裂失效。
4.冷挤压模
晶体结构
晶体点阵（晶格）
点缺陷
线缺陷（位错）
从原子点看位错运动
从线角度看位错运动
(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）。
穿晶断裂原理
●位错塞积理论
σ
●位错反应理论
σ σ c σ
(001)
σ 塞积理论
(101)
σ
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。
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。
腐蚀磨损机理
模具表面与周围介质发生化学或电化学反应
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。
影响磨粒磨损的因素
●磨粒的大小和形状
●磨粒硬度Hm与模具材料硬度H0
●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
(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。
●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。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。
冷作模具
1.冷冲裁模
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。 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。 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。 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。
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。
裂纹扩展的基本形式
1943年美国T-2油轮发生断裂
北 极 星 导 弹
断裂的分类及其特征
晶体结构的几个基本概念 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
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。
(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。
磨粒磨损机理示意图
估计模具承载能力
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
c K1C ac
估计模具剩余寿命
ac a0 Ny (da / dN )
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
1.过量弹性变形失效
模具的塑性变形
凹模模口胀大
冲头弯曲
冲头镦粗
凹模的塌陷
塑性变形失效机理
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：
●室温下，机械负荷和模具的室温强度 ●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
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。
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 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2000～2500MPa），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。 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） 。
TITANIC:沉没与船体材料的质量直接有关
Titanic
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σb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σb（3040kg/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。
脆性断裂 断裂失效 应力腐蚀断裂 模具局部 疲劳断裂 断裂示意 表面磨损失效 图 表面损伤失效 表面腐蚀失效 接触疲劳失效
1、表面损伤失效
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。 找出失效原因，并提出防护措施
磨粒磨损
表面损伤失效 (磨损失效）
粘着磨损 疲劳磨损 其它磨损 气蚀磨损 冲蚀磨损 腐蚀磨损
2、沿晶断裂
裂纹沿晶界面扩展而造成金属材料的脆断。 材料本身的沉淀相 或杂质元素偏聚 环境介质或高温的 促进作用
晶界 弱化
沿晶裂纹
●晶界沿沉淀相造成的沿晶断裂 ●杂质元素偏聚造成的沿晶断裂
(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。
疲劳裂纹的萌生
●表面不均匀变形萌生裂纹 ●沿晶界萌生裂纹
腐蚀磨损分类
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Leabharlann Baidu时，称为断裂失效。
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。
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。
粘着磨损机理示意图
粘着磨损分类
磨 损 严 重 程 度
轻微粘着磨损（氧化磨损） 涂抹
严重粘着磨损 擦伤 撕脱 咬死
影响粘着磨损的因素
●表面压力
●材料性质 ●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
(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。
(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。
气蚀磨损机理
局部气压低于蒸汽压形成 气泡或液体中析出的气泡 形成泡沫海 绵状空穴
流到高 压区 气泡
破裂
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 模具浅表层产生
疲劳磨损机理
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
磨损剥落
裂纹源扩展到表面或 与纵向裂纹相交
影响疲劳磨损的因素
●材质
●硬度
●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。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。