页数：93页文件大小：1.93 MB来源： 模具材料及失效ppt课件
本课件系统讲解模具的三大失效形式：磨损失效、断裂失效与塑性变形失效。磨损部分覆盖磨粒磨损、粘着磨损、疲劳磨损、气蚀与冲蚀磨损、腐蚀磨损的机理与防止措施；断裂部分从葛里菲斯理论、应力强度因子讲到一次性断裂与疲劳断裂；并说明多种失效形式的交互作用。
模具材料及失效分析
模具因类型不同、生产的产品不同，失效的形式也不同。
如：锻模失效主要因为尺寸不符合要求或锻模破裂；
塑料模具常常因表面光洁度不够而失效。
综合来讲，模具失效形式主要有三类：磨损、断裂、塑性变形
一、磨损分类根据模具的成形坯料、使用状况，其磨损机理可以分为：磨粒磨损、粘着磨损、疲劳磨损、气蚀和冲蚀磨损、腐蚀磨损
二、磨粒磨损(一)磨粒磨损的机理（图3-1、图3-2
一)粘着磨损的机理模具与工件表面的实际接触面积只有名义上的0.01-0.1%，只有少数微观凸起处接触，压力很大，引起塑性变形，加上表面因摩擦而温度升高，局部金属软化或熔化，使表层的氧化膜破裂，使新鲜材料暴露，造成工件与模具材料纯金属接触，分子间互相吸引、渗透、粘着，使这些突起处联接起来。
随着相对运动的进行和接触部分的温度急剧下降，突起处相当于进行了一次局部淬火，使粘着部分材料强度增加，形成淬火裂纹，最后造成撕裂和剥落。
图3-5为粘着磨损过程
二）粘着磨损的分类根据磨损程度，分为：轻微粘着磨损（氧化磨损）和严重粘着磨损（涂抹、擦伤、胶合）。
图3-6。
轻微粘着磨损（氧化磨损）：粘结点强度低于模具和工件的强度时发生。
接点的剪切损坏基本上发生在粘着面上，表面材料的转移十分轻微
二）粘着磨损的分类涂抹：粘结点强度介于模具和工件的强度之间时发生。
接点的剪切损坏发生在离粘着面不远的较软金属的浅层内，使较软金属粘附并涂抹在较硬金属表面上
二）粘着磨损的分类擦伤：粘结点强度高于模具和工件的强度时发生。
接点剪切损坏主要发生在较软金属的浅层内，有时硬金属表面也有擦痕。
转移到硬表面上的粘结物又擦削较软表面。
如铜与钢摩擦时，剪切大多发生在铜表层内，但钢表面也残留少量的小坑
二）粘着磨损的分类胶合（咬死）：粘结点强度远远高于模具和工件的强度时发生。
摩擦副之间粘着面积较大，不能作相对运动称咬死。
剪切发生在模具或工件较深的地方
载荷对碳钢表面磨损量的影响
三）影响粘着磨损的因素②材料性质脆性材料比塑性材料粘着倾向小。
塑性材料接点的断裂常发生在离表面较深处，磨损下来的颗粒较大；
而脆性材料接点破坏处离表面较浅，磨屑呈细片状。
密排六方结构的金属材料粘着倾向小，面心立方点阵的金属粘着倾向明显大于其他点阵的金属；
多相的金属比单相的金属粘着倾向小；
互溶性大的材料(包括相同金属或相同晶格类型的金属)所组成的摩擦副粘着倾向大；
互溶性小的材料(异种金属或晶格结构不相近的金属)组成的摩擦副粘着倾向小
三）影响粘着磨损的因素③材料硬度模具材料和工件材料的硬度相差越大，磨损越小；
反之，磨损越大
四)提高耐粘着磨损性能的措施
四、疲劳磨损(一)疲劳磨损的机理在承受力和相对运动的情况下，模具表面及亚表面不仅有多变的接触应力而且还有切应力，这些外力反复作用一定周次后，模具表面就会产生局部塑性变形和加工硬化。
在某些组织不均匀处，由于应力集中，形成裂纹源，并沿着切应力方向或夹杂物走向发展。
当裂纹扩展到表面时或与纵向裂纹相交时，形成磨损剥落。
模具疲劳磨损有机械疲劳磨损、冷热疲劳磨损
五、气蚀磨损和冲蚀磨损（一）气蚀磨损产生机理：模具与液体表面接触作相对运动时，在液体与模具接触处的局部压力比液体蒸发压力低的情况下，形成气泡，同时溶解在液体中的气体也可能析出形成气泡，如果这些气泡流到高压区，当承受压力超过气泡内压力时，气泡就会破裂，在瞬间产生极大的冲击力和高温，作用于模具表面上。
气泡的形成和压溃的反复作用，使零件表面疲劳破坏，产生麻点，随后扩展成海绵状空穴，这种磨损称为气蚀磨损
五、气蚀磨损和冲蚀磨损（三）提高抗气蚀磨损和冲蚀磨损的措施气蚀磨损和冲蚀磨损都称为侵蚀磨损。
它们都可以看成疲劳磨损的派生形式。
因为就本质上来说，都是由于机械力造成的表面疲劳破坏，但液体的化学和电化学作用加速了它们的破坏速度。
在注塑模具和压铸模具中易出现。
若材料具有较好的抗疲劳性和抗腐蚀性，又有较高的强度和韧性，材料的抗气蚀磨损和冲蚀磨损性能就好。
工艺上，降低流体对模具表面的冲击速度，避免涡流，消除产生气蚀的条件，可有效减少气蚀和冲蚀磨损
六、腐蚀磨损（一）腐蚀磨损的机制（两个阶段）第一阶段：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，形成反应物；
第二阶段：表面反应物在随后的摩擦过程中被磨掉。
反应物被磨掉后，新鲜表面暴露出来，重新与周围介质发生化学或电化学反应，重复第一阶段
六、腐蚀磨损腐蚀磨损常发生在高温或潮湿的环境中，尤其在有酸、碱、盐等特殊条件下最易发生。
模具常见的腐蚀磨损形式有：氧化腐蚀磨损、特殊介质腐蚀磨损
六、腐蚀磨损（二）氧化腐蚀磨损在摩擦过程中，由于金属表层凸峰的塑性变形，促使原有的氧化膜破裂，新的材料暴露后又与氧结合形成脆而硬的氧化膜。
由于氧化膜不断生成与剥落造成的磨损称为氧化磨损。
模具服役时一般都会出现氧化磨损。
一般情况下氧化膜能使金属表面免于粘着，氧化磨损一般要比粘着磨损缓慢，因而可以说氧化磨损能起到保护摩擦副的作用
六、腐蚀磨损（三）特殊介质腐蚀磨损在腐蚀环境中，金属表面与酸、碱、盐等特殊介质发生化学反应，形成化合物。
在摩擦力的作用下，表层化合物剥落而引起的磨损称为特殊介质腐蚀磨损。
为了防止和减轻腐蚀磨损，可从表面处理工艺、润滑材料及添加剂的选择等方面采取措施
七、磨损的交互作用模具表面的磨损往往多种形式并存，并相互促进。
如；
模具表面发生粘着磨损后，形成的磨粒会引发磨粒磨损；
而磨粒磨损造成模具表面更加粗糙，又会促进粘着磨损；
模具表面疲劳磨损后，形成的磨粒同样会引发磨粒磨损；
而磨粒磨损造成模具表面更加粗糙，也会促进粘着磨损、疲劳磨损。
腐蚀磨损也会促进磨粒磨损、疲劳磨损、粘着磨损
第二节断裂失效模具出现大裂纹或分离为两部分或数部分，丧失服役能力时，称为断裂失效
一断裂力学的基本概念（一）葛里菲斯理论为什么玻璃等脆性材料的实际强度远低于其理论强度？
根据葛里菲斯理论，由于玻璃中存在微小裂纹，降低了玻璃强度
一）葛里菲斯理论模型：单位厚度薄板，受单向均匀拉应力σ，两端固定，构成能量封闭系统。
图3-13。
此时平板内单位体积储存的弹性应变能为
一）葛里菲斯理论如果在板内沿垂直于拉应力方向开一长度为2a（远小于板宽及板长）的穿透裂纹。
裂纹出现后，板内弹性应变能一部分释放，释放的能量设为U。
U—裂纹释放的能量；
E，μ—材料的弹性模量和泊松比
一）葛里菲斯理论裂纹出现后，形成两个新表面，增加表面能W，设单位面积的表面能为T，新增加的表面能为：则，裂纹出现后，板中能量改变量F为
一）葛里菲斯理论图3-14为能量随裂纹长度a的变化。
当a<aC时，裂纹处于稳定状态；
当a>aC时，裂纹将自发扩展。
2aC为临界裂纹长度。
利用能量求极值可得临界条件为：即
一）葛里菲斯理论因此，裂纹自发扩展的临界应力σc为
一）葛里菲斯理论因此，裂纹自发扩展的临界裂纹长度2ac为
一）葛里菲斯理论葛里菲斯理论只能应用于完全脆性材料。
模具材料多为塑性材料，在裂纹尖端附近区域要产生塑性变形。
裂纹扩展所释放的能量不仅用于表面能，还要用于裂纹扩展前沿的塑性功。
假设单位面积裂纹表面消耗的塑性变形功为P,则上述方程中要用T+P代替T,由于T<<P，因此可略去T+P中的T
裂纹自发扩展的临界裂纹长度2ac修正为：则考虑裂纹尖端塑性变形后，裂纹自发扩展的临界应力σc修正为：（一）葛里菲斯理论
当有2a长的裂纹出现后，弹性体释放的能量为：葛里菲斯理论指出，裂纹扩展的过程是能量转换过程。
（二）应变能释放率及断裂韧性能量释放率q为：q的临界值称为断裂韧性
二）应变能释放率及断裂韧性联解：得：qI的大小反映了材料抗断裂破坏的能力
三）裂纹尖端附近的应力场和应力强度因子裂纹尖端附近的应力场和应变场与裂纹的变形方式有关。
共有三种变形方式（图3-15）：张开型、滑开型、撕开型。
在上述三种裂纹变形方式中，张开型裂纹最常见也最危险。
下面主要讨论张开型裂纹的情况
三）裂纹尖端附近的应力场和应力强度因子下面主要讨论张开型裂纹的情况
三）裂纹尖端附近的应力场和应力强度因子应用弹性理论分析得到（图3-16），在r<<a时，裂纹前沿各点的应力如下
三）裂纹尖端附近的应力场和应力强度因子应用弹性理论分析得到，在r<<a时，裂纹前沿各点的位移如下：其中：u-–x方向的位移；
v-–y方向的位移；
G—切变模量；
r,θ—极坐标中的极径和极角
三）裂纹尖端附近的应力场和应力强度因子控制断裂的三个主要因素
三）裂纹尖端附近的应力场和应力强度因子定义：则，裂纹前沿各点的应力可改写为
三）裂纹尖端附近的应力场和应力强度因子裂纹前沿各点的应力和位移由KI和坐标（r,θ）决定。
当KI确定后，不管σ和a如何变化，裂纹前沿的应力场和位移场完全相同。
KI称为应力强度因子。
应力强度因子是表征裂纹尖端应力场和位移场的一个有效参数。
裂纹前沿各点的位移可改写为
三）裂纹尖端附近的应力场和应力强度因子对于承受不同应力和不同几何形状的裂纹体，应力强度因子的一般表达式为：Y与裂纹形状有关。
图3-17。
时，发生脆性断裂。
KIC是材料常数。
由上式可求得对应于裂纹长度a的断裂应力σC或对应于应力σ的临界裂纹长度aC
三）裂纹尖端附近的应力场和应力强度因子对于I型裂纹，由上面两个式子，得断裂韧度qI和临界应力强度因子KIC都是材料常数，都是表征材料抗裂纹扩展能力的参数。
（3-9
四）小范围屈服条件下应力强度因子KI的修正根据前面分析（式3-14），当r→0时，σY→∞。
图3-18。
但在实际金属材料中，当裂纹尖端的正应力等于或大于屈服应力σYS，材料就要屈服，产生塑性变形，从而使裂纹尖端区域的应力松弛，也就是说，裂纹尖端的应力不可能无限大
四）小范围屈服条件下应力强度因子KI的修正1.裂纹尖端屈服区域的大小和形状根据材料力学主应力的计算公式
四）小范围屈服条件下应力强度因子KI的修正将式3-14带入上面公式，得利用Mises屈服准则（3-21）（3-22
四）小范围屈服条件下应力强度因子KI的修正在平面应力下，将式（3-
四）小范围屈服条件下应力强度因子KI的修正在平面应变下，（3-25）裂纹尖端屈服区的边界方程为在x轴上（θ=0）（3-26
四）小范围屈服条件下应力强度因子KI的修正2.考虑应力松弛对塑性区大小的修正上述讨论没有考虑塑性区的应力松弛。
实际上，材料屈服后，最大主应力等于屈服应力，因此，图3-19中r<r0范围内过大的应力会转移到r>r0区域，从而扩大了塑性区。
在未屈服以前，裂纹尖端θ=0的平面内法向应力分布规律如图3-20中FBE所示，应力大小为
四）小范围屈服条件下应力强度因子KI的修正2.考虑应力松弛对塑性区大小的修正此法向应力在其净面积上的总和（即内力）应与外力平衡，此内力等于FBE曲线下的面积。
出现应力松弛后，在裂纹尖端θ=0的平面内，的分布规律如图3-20中的ACD所示，ACD曲线下的面积应与曲线FBE下的面积相等。
由于BE和CD两段均代表弹性应力场的变化规律，因此其下的面积相等。
则，FB曲线段下的面积应等于AC直线段下的面积
四）小范围屈服条件下应力强度因子KI的修正2.考虑应力松弛对塑性区大小的修正令AC=R，则则：由此可得，应力松弛后，屈服区域在x轴上扩大了一倍。
（3-28
四）小范围屈服条件下应力强度因子KI的修正2.考虑应力松弛对塑性区大小的修正应力松弛后，屈服区域在x轴上扩大了一倍
四）小范围屈服条件下应力强度因子KI的修正2.考虑应力松弛对塑性区大小的修正平面应变下，由于为拉应力，裂纹尖端的材料处于三向拉应力状态。
因此，材料y方向的屈服极限不再等于单向拉伸的屈服极限
四）小范围屈服条件下应力强度因子KI的修正3.应力强度因子KI的修正前面介绍，假设裂纹尖端不存在屈服区时，则在θ=0的裂纹平面内，其分布如图3-21中FBE，当发生松弛后，屈服区域x轴上的极限尺寸为R，实际的应力分布如图3-21中ABCD所示
四）小范围屈服条件下应力强度因子KI的修正3.应力强度因子KI的修正假想把裂纹尖端沿O x轴从O点向右移动ry的距离，到达O1点，此时的裂纹长度就从2a0变成2(a0+ry),称之为有效裂纹长度。
下面计算ry的值。
由于在C点，而该点在O1点为原点的坐标中的坐标为r=R-ry，于是
四）小范围屈服条件下应力强度因子KI的修正3.应力强度因子KI的修正有效裂纹长度
四）小范围屈服条件下应力强度因子KI的修正3.应力强度因子KI的修正由此得到在平面应力下，有：则
四）小范围屈服条件下应力强度因子KI的修正3.应力强度因子KI的修正在平面应变下，有：则
四）小范围屈服条件下应力强度因子KI的修正3.应力强度因子KI的修正这时有效应力强度因子为：平面应力
四）小范围屈服条件下应力强度因子KI的修正3.应力强度因子KI的修正这时有效应力强度因子为：平面应变
脆性断裂脆性断裂指断裂时不发生塑性变形或只发生很小的塑性变形（小于2-5%）的断裂。
包括一次性断裂、疲劳断裂。
1）一次性断裂指在承受很大变形力或在冲击载荷的作用下，裂纹产生并迅速发展所造成的断裂。
断口呈结晶状。
2）疲劳断裂指在较低应力下，经反复使用，裂纹缓慢扩展后发生的断裂。
断口呈纤维状
三、一次性断裂包括穿晶断裂，沿晶断裂（一）穿晶断裂是一种解理断裂，指沿着特定的晶面的断裂。
解理面一般是低指数或表面能最低的晶面，如体心立方的解理面为{001}，密排六方为{0001}。
解理断裂常见于体心立方和密排六方金属及合金，低温、冲击载荷和应力集中常促使解理断裂的发生。
面心立方金属很少发生解理断裂
三、一次性断裂1.位错塞积理论该理论的核心是位错遇障碍受阻，形成位错塞积群，产生应力集中。
当该应力中的正应力达到材料断裂强度时，即萌生裂纹
三、一次性断裂1.位错塞积理论解理裂纹的产生，并不是靠先天存在的裂纹，而是靠塑性变形。
金属材料在切应力作用下，局部发生变形时，某一滑移面上的位错源开始启动，产生一系列位错，位错沿滑移面的滑移方向前进，当遇到障碍物如晶界、孪晶界时即发生塞积（如界面O处），从而引起应力集中。
这种应力集中有两种可能：一种为激发邻近晶粒的位错源，产生新位错，使屈服从一晶粒传播到另一晶粒；
另一种假如不能使邻近晶粒屈服，则在某一方面上（与滑移方向呈θ角）因产生的最大拉应力达到理论断裂强度时便会产生解理裂纹
2.位错反应理论
2.位错反应理论在体心立方金属中，有滑移面(1
解理断裂通常是宏观脆性断裂，它的裂纹发展十分迅速，常常造成零件或构建灾难性的总崩溃。
断口特征：“河流花样”，河流花样中的每条支流都对应着一个不同高度的相互平行的解理面之间的台阶。
解理裂纹扩展过程中，众多的台阶相互汇合，便形成了河流花样。
河流的流向恰好与裂纹扩展方向一致。
可以根据河流花样的流向，判断解理裂纹在微观区域内的扩展方向
二、断裂分类断口形貌结晶状断口
四、疲劳断裂模具在循环载荷下服役一段时间后发生的断裂。
两个阶段：裂纹萌生、裂纹扩展。
（一）裂纹萌生1.表面不均匀变形萌生裂纹2.沿晶界萌生裂纹3.沿夹杂和第二相萌生裂纹
一）裂纹萌生1.表面不均匀变形萌生裂纹模具在尺寸过渡、刀痕、磨痕等处易产生应力集中。
在载荷作用下，当这些地方的应力超过材料的屈服强度时，便产生滑移
四、疲劳断裂（二）裂纹扩展两个阶段：第一阶段：裂纹与拉应力方向呈45o角。
第二阶段：裂纹与拉应力方向垂直
裂纹疲劳条带的产生过程（疲劳裂纹的扩展过程）裂纹张开—钝化—变锐的模型：(a)表示交变应力为零时，裂纹闭合的图形。
当拉应力增加时裂纹张开、裂纹尖端由于应力集中而沿45°方向产生滑移，(b)中箭头所示。
当拉应力达到最大时，裂纹尖端变成了近似半圆形，发生钝化(c)，裂纹张至最大，使裂纹尖端的应力集中减小，裂纹停止扩展（塑性钝化）。
当应力变为压应力时，滑移沿相反方向进行，裂纹表面被压缩（d）。
当压应力为最大值时，裂纹便完全闭合（e
四、疲劳断裂
四、疲劳断裂（三）裂纹扩展速率在裂纹扩展第二阶段，裂纹每经过一个加载-卸载循环后，便增加了一段长度△a。
定义da/dN为裂纹扩展速率。
C、m为材料常数。
N-应力循环次数。
△K-应力强度因子振幅（△K=Kmax-Kmin
第三节塑性变形失效及多种失效形式的交互作用一、塑性变形失效模具在使用过程中，发生了塑性变形，改变了几何形状和尺寸，而不能修复再服役时，称为塑性变形失效。
塑性变形的失效形式有塌陷、弯曲、墩粗、模孔涨大等
第三节塑性变形失效及多种失效形式的交互作用磨损、断裂、塑性变形等失效形式交互作用，最终导致模具的失效
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