第四章 模具材料抗失效性能指标和测试方法 模具寿命与失效 教学课件

当最大应力值随着外载荷的增加而成比 例地增加时，材料的断裂可有以下三种 情况：
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❖ 材料断裂的三种情况
1）脆性正断 当载荷增大，σmax>Sk，τmax<τs时，
材料发生正断，断裂前无塑性变形， 是脆性断裂。
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2）韧性切断
当载荷增大，τmax>τs，τmax>τk， σmax<Sk时，材料先发生塑性变形， 然后发生切断，是韧性断裂。
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❖ 例如：模具用钢
Cr6WV、Crl2MoV、W18Cr4V 淬火+低温回火后的硬度同为63HRC
时， 三者的抗压屈服强度依次递增。
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第二节 材料抵抗断裂失效的性能指标
模具的断裂失效是因为模具中的应力超过 了材料相应的断裂抗力。
模具承受载荷或应力的性质不同，模具断 裂的形式不同，则材料的断裂抗力指标也 不同。
手段的影响很小。
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二、塑性变形的抗力指标
模具发生塑性变形的根 本原因，是由于在外力 作用下，模具整体或局 部产生的应力值大于模 具材料屈服点的应力值 （图中的σS）。
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塑性变形的抗力指标
塑性变形失效的原因
模具材料本身的屈服强度不高，或热 处理不当而未能发挥材料的强度潜力 是塑性变形失效的主要原因；
➢ 适宜用压缩试验测定其压缩屈服点。 ➢ 压缩试验的性能数据与冲头工作时所表现出
来的塑变抗力基本吻合。
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冷作模具钢的塑性变形抗力指标
➢ 脆性较大的材料常用弯曲试验测定其抗 弯屈服点。
➢ 弯曲试验时，试样的塑变量（残余挠度） 较大，测试的灵敏度较高，因此可以较 准确地比较出相近材料或同一材料在不 同的热处理工艺条件下较小的性能差别。
模具寿命与失效
授课人：曾珊琪
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第四章 模具材料抗失效性能指标和测试方法
模具失效的实质就是在特定负荷作 用下，具有特定形状的模具材料的 失效。
材料可以用各种不同的性能指标来 反映材料对不同形式失效的抗力。
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第一节 材料抵抗过量变形失效的性能指标
模具的弹性变形不可避免，但其 弹性变形量不能超过一定的允许 值。
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❖影响脆性断裂的基本因素
1.材料的性质和健全度——内因； 2.模具的工作条件——外因： 应力状态； 工作温度； 加载速度； 环境介质等。
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一、快速断裂失效的抗力指标
（一）快速断裂的类型和方式 根据模具工作条件和所选用的材料不同，
快速断裂的类型有韧性断裂和脆性断裂。
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快速断裂的类型和方式
根据断裂裂纹扩展的途径，断裂形 式分为穿晶断裂和沿晶断裂。
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根据断口的宏 观表面对应力 的取向，断裂 形式分为正断 和切断。
操作不当或者意外因素引起的超载也 会造成塑变失效。
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塑性变形的抗力指标
根据模具不同的使用要求，采用不 同的模具材料时，衡量及测定其抵 抗材料塑性变形失效的性能指标也 有所区别。
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1、冷作模具钢的塑性变形抗力指标
抗压屈服强度或抗弯屈服强度。
➢ 冷作模具钢的碳含量较高，且在淬火和低温 回火状态使用，塑性较低、脆性较大。
材料抵抗塑性变形失效的性能指标 采用塑性变形抗力指标。
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一、弹性变形的抗力指标
材料抵抗弹性变形的性能指标主要是弹性模 量E和切变模量G，
弹性模量E：使材料产生单位正应变所需正 应力的大小。（σ/ε）
切变模量G：使材料产生单位切应变所需切 应力的大小。（τ/γ）
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Hale Waihona Puke 253）韧性正断当载荷增大，τmax>τs，σmax>Sk, τmax<τk时，材料先发生塑性变形， 然后发生正断，这种正断也是韧性断 裂。
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(二)影响脆性断裂的基本因素
脆性断裂事先没有明显的征兆 在名义应力较低的情况下突然发生
(故又称低应力脆断) 危害性最大。
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2、热作模具塑性变形的抗力指标
➢ 1）室温下的屈服强度 ➢ 2）回火抗力， ➢ 3）高温下的屈服强度。 ➢ 4）塑变抗力也可以用硬度指标来衡
量。
Why???
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❖硬度与抗压屈服强度的关系
模具材料的硬度在一定范围内与该材料 的抗压屈服强度成正比。
✓ 注意：屈服强度比硬度对材料的组织状 态敏感，相同硬度的不同材料，由于成 分和组织不同，它们的抗压屈服强度并 不相当。
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弹性变形的抗力指标
材料的E或G越大，在相同载荷下 产生的弹性变形越小，越不易发 生过量弹性变形失效。
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❖ 弹性模量和切变模量的影响因素
环境温度和材料截面形状、尺寸。 ✓ 减小模具的弹性变形，只能通过合理设
计模具提高其结构刚度来解决。 ✓ 材料的合金化、热处理、冷变形等强化
模具的塑性变形是不允许的，或 者只允许有局部的微小塑性变形。
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材料抵抗过量变形失效的性能指标
✓ 当模具的弹性变形量超过允许值 或发生比较明显的塑性变形时， 都会导致模具发生过量变形失效。
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允许变形量的 大小的依据是 什么?
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材料抵抗过量变形失效的性能指标
材料抵抗过量弹性变形失效的性能 指标采用弹性变形抗力指标
材料的断裂形式可分为：
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材料抵抗断裂失效的性能指标
快速断裂（一次断裂）：当模具中的应力 单调增加并超过一定的临界值时，材料迅 速发生的断裂。
疲劳断裂：当模具承受高于一定临界值的 交变应力作用时，尽管其最大应力低于材 料的屈服点，经过相当多周次的服役后， 材料所发生的断裂。
快速断裂失效的抗力指标
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❖工程上衡量材料抵抗变形和断裂的强度指标
1）正断抗力Sk 材料抵抗正断的性能指标； 2）切断抗力τk 材料抵抗切断的性能指标。 3）剪切屈服强度τs 材料对塑性变形的抗力指标。
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❖ 断裂方式分析
在外载荷作用下，根据最大切应力理论 和最大拉应变理论可以求出模具危险点 处的最大切应力值为τmax和最大正应力 值为σmax。