1、2023年7月29日星期六模具的失效及使用寿命模具的失效及使用寿命 第二章第二章 模具寿命及其对工业生产的影响模具寿命及其对工业生产的影响模具失效的基本概念模具失效的基本概念 模具服役：模具服役：模具安装调试好后，正常生产合格产品模具安装调试好后，正常生产合格产品的过程。的过程。模具损伤：模具损伤：模具在使用过程中，出现尺寸变化或微模具在使用过程中，出现尺寸变化或微裂纹，但没有立即丧失服役能力的状态。裂纹，但没有立即丧失服役能力的状态。模具寿命及其对工业生产的影响模具寿命及其对工业生产的影响模具失效的基本概念模具失效的基本概念3 3 模具失效模具失效模具失效：模具失效：模具受到损坏，不能通过修
2、复而继续服役。模具受到损坏，不能通过修复而继续服役。模具的失效分为模具的失效分为非正常失效非正常失效和和正常失效正常失效。非正常失效非正常失效(早期失效早期失效)是指模具未达到一定的工业水平是指模具未达到一定的工业水平下公认的寿命时就不能服役。早期失效的形式有塑性变下公认的寿命时就不能服役。早期失效的形式有塑性变形、断裂、局部严重磨损等。形、断裂、局部严重磨损等。正常失效正常失效是指模具经大批量生产使用，因缓慢塑性变形是指模具经大批量生产使用，因缓慢塑性变形或较均匀地磨损或疲劳断裂而不能继续服役。或较均匀地磨损或疲劳断裂而不能继续服役。模具失效形式及机理模具失效形式及机理 模具因类型不同、生产
3、的产品不同，失效的形式也模具因类型不同、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。裂；塑料模具常常因表面光洁度不够而失效。综合来讲，综合来讲，模具失效形式主要有三类：模具失效形式主要有三类：磨损、断裂、磨损、断裂、塑性变形。塑性变形。模具失效形式及机理模具失效形式及机理 第一节第一节 磨损失效磨损失效 磨损的概念：磨损的概念：由于表面的相对运动，从接触表面逐渐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。失去物质的现象称为磨损。模具的磨损：模具的磨损：坯料与模具
4、之间接触，成型过程中产生坯料与模具之间接触，成型过程中产生相对运动，造成磨损。相对运动，造成磨损。磨损的结果磨损的结果:(:(1)1)模具尺寸发生变化模具尺寸发生变化；(2)(2)模模具表面状具表面状态发生变化，如粗糙度增加、产生划痕等。态发生变化，如粗糙度增加、产生划痕等。一、磨损分类一、磨损分类 根据模具的成形坯料、使用状况，其磨损机理可以根据模具的成形坯料、使用状况，其磨损机理可以分为：分为：磨粒磨损、粘着磨损、疲劳磨损、气蚀和冲蚀磨磨粒磨损、粘着磨损、疲劳磨损、气蚀和冲蚀磨损、腐蚀磨损。损、腐蚀磨损。模具失效形式及机理模具失效形式及机理二、磨粒磨损二、磨粒磨损 磨粒磨损的定义磨粒磨损的
5、定义:在在工件和模具接触表面之间工件和模具接触表面之间存在外来硬质颗粒或者工存在外来硬质颗粒或者工件表面的硬突出物，刮擦件表面的硬突出物，刮擦模具表面，引起模具表面模具表面，引起模具表面材料脱落的现象叫磨粒磨材料脱落的现象叫磨粒磨损。损。第三章第三章 模具失效形式及机理模具失效形式及机理主要特征是模具表面有明显的划痕或犁沟，磨损物为主要特征是模具表面有明显的划痕或犁沟，磨损物为条状或切屑状。条状或切屑状。二、磨粒磨损二、磨粒磨损(一一)磨粒磨损的机理磨粒磨损的机理（图（图3-13-1、图、图3-23-2）模具失效形式及机理模具失效形式及机理磨料磨损时，作用在质点上的力分为磨料磨损时，作用在质点
6、上的力分为垂直分力垂直分力和和水平水平分力分力。垂直分力垂直分力使硬质点压入材料表面；使硬质点压入材料表面；水平分力水平分力使硬质点与表面之间产生相对位移，硬质点使硬质点与表面之间产生相对位移，硬质点与材料相互作用的结果，使被磨损表面产生犁皱或切屑，与材料相互作用的结果，使被磨损表面产生犁皱或切屑，形成磨损或在表面留下沟槽。形成磨损或在表面留下沟槽。二、磨粒磨损二、磨粒磨损(一一)磨粒磨损的机磨粒磨损的机理理（图（图3-13-1、图、图3-23-2）模具失效形式及机理模具失效形式及机理二、磨粒磨损二、磨粒磨损(二二)影响磨粒磨损的因影响磨粒磨损的因素素磨粒大小与形状磨粒大小与形状磨粒硬度和模具
7、材料硬度磨粒硬度和模具材料硬度模具与工件表面压力模具与工件表面压力磨粒尺寸与工件厚度的相磨粒尺寸与工件厚度的相对比值对比值 模具失效形式及机理模具失效形式及机理二、磨粒磨损二、磨粒磨损(三三)提高耐磨粒磨损的措施提高耐磨粒磨损的措施 提高模具材料的硬度提高模具材料的硬度 进行表面耐磨处理进行表面耐磨处理 采用防护措施采用防护措施 模具失效形式及机理模具失效形式及机理三、粘着磨损三、粘着磨损 粘着磨损的定义：粘着磨损的定义：工件与模具表面相对运动时，由工件与模具表面相对运动时，由于表面凹凸不平，粘着的结点发生剪切断裂，使模具表于表面凹凸不平，粘着的结点发生剪切断裂，使模具表面的材料转移到工件上或
8、脱落的现象。面的材料转移到工件上或脱落的现象。模具失效形式及机理模具失效形式及机理 要特征是磨损产物要特征是磨损产物多为片状或小颗粒。多为片状或小颗粒。(一一)粘着磨损的机理粘着磨损的机理 模具与工件表面的实际接触面积只有名义上模具与工件表面的实际接触面积只有名义上的的 0.01-0.1%0.01-0.1%，只有少数微观凸起处接触，压力很大，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
9、间互相吸露，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，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。图形成淬火裂纹，最后造成撕裂和剥落。图3-53-5为粘着磨为粘着磨损过程。损过程。模具失效形式及机理模具失效形式及机理（二）粘着磨损的分类（二）粘着磨损的分类 根据磨损程度，分为：轻微粘着磨损（根据磨损程度，分为：轻微粘着磨损（氧化磨损
10、氧化磨损）和严重粘着磨损（和严重粘着磨损（涂抹、擦伤、胶合涂抹、擦伤、胶合）。图）。图3-63-6。模具失效形式及机理模具失效形式及机理轻微粘着磨损（氧化磨损）轻微粘着磨损（氧化磨损）：粘结点强度：粘结点强度低于低于模具和模具和工件的强度时发生。工件的强度时发生。接点的剪切损坏基本上发生在粘着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。面上，表面材料的转移十分轻微。（二）粘着磨损的分类（二）粘着磨损的分类 模具失效形式及机理模具失效形式及机理涂抹：涂抹：粘结点强度粘结点强度介于介于模具和工件的强度之间时模具和工件的强度之间时发生。发生。接点的剪切损坏发生在离粘着面不远的较接点的
11、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。金属表面上。（二）粘着磨损的分类（二）粘着磨损的分类 模具失效形式及机理模具失效形式及机理擦伤：擦伤：粘结点强度粘结点强度高于高于模具和工件的强度时发生。模具和工件的强度时发生。接接点剪切损坏主要发生在较软金属的浅层内，有时硬金属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，但钢面。如铜与钢摩擦时，剪切大多发生在铜表层内，但钢表面
12、也残留少量的小坑；表面也残留少量的小坑；（二）粘着磨损的分类（二）粘着磨损的分类 模具失效形式及机理模具失效形式及机理胶合（胶合（咬死）咬死）：粘结点强度粘结点强度远远高于远远高于模具和工件的强模具和工件的强度时发生。度时发生。摩擦副之间粘着面积较大，不能作相对运动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。称咬死。剪切发生在模具或工件较深的地方。模具失效形式及机理模具失效形式及机理载荷对碳钢表面磨损量的影响载荷对碳钢表面磨损量的影响（三）影响粘着磨损的因素（三）影响粘着磨损的因素 表面压力表面压力 T1（接触压应力小于材接触压应力小于材料硬度的料硬度的1/3
13、），磨损主要），磨损主要是通过氧化碎屑的脱落而产是通过氧化碎屑的脱落而产生的，属于轻微氧化磨损区；生的，属于轻微氧化磨损区；T1与与T2之间为严重磨损之间为严重磨损区，磨屑尺寸增大，加厚，区，磨屑尺寸增大，加厚，且多为金属屑；且多为金属屑；当载荷继续增大超过当载荷继续增大超过T2后，表面内摩擦增大而温度后，表面内摩擦增大而温度很高，可能发生相变，并形很高，可能发生相变，并形成白层，形成不易破碎的氧成白层，形成不易破碎的氧化膜，因而耐磨。化膜，因而耐磨。（三）影响粘着磨损的因素（三）影响粘着磨损的因素 材料性质材料性质 脆性材料比塑性材料粘着倾向小。塑性材料形成的粘脆性材料比塑性材料粘着倾向小。
14、塑性材料形成的粘着结点的破坏以塑性流动为主，它发生在离表面一定的深着结点的破坏以塑性流动为主，它发生在离表面一定的深度处，磨屑较大。而脆性材料粘结点的破坏主要是剥落，度处，磨屑较大。而脆性材料粘结点的破坏主要是剥落，损伤深度较浅，同时磨屑容易脱落，不堆积在表面上。损伤深度较浅，同时磨屑容易脱落，不堆积在表面上。密排六方结构的金属材料粘着倾向小，面心立方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；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；多相的金属比单相的金属粘着倾向小；互溶性大的材料互溶性大的材料(包括相同金属或相同晶格
15、类型的包括相同金属或相同晶格类型的金属金属)所组成的摩擦副粘着倾向大；互溶性小的材料所组成的摩擦副粘着倾向大；互溶性小的材料(异种异种金属或晶格结构不相近的金属金属或晶格结构不相近的金属)组成的摩擦副粘着倾向小。组成的摩擦副粘着倾向小。模具失效形式及机理模具失效形式及机理（三）影响粘着磨损的因素（三）影响粘着磨损的因素 材料硬度材料硬度 模具材料硬度越大，磨损越小；反之，磨损模具材料硬度越大，磨损越小；反之，磨损越大。越大。模具失效形式及机理模具失效形式及机理(四四)提高耐粘着磨损性能的措施提高耐粘着磨损性能的措施 合理选用模具材料合理选用模具材料 选与工件互溶性小的材料，减小亲合力，降低选与
16、工件互溶性小的材料，减小亲合力，降低粘结的可能性。粘结的可能性。合理选用润滑剂和添加剂合理选用润滑剂和添加剂 润滑油膜一方面可防止金属表面直接接触，另一方润滑油膜一方面可防止金属表面直接接触，另一方面可减小摩擦，成倍提高抗粘着磨损的能力。面可减小摩擦，成倍提高抗粘着磨损的能力。采用表面处理采用表面处理 通过表面化学热处理，如渗硫、硫氮共渗、磷化、通过表面化学热处理，如渗硫、硫氮共渗、磷化、软氮化等热处理工艺，使表面生成一化合物薄膜，或为软氮化等热处理工艺，使表面生成一化合物薄膜，或为硫化物，磷化物，含氮的化合物，使摩擦系数减小，起硫化物，磷化物，含氮的化合物，使摩擦系数减小，起到减磨作用也减小
17、粘着磨损。到减磨作用也减小粘着磨损。模具失效形式及机理模具失效形式及机理四、疲劳磨损四、疲劳磨损 疲劳磨损的定义：疲劳磨损的定义：工件与模具表面相对运动时，在工件与模具表面相对运动时，在循环应力（机械应力与热应力）的作用下，使模具表层循环应力（机械应力与热应力）的作用下，使模具表层金属材料疲劳脱落的现象。金属材料疲劳脱落的现象。模具失效形式及机理模具失效形式及机理接触疲劳磨损，主要特征为磨损表面有裂纹、小坑接触疲劳磨损，主要特征为磨损表面有裂纹、小坑等，磨损产物为块状或饼状。等，磨损产物为块状或饼状。模具失效形式及机理模具失效形式及机理四、疲劳磨损四、疲劳磨损(一一)疲劳磨损的机理疲劳磨损的机
18、理 在承受力和相对运动的情况下，模具表面及亚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。纹扩展到表面时或与纵向裂纹相交时，形成磨损剥落。模具疲劳磨损有模具疲劳磨损有机械疲劳
19、磨损、冷热疲劳磨损机械疲劳磨损、冷热疲劳磨损。模具失效形式及机理模具失效形式及机理四、疲劳磨损四、疲劳磨损（二（二)影响疲劳磨损的因素影响疲劳磨损的因素材质：钢材的冶金质量，如：夹杂物类型、大小、材质：钢材的冶金质量，如：夹杂物类型、大小、形貌、分布。特别是脆性、带棱角的非金属夹杂物。形貌、分布。特别是脆性、带棱角的非金属夹杂物。硬度：硬度：图图3-83-8。一般情况下，材料抗疲劳磨损能力随一般情况下，材料抗疲劳磨损能力随表面硬度的增加而增强，而表面硬度一旦越过一定表面硬度的增加而增强，而表面硬度一旦越过一定值，则情况相反。值，则情况相反。表面粗糙度：表面粗糙度低，接触面积大，接触应表面粗糙度
20、：表面粗糙度低，接触面积大，接触应力小，提高抗疲劳磨损能力。力小，提高抗疲劳磨损能力。模具失效形式及机理模具失效形式及机理四、疲劳磨损四、疲劳磨损(三三)提高耐疲劳磨损的措施提高耐疲劳磨损的措施合理选择润滑剂合理选择润滑剂 润滑剂可避免模具与工件表面直接接触，并均润滑剂可避免模具与工件表面直接接触，并均化接触应力，缓冲冲击。润滑剂粘度越高越好，固体润化接触应力，缓冲冲击。润滑剂粘度越高越好，固体润滑剂比液体润滑剂好。滑剂比液体润滑剂好。进行表面强化处理进行表面强化处理 采用喷丸、滚压等强化方法，使模具工作表面采用喷丸、滚压等强化方法，使模具工作表面金属受压缩产生塑性变形，并产生宏观压缩应力，有
21、利金属受压缩产生塑性变形，并产生宏观压缩应力，有利于提高抗疲劳磨损的能力。于提高抗疲劳磨损的能力。五、气蚀磨损和冲蚀磨损五、气蚀磨损和冲蚀磨损（一）气蚀磨损（一）气蚀磨损 定义：定义：模具表面的气泡破裂，产生瞬间的冲击和高模具表面的气泡破裂，产生瞬间的冲击和高温，使模具表面形成微小的麻点和凹坑的现象叫气蚀磨温，使模具表面形成微小的麻点和凹坑的现象叫气蚀磨损。损。模具失效形式及机理模具失效形式及机理五、气蚀磨损和冲蚀磨损五、气蚀磨损和冲蚀磨损（一）气蚀磨损（一）气蚀磨损 产生机理：产生机理：模具与液体表面接触作相对运动时，在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
22、力低的情况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。绵状空穴，这种磨损称为气蚀磨损
23、。模具失效形式及机理模具失效形式及机理五、气蚀磨损和冲蚀磨损五、气蚀磨损和冲蚀磨损（二）冲蚀磨损（二）冲蚀磨损 定义：定义：液体或固体微粒高速落到模具表面，反复冲液体或固体微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叫冲蚀磨损。坑的现象叫冲蚀磨损。当小液滴速度特别高，高于当小液滴速度特别高，高于100m/s 100m/s 时，产生的冲时，产生的冲击应力会超过材料的屈服强度，造成局部材料断裂。击应力会超过材料的屈服强度，造成局部材料断裂。模具失效形式及机理模具失效形式及机理五、气蚀磨损和冲蚀磨损五、气蚀磨损和
24、冲蚀磨损（三）提高抗气蚀磨损和冲蚀磨损的措施（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。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
25、磨损性能就好。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，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。消除产生气蚀的条件，可有效减少气蚀和冲蚀磨损。模具失效形式及机理模具失效形式及机理六、腐蚀磨损六、腐蚀磨损定义：定义：在摩擦过程中，模具表面与周围介质发生化学或电在摩擦过程中，模具表面与周围介质发生化学或电化学反应，再加上机械摩擦作用，引起表层材料脱落的现化学反应，再加上机械摩擦作用，引起表层材料脱落的现象叫腐蚀磨损。象叫腐蚀磨损。（腐蚀（腐蚀+磨损）磨损）模具失效形式及机理模具失效形式及机理
26、腐蚀磨损，它的主要特征是磨损表面有化学反应膜或小麻腐蚀磨损，它的主要特征是磨损表面有化学反应膜或小麻点，但麻点比较光滑。磨损物为薄的碎片或粉末。典型工点，但麻点比较光滑。磨损物为薄的碎片或粉末。典型工件如汽缸与活塞、船舶外壳、水力发电的水轮机叶片等。件如汽缸与活塞、船舶外壳、水力发电的水轮机叶片等。六、腐蚀磨损六、腐蚀磨损（一）腐蚀磨损的机制（一）腐蚀磨损的机制（两个阶段）（两个阶段）第一阶段：第一阶段：在摩擦过程中，模具表面与周围介质发生在摩擦过程中，模具表面与周围介质发生化学或电化学反应，形成反应物；化学或电化学反应，形成反应物；第二阶段：第二阶段：表面反应物在随后的摩擦过程中被磨掉。表面
27、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。介质发生化学或电化学反应，重复第一阶段。模具失效形式及机理模具失效形式及机理六、腐蚀磨损六、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、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。碱、盐等特殊条件下最易发生。模具常见的腐蚀磨损形式有：模具常见的腐蚀磨损形式有：氧化腐蚀磨损、特殊氧化腐蚀磨损、特殊介质腐蚀磨损。介质腐蚀磨损。模具失效形式及机理模具失效形式及机理六、腐蚀磨损六、腐蚀磨损（二）氧化
28、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。氧化磨损。模具服役时一般都会出现氧化磨损。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
29、副的作用。摩擦副的作用。模具失效形式及机理模具失效形式及机理六、腐蚀磨损六、腐蚀磨损 氧化磨损的速度与氧化膜的性质有关：氧化磨损的速度与氧化膜的性质有关：（1）氧化膜的密度和金属相近：氧化膜能牢固覆盖在金属）氧化膜的密度和金属相近：氧化膜能牢固覆盖在金属表面，磨损小；表面，磨损小；（2）氧化膜的密度大于金属密度：氧化膜中易出现拉应力，）氧化膜的密度大于金属密度：氧化膜中易出现拉应力，膜易破裂或出现多孔疏松膜。膜易破裂或出现多孔疏松膜。（3）氧化膜的密度小于金属密度：随着氧化膜的生长，膜）氧化膜的密度小于金属密度：随着氧化膜的生长，膜的体积不断膨胀，在膜内形成平行于表面的压应力和垂直于的体积不断
30、膨胀，在膜内形成平行于表面的压应力和垂直于表面使膜脱离表面的拉应力，膜愈厚，内应力愈大，膜易剥表面使膜脱离表面的拉应力，膜愈厚，内应力愈大，膜易剥落。落。（4）氧化膜与基体的热涨系数不同，也会造成氧化膜脱落。）氧化膜与基体的热涨系数不同，也会造成氧化膜脱落。模具失效形式及机理模具失效形式及机理六、腐蚀磨损六、腐蚀磨损（三）特殊介质腐蚀磨损（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。
31、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。材料及添加剂的选择等方面采取措施。模具失效形式及机理模具失效形式及机理七、磨损的交互作用七、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。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；着磨损；模具表面疲劳磨损后，形成的磨粒同样
32、会引发磨粒磨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；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。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。腐蚀磨损也会促进磨粒磨损、疲劳磨损、粘着磨损。模具失效形式及机理模具失效形式及机理 模具失效形式及机理模具失效形式及机理 第二节第二节 断裂失效断裂失效 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。力时，称为断裂失效。模具失效形式及机理模具失效形式及机理 一一 断裂力学的基本概念断裂力学的基本概
33、念（一）葛里菲斯理论（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？为什么玻璃等脆性材料的实际强度远低于其理论强度？根据根据葛里菲斯理论，葛里菲斯理论，由于玻璃中存在微小裂纹，降低了由于玻璃中存在微小裂纹，降低了玻璃强度。玻璃强度。模具失效形式及机理模具失效形式及机理（一）葛里菲斯理论（一）葛里菲斯理论 模型：模型：单位厚度薄板，受单向均匀拉应力单位厚度薄板，受单向均匀拉应力，两端固定，两端固定，构成能量封闭系统。构成能量封闭系统。图图3-13。此时平板内单位体积储存的弹性应变能为此时平板内单位体积储存的弹性应变能为 模具失效形式及机理模具失效形式及机理（一）葛里菲斯理论（
34、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如果在板内沿垂直于拉应力方向开一长度为2a2a（远小于（远小于板宽及板长）的穿透裂纹。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，释放的能量裂纹出现后，板内弹性应变能一部分释放，释放的能量设为设为U U。U裂纹释放的能量；裂纹释放的能量；E，材料的弹性模量和泊松比。材料的弹性模量和泊松比。模具失效形式及机理模具失效形式及机理（一）葛里菲斯理论（一）葛里菲斯理论 裂纹出现后，形成两个新表面，增加表面能裂纹出现后，形成两个新表面，增加表面能W，设单位，设单位面积的表面能为面积的表面能为T，新增加的表面能为：，新增加的表面能为
35、：则，裂纹出现后，板中能量改变量则，裂纹出现后，板中能量改变量F为：为：模具失效形式及机理模具失效形式及机理（一）葛里菲斯理论（一）葛里菲斯理论 图图3-14为能量随裂纹长度为能量随裂纹长度a的变化。当的变化。当a a aaC C时，裂纹将自发扩展。时，裂纹将自发扩展。2a 2aC C为临界裂纹长度。为临界裂纹长度。利用能量求极值可得临界条件为：利用能量求极值可得临界条件为：即：即：模具失效形式及机理模具失效形式及机理（一）葛里菲斯理论（一）葛里菲斯理论 因此，裂纹因此，裂纹自发扩展的临界应力自发扩展的临界应力cc为：为：模具失效形式及机理模具失效形式及机理（一）葛里菲斯理论（一）葛里菲斯理论
36、 因此，裂纹因此，裂纹自发扩展的临界裂纹长度自发扩展的临界裂纹长度2a2ac c为：为：模具失效形式及机理模具失效形式及机理（一）葛里菲斯理论（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。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。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假设单位面积裂纹表面消耗的塑性变形功为P P,则上述方则上述方程中要用程中要用T+P
37、T+P代替代替T,T,由于由于TPTP，因此可略去因此可略去T+PT+P中的中的T T。模具失效形式及机理模具失效形式及机理 裂纹裂纹自发扩展的临界裂纹长度自发扩展的临界裂纹长度2a2ac c修正为：修正为：则考虑裂纹尖端塑性变形后，裂纹则考虑裂纹尖端塑性变形后，裂纹自发扩展的临界应力自发扩展的临界应力cc修正为：修正为：（一）葛里菲斯理论（一）葛里菲斯理论 模具失效形式及机理模具失效形式及机理 当有当有2a2a长的长的裂纹出现后，弹性体释放的能量为裂纹出现后，弹性体释放的能量为：葛里菲斯理论指出，裂纹葛里菲斯理论指出，裂纹扩展的过程是能量转换过程。扩展的过程是能量转换过程。（二）应变能释放率
38、及断裂韧性（二）应变能释放率及断裂韧性 能量释放率能量释放率q为为：q的临界值称为断裂韧性的临界值称为断裂韧性：模具失效形式及机理模具失效形式及机理（二）应变能释放率及断裂韧性（二）应变能释放率及断裂韧性 联解联解：得得：qI 的大小反映了材料抗断裂破坏的能力。的大小反映了材料抗断裂破坏的能力。模具失效形式及机理模具失效形式及机理（三）裂纹尖端附近的应力场和应力强度因子（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（有关。共有三种变形方式（图图3-15）：张开型、滑开型、：张开型、滑开型、
39、撕开型。在上述三种裂纹变形方式中，张开型裂纹最常撕开型。在上述三种裂纹变形方式中，张开型裂纹最常见也最危险。见也最危险。下面主要讨论张开型裂纹的情况。下面主要讨论张开型裂纹的情况。模具失效形式及机理模具失效形式及机理（三）裂纹尖端附近的应力场和应力强度因子（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。下面主要讨论张开型裂纹的情况。模具失效形式及机理模具失效形式及机理（三）裂纹尖端附近的应力场和应力强度因子（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（应用弹性理论分析得到（图图3-16），在），在ra时，裂时，裂纹前沿各点的应力如下：纹前沿各点的应力如
40、下：模具失效形式及机理模具失效形式及机理（三）裂纹尖端附近的应力场和应力强度因子（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，在应用弹性理论分析得到，在ra时，裂纹前沿各点的时，裂纹前沿各点的位移如下：位移如下：其中其中：u-x方向的位移；方向的位移；v-y方向的位移；方向的位移；G切切变模量；变模量；r,极坐标中的极径和极角。极坐标中的极径和极角。模具失效形式及机理模具失效形式及机理（三）裂纹尖端附近的应力场和应力强度因子（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：控制断裂的三个主要因素：1）裂纹尺寸和形状；）裂纹尺寸和形状；2)作用应力；作用应力；3
41、)材料的断裂韧性。材料的断裂韧性。裂纹尺寸越大，作用应力越高，发生断裂的可能性就裂纹尺寸越大，作用应力越高，发生断裂的可能性就越大；材料的断裂韧性越高，抵抗断裂破坏的能力越强，越大；材料的断裂韧性越高，抵抗断裂破坏的能力越强，发生断裂的可能性就越小。发生断裂的可能性就越小。三因素，前二者是作用，为断裂的发生提供条件；后三因素，前二者是作用，为断裂的发生提供条件；后者（材料的断裂韧性）是抗力，阻止断裂的发生。者（材料的断裂韧性）是抗力，阻止断裂的发生。材料的断裂韧性与材料、使用温度、环境介质等因素材料的断裂韧性与材料、使用温度、环境介质等因素有关，由试验确定。有关，由试验确定。定义定义应力强度因
42、子应力强度因子：模具失效形式及机理模具失效形式及机理（三）裂纹尖端附近的应力场和应力强度因子（三）裂纹尖端附近的应力场和应力强度因子 定义：定义：则，则，裂纹前沿各点的应力可改写为：裂纹前沿各点的应力可改写为：模具失效形式及机理模具失效形式及机理（三）裂纹尖端附近的应力场和应力强度因子（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裂纹前沿各点的应力和位移由KI和坐标（和坐标（r,）决定。）决定。当当KI确定后，不管确定后，不管和和a如何变化，裂纹前沿的应力场和如何变化，裂纹前沿的应力场和位移场完全相同。位移场完全相同。KI称为应力强度因子。称为应力强度因子。应力强度因子应
43、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。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：裂纹前沿各点的位移可改写为：模具失效形式及机理模具失效形式及机理（三）裂纹尖端附近的应力场和应力强度因子（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，对于承受不同应力和不同几何形状的裂纹体，应力应力强度因子的一般表达式为：强度因子的一般表达式为：Y与裂纹形状有关。与裂纹形状有关。图图3-17。时，发生脆性断裂。时，发生脆性断裂。KIC是材料常数。是材料常数。由上式可求得对应于裂纹长度由上式可求得对应于裂纹长度a 的的断裂应力断裂应力C
44、 C或对应于应力或对应于应力的的临界裂纹长度临界裂纹长度aC。模具失效形式及机理模具失效形式及机理（三）裂纹尖端附近的应力场和应力强度因子（三）裂纹尖端附近的应力场和应力强度因子 对于对于I型型裂纹，裂纹，由上面两个式子，得由上面两个式子，得 断裂韧度断裂韧度qI和临界应力强度因子和临界应力强度因子 KIC都是材料常数，都是材料常数，都是表征材料抗裂纹扩展能力的参数。都是表征材料抗裂纹扩展能力的参数。（3-9）模具失效形式及机理模具失效形式及机理（四）（四）小范围屈服条件下应力强度因子小范围屈服条件下应力强度因子KI的修正的修正 根据前面分析（根据前面分析（式式3-143-14），当，当r0时
45、，时，Y Y。图图3-183-18。但在实际金属材料中，当裂纹尖端的正应力等于或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大于屈服应力YS，材料就要屈服，产生塑性变形，从，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。应力不可能无限大。模具失效形式及机理模具失效形式及机理（四）（四）小范围屈服条件下应力强度因子小范围屈服条件下应力强度因子KI的修正的修正 1.裂纹尖端屈服区域的大小和形状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：根据材料力学主应力的计算公式：模具失效
46、形式及机理模具失效形式及机理（四）（四）小范围屈服条件下应力强度因子小范围屈服条件下应力强度因子KI的修正的修正 将式将式3-14带入上面公式，得带入上面公式，得 利用利用Mises屈服准则屈服准则（3-21）（3-22）模具失效形式及机理模具失效形式及机理（四）（四）小范围屈服条件下应力强度因子小范围屈服条件下应力强度因子KI的修正的修正 在平面应力下，在平面应力下，将式（将式（3-21）代入式（）代入式（3-22）解得）解得（3-23）式（式（3-23）为裂纹尖端屈服区的边界方程，）为裂纹尖端屈服区的边界方程，图图3-19。在在x轴上（轴上（=0）（3-24）模具失效形式及机理模具失效形式
47、及机理（四）（四）小范围屈服条件下应力强度因子小范围屈服条件下应力强度因子KI的修正的修正 在平面应变下，在平面应变下，（3-25）裂纹尖端屈服区的边界方程为裂纹尖端屈服区的边界方程为在在x轴上（轴上（=0）（3-26）模具失效形式及机理模具失效形式及机理（四）（四）小范围屈服条件下应力强度因子小范围屈服条件下应力强度因子KI的修正的修正 2.考虑应力松弛对塑性区大小的修正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，图料屈服后，最大主应力等于屈服应力，因此，图3-19中中r r0
48、区域，从而扩大了区域，从而扩大了塑性区。塑性区。在未屈服以前，裂纹尖端在未屈服以前，裂纹尖端=0的平面内法向应力分的平面内法向应力分布规律如图布规律如图3-20中中FBE所示，应力大小为所示，应力大小为 模具失效形式及机理模具失效形式及机理（四）（四）小范围屈服条件下应力强度因子小范围屈服条件下应力强度因子KI的修正的修正 2.考虑应力松弛对塑性区大小的修正考虑应力松弛对塑性区大小的修正 此法向应力此法向应力 在其净面积上的总和（即内力）在其净面积上的总和（即内力）应与外力平衡，此内力等于应与外力平衡，此内力等于FBE曲线下的面积。曲线下的面积。出现应力松弛后，在裂纹尖端出现应力松弛后，在裂纹
49、尖端=0的平面内，的平面内，的分布规律如图的分布规律如图3-20中的中的ACD所示，所示，ACD曲线下的曲线下的 面积应与曲线面积应与曲线FBE下的面积相等。下的面积相等。由于由于BE和和CD两段均代表弹性应力场的变化规律，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，因此其下的面积相等。则，FB曲线段下的面积应等于曲线段下的面积应等于AC直线段下的面积。直线段下的面积。模具失效形式及机理模具失效形式及机理（四）（四）小范围屈服条件下应力强度因子小范围屈服条件下应力强度因子KI的修正的修正 2.考虑应力松弛对塑性区大小的修正考虑应力松弛对塑性区大小的修正 令令AC=R，则，则 则：则
50、：由此可得，应力松弛后，屈服区域在由此可得，应力松弛后，屈服区域在x 轴上扩大了轴上扩大了一倍。一倍。（3-28）模具失效形式及机理模具失效形式及机理（四）（四）小范围屈服条件下应力强度因子小范围屈服条件下应力强度因子KI的修正的修正 2.考虑应力松弛对塑性区大小的修正考虑应力松弛对塑性区大小的修正 应力松弛后，屈服区域在应力松弛后，屈服区域在x 轴上扩大了一倍。轴上扩大了一倍。模具失效形式及机理模具失效形式及机理（四）（四）小范围屈服条件下应力强度因子小范围屈服条件下应力强度因子KI的修正的修正 2.考虑应力松弛对塑性区大小的修正考虑应力松弛对塑性区大小的修正 平面应变下，由于平面应变下，由
