模具材料失效分析.docx

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模具材料失效分析

1.模具寿命定义：

模具因为磨损或其他形式失效、终至不可修复而报废之前所加工合格产品的件数称为模具的使用寿命，简称模具寿命。

2.失效定义：

模具受到损坏，不能通过修复而继续服役时叫模具失效。

3.模具寿命与成本的关系：

产品成本随着模具寿命的增加而下降，提高模具寿命可降低成本。

考虑两个因素：

应根据批量选择不同的模具材料和制造工艺。

4.磨损失效：

由于相对运动产生磨损，使模具尺寸或表面状态发生改变，使之不能继续服役的现象，叫磨损失效。

5.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，引起模具表面材料脱落的现象。

工件表面的硬突出物刮擦模具引起的磨损也叫磨粒磨损。

6.粘着磨损：

工件与模具表面相对运动时，由于表面凹凸不平，粘着的结点发生剪切断裂，使模具表面材料转移到工件上或脱落的现象。

7.脆性断裂：

断裂时不发生或发生较小的宏观塑性变形的断裂，分为一次性断裂和疲劳断裂。

8.多种失效形式的交互作用：

（1）磨损对断裂及塑性变形的促进作用,。

磨损沟痕可成为裂纹的发源地，当由磨损形成的裂纹在有利于其向纵深发展的应力作用下，就会造成断裂。

模具局部磨损后，会带来承载能力的下降和偏载，造成另一部分承受过大应力而产生塑变。

（2）塑性变形对磨损和断裂的促进作用。

局部塑变会改变模具零件正常的配合关系，模具间隙变小引起不均匀磨损，会加快磨损速度进而促进磨损失效。

另一方面，塑变后间隙不均匀，承载面变小，会带来附加偏心载荷，造成局部应力集中，并由此产生裂纹，促进断裂失效。

9.圆角半径的影响及措施：

模具零件的两个面相交处常用圆角过渡，工作部位的圆角半径对成形件质量和模具寿命影响很大。

（1）凸的圆角半径对成形工艺影响大。

过小的凸圆角半径在板料拉深中增加成形力，在模锻中易造成锻件折叠缺陷。

（2）凹的圆角半径对模具寿命影响大。

小的凹圆角半径会使局部受力恶化，在圆角半径处产生较大的应力集中，易萌生裂纹导致断裂。

【措施】增大圆角半径，使模具受力均匀，不易产生裂纹。

10.成形件材质与模具寿命的关系：

成形件的材质有金属和非金属、固体和液体之分。

（1）非金属材料和液体材料由于强度低，所需成形力小，模具受力小，模具寿命高。

金属件成形模具比非金属件成形模具的寿命低。

（2）固态金属件的强度越高，所需的变形力就越大，模具承受的力也越大，模具寿命低。

（3）铝、铜等有色金属件的成形模具比黑色金属件的寿命高。

（4）工件与模具的亲和力越大，在成形时越容易发生粘着磨损，模具寿命越低。

（5）模具的表面越平整、均匀，则模具磨损越小，寿命越高。

11.服役温度对模具寿命的影响：

温度越高，模具材料强度下降得越厉害，温度冲击和热应力越大，易产生塑性变形，模具寿命越低。

12.裂纹临界应力强度因子K：

表征材料抗裂纹扩展的能力。

13.下料后应先锻造（改善金属塑性，消除铸造缺陷），然后再成形和热处理。

14.模具热处理的缺陷：

（1）“氧化”使模具表面形成氧化皮，影响冷却的均匀性。

“脱碳”会造成淬火后硬度不足，出现软点。

【措施】盐浴炉加热，箱式保护加热。

（2）由于加热温度过高或高温时间过长，引起晶粒粗大的现象，称为“过热”。

如果加热温度远远超过了正常加热温度，在晶界出现熔化和氧化的现象称为“过烧”。

模具过热会使力学性能变差，热处理易变形开裂，降低模具寿命。

模具过热可通过退火和重新淬火的方法来补救，但模具过烧只能报废。

15.现场维护：

模具安装在设备上，在工作之前、工作之后和工作间隙停顿时的维护。

16.现场维护的方式：

（1）预热

（2）工作间隙时的保温（3）停工时的缓冷

17.非现场维护：

模具从设备上拆下来的维修。

原因：

避免早期失效。

18.非现场维修的方式：

（1）去应力退火

（2）超前修模

19.冷作模具主要分为：

冲裁模、拉拔及压型模、冷镦和冷挤模

20.冲裁模特点：

（1）工作条件：

主要承受冲击力、剪切力。

（2）失效形式：

磨损、崩刃。

（3）性能要求：

高的硬度、高的耐磨性，一定的韧性，较高的抗弯强度和高的断裂应力。

21.拉拔模及成形模特点：

（1）工作条件：

工作时物料受拉应力延伸变形。

（2）失效形式：

模具因严重磨损而失效，因表面产生沟槽而报废，还产生咬合、擦伤、变形等失效。

（3）性能要求：

对拉拔模，要求很高耐磨性，高的硬度，好的抗咬合性。

对成型模除要求以上拉拔模这些性能外，还要求一定强韧性。

22.冷镦模特点：

（1）工作条件：

工作时，物料受强烈镦击。

在室温状态下，塑变抗力大。

冷镦多在高速冷镦机上进行，工作条件繁重，工作环境恶劣，冲头受巨大冲压力和摩擦力，凹模承受冲胀力及摩擦力，产生剧烈的摩擦。

（2）失效形式：

模具被镦粗，局部变形及破裂。

（3）性能要求：

要求足够的硬度，凸模要求60—62HRC，凹模要求58-60HRC,并要求模具型面有适当的硬化深度和硬化分布，心部有足够的强度和韧性。

23.冷挤模特点：

使金属在强大的均匀的近于静挤压力作用下产生塑性流动而成型产品的模具。

（1）工作条件：

在工作时，物料承受强烈的三向压应力作用，金属发生剧烈的流动，变形位移大。

模具承受强大的挤压力，同时还有很大的摩擦力产生。

（2）失效形式：

冷挤模主要会产生变形、磨损、冲头折断（因偏心弯曲）等失效。

（3）性能要求：

要求模具有高的强度和硬度，并有一定的韧性，以防冲击折断。

凸模要求60—64HRC，凹模要求58-62HRC。

当韧性要求较高时硬度可降为54-58HRC.由于工作时产生较大的温升，所以还应具有一定的耐热疲劳性和热硬性。

24.【冷作模具钢的选材】

（1）按模具大小选择：

尺寸很小时选用高碳工具钢，尺寸一般时选用高碳低合金工具钢，尺寸巨大时选用高耐磨钢。

（2）按模具形状和受力选择：

形状简单，不易变形截面不大，载荷较轻时选用高碳工具钢，或高碳低合金钢。

反之，形状复杂，易变形，截面大，载荷重的可选用高耐磨工具钢。

（3）按模具性能要求选择：

若要求耐磨性好、淬火变形小，则选用高耐磨钢或高速钢。

若要求冲击韧性好，则选用中碳合金钢。

（4）按生产批量选用：

中小批量选用高碳工具钢或高碳低合金工具钢。

大批量选用高耐磨工具钢。

（5）按模具用途选择：

冷冲模具选用普通工具钢，冷挤压模具选用低碳钢、高速钢或基体钢。

25.冷作模具钢的分类标准：

成分和性能。

（1）按元素成分划分如下。

可分为碳素冷作模具钢、低合金冷作模具钢、中合金冷作模具钢、高合金冷作模具钢。

随着合金元素的增加，钢材的淬透性、耐磨性、强韧性随之提高。

并且随着合金元素的增加，模具的承载能力也得到加强，因此模具尺寸可以随之增大，生产能力也随之提高。

（2）按元素成分选用如下。

【碳素冷作模具钢】又叫碳素工具钢，加工性好，便宜，适合作尺寸小、形状简单、轻载荷的模具零件。

但淬透性低，淬火温度范围窄，淬火变形大，与寿命短，不宜作大中型和复杂模具。

【低合金冷作模具钢】强度、耐磨性、淬透性一般。

适合作小批量的冲裁模、弯曲模、拉延模。

【中合金冷作模具钢】强度、淬透性和耐磨性都很好，适用于大中型、大批量生产的冲裁模、弯曲模、拉延模。

【高合金冷作模具钢】具有优秀的强度、淬透性和耐磨性。

适用于大批量生产的冲裁模、弯曲模、拉延模、镦锻模、冷挤模。

（3）按性能分类如下。

低淬透性冷作模具钢、低变形冷作模具钢、微变形冷作模具钢、高强度冷作模具钢、高强韧冷作模具钢、抗冲击冷作模具钢。

（4）按性能选用如下。

【低淬透性冷作模具钢】以碳素工具钢为主，加工性好，具有一定的韧性和疲劳抗力，但淬透性、回火抗力和耐磨性不好，适用于中小批量生产模具和一定的抗冲击载荷模具。

【低变形冷作模具钢】以高碳低合金钢为主，淬透性较好，但韧性及耐磨性低，用于中小批量生产，也可作形状复杂模的基本钢种。

【微变形冷作模具钢】以高碳高铬或中铬钢为主，特别是Cr12类型钢，具有高淬透性、中等回火抗力、高耐磨性、淬后体积变化微小，但变形抗力、抗冲击能力有限。

可作为大批量生产的基本模具材料，中等载荷生产的主要模具材料。

【高强度冷作模具钢】以高速钢为主，抗压强度、回火抗力、耐磨性都很高，但价格贵，而且韧性差，是冷挤压模具的基本材料。

【高强韧冷作模具钢】以基体钢为主，中碳高合金成分，具有高强度及高韧性，用于要求综合性能优良的重载冷作模具钢。

【抗冲击冷作模具钢】以中碳合金钢为主，抗冲击疲劳性极好，耐磨性差，抗压强度低，用于冲剪工具，精压模，冷镦模的基本材料。

26.锤锻模的三个方面。

（1）工作条件：

大的冲击载荷，拉应力、压应力和弯曲应力。

（2）失效形式：

粘着磨损，磨粒磨损，氧化，断裂，热疲劳裂纹引起的龟裂，塑性变形。

（3）性能要求：

在高温下保持高的强度和良好的冲击韧性，高的耐磨性及一定的硬度，优良的耐热疲劳性，高的淬透性，良好的导热性和抗氧化性。

27.高速锤锻模的三个方面。

（1）工作条件：

模具打击速度快，打击能量大，成型时间短，瞬时冲击大，容易超载

1.特殊用途热作模具钢的分类：

奥氏体耐热钢，高速工具钢，超高强度钢，，马氏体时效钢。

2.压力机模锻的选材：

（1）要求较低的压力机模锻，采用低耐热高韧性钢，如5Cr2NiMoV钢，4CrMnMoSiV钢，后者寿命比5CrNiMo高出25%—110%.

（2）一般选用中耐热韧性钢制作压力机锻模，如采用4Cr5MoSiV钢，4Cr5W2SiV钢。

（3）要求较高压力机模锻，可选用高耐热性钢如3Cr2W8V钢。

1、模具寿命：

因磨损或其他形式的失效、终至不可修复而报废之前所加工的产品的件数。

2、模具失效：

模具受到破坏，不能通过修复而继续服役时叫做模具的失效。

3、模具寿命与产品成本的关系？

产品成本随着模具寿命的增加而下降。

4、产品成本的因素：

模具材料，制造工艺。

5、模具失效分类：

①磨损失效（磨粒磨损、粘着磨损、疲劳磨损、气蚀和冲蚀磨损、腐蚀磨损）②断裂失效③塑性变形

6、磨损失效：

由于表面的相对运动，从接触表面逐渐失去物质而使模具的尺寸发生变化或改变了模具的表面状态使之不能继续服役。

7、模粒磨损：

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，引起模具表面材料的脱落。

8、粘着磨损:

工件与模具表面相对运动时，由于表面的凹凸不平，粘着的结点发生剪切断裂，使模具表面材料转移到工件上或脱落的现象。

9、脆性断裂：

断裂时不发生或发生较小的宏观塑性变形的断裂，分为一次性断裂和疲劳断裂。

10、多种形式的交互作用：

①磨损对断裂及塑性变形的促进作用：

磨损沟痕可成为裂纹的发源地。

当有磨损形成的裂纹在有利于其向纵深发展的应力作用下，就会造成裂纹。

模具局部磨损后，会带来承载能力的下降以及易受偏载，造成另一部分承受过大说我盈利而产生塑性变形。

②塑性变形对磨损和断裂的促进作用：

局部塑性变形后，改变了模具零件间正常的配合关系。

如模具间隙不均匀，间隙变小，必然造成不均匀磨损，磨损速度加快，促进磨损失效。

另塑性变形后，模具间隙不均匀，承力面变小，会带来附加的偏心载荷以及局部应力过大，造成应力集中，并由此产生裂纹，促进断裂失效。

11、模具寿命的影响因素：

模具结构、模具工作条件、模具材料性能、模具制造、模具管理与维护

12、圆角半径对模具寿命的影响？

采取啥措施？

过小的凸模圆角半径在板料拉深中增加成形力，在模锻中，易造成锻件折叠缺陷。

过小的凹模圆角半径会使局部受力恶化，在圆角半径处产生较大的应力集中，易萌生裂纹，导致断裂。

大的圆角半径使模具受力均匀，不易产生裂纹。

措施：

在凸模圆角半径处采用润滑；选择合理的间隙。

采用预应力加强环，可使模具产生预切向压应力。

13、寿命与材质的关系？

金属件成形模比非金属件成形模的寿命低，因为非金属件材料的强度低，所需的成形力小，模具受力小，模具寿命高。

铝、铜等有色金属件模具比黑色金属成形件寿命高。

14、温度与寿命的影响？

坯料温度越高，模具材料强度下降越厉害，温度应力和热冲击越大，模具寿命越低。

15、裂纹临界应力强度因子：

材料抗裂纹扩展的能力。

16、下料之后为什么要先锻造然后再成型热处理？

通过锻造可以获得所需要的模块内部组织和使用性能以及近似形状的尺寸，改善材料内部缺陷。

17、氧化和脱碳：

模具热处理加热过程中如果不采取措施，超过一定温度后就会产生氧化和脱碳。

氧化使表面形成氧化皮，影响模具冷却的均匀性。

脱碳则造成淬火后硬度不足，或出现软点。

采用盐浴炉加热和箱式保护加热可有效防止。

18、过热：

由于加热温度过高或是高温下加热时间过长，引起晶粒粗化的现象。

模具过热会使力学性能变差，热处理易变形、开裂。

过热可通过退火，然后按正确的淬火工艺重新淬火的方法挽救，但过烧只能报废。

19、过烧：

加热温度远远超过了正常的加热温度，以致晶界出现熔化和氧化的现象。

20、模具维护：

①现场维护：

预热、间歇工作时的保温、停工时的缓冷②非现场维护：

去应力退火、超前修模

21模具的失效因素：

热处理52.2，原材料17.8，使用10，机械加工8.9，锻造7.8，设计3.3

22、热处理工艺性能：

要求热处理变形小，淬火温度范围宽，过热敏感性小，脱碳敏感性低，要有足够的淬硬性和淬透性。

23、模具选材的原则：

使用性能足够、工艺性能良好、供应上能保证、经济性合理

24、拉拔模及成形模的工作条件：

工作时物料受拉应力延伸变形。

模具在工作时，凹模受径向张力和摩擦力，凸模收到压力以及摩擦力。

（1）失效形式：

模具因严重磨损而失效，因表面产生沟槽而报废，还产生咬合、檫伤、变形等失效。

（2）性能要求：

对拉拔模，要有很高的耐磨性，高的硬度，好的抗咬合性。

对成形模除了以上的性能外，还要求一定强韧性。

25、冷作模具钢选材标准：

按模具大小考虑选材、按模具形状和受力考虑选材、按模具的性能要求选材、按模具压制产品的批量考虑选材、按模具的用途选材

26、锤锻模的工作条件：

工作时承受巨大的冲击载荷还受到很大的压应力、拉应力和弯曲应力；锻压时模具快速加热，结束时用水或油冷而剧烈降温，对模具产生急冷急热的作用；加工坯料对锻模型腔有强烈摩擦。

（1）失效形式：

产生磨损，包括粘着、氧化、磨粒磨损均有；

可能发生断裂，受到急热急冷作用极易产生热疲劳裂纹，形成龟裂；还可能引起塑性变形，造成型面坍塌。

（2）性能要求：

高的耐磨性及一定的硬度，良好的耐热疲劳性，良好的导热性，良好的工艺性和抗氧化性。

27、压力机锻模及热挤压模的工作条件：

模具承受巨大压力，但冲击力不太大；工作时，与炽热金属接触的时间比锤锻模长，受热厉害。

（1）失效形式：

有断裂、冷热疲劳、塑性变形、磨损及表面氧化腐蚀。

（2）性能要求：

要求具有较高的耐热疲劳性和热稳定性，并且具有较高的热强性。

28、特殊用途热作模具钢分类：

超高强度钢、马氏体失效钢、高速工具钢、奥氏体耐热钢

29、压力机锻模的选材：

要求较低的压力机锻模选择低耐热高韧性钢；一般选用中耐热韧性钢；要求压力机锻模选用高耐热性钢

30、塑料膜具钢的性能要求：

较高的硬度，好的耐磨性，足够的硬化深度，心部有足够强韧性，以免脆断、塑性变形；一定的抗热性，在150～250℃长期工作，不氧化、不变形，尺寸稳定性好；对有腐蚀介质析出时，要求有一定耐蚀性。

31、模具表面强化的作用：

不仅能提高模具表面耐磨性及其他性能，而且能使模具内部保持足够的强韧性，这对于改善模具的综合性能，节约合金元素，大幅度降低模具成本，充分发挥材料的潜力，以及更好地利用新材料，都是十分有效的。

32、表面强化处理按原理分：

化学热处理、表面涂覆处理、表面加工强化处。

33、模具的氮碳共渗作用：

提高工件的耐磨性、抗胶合、抗擦伤、抗疲劳和耐腐蚀等性能，而且还具有不受钢种限制和处理温度低、时间短、变形小等特点。

34、提高冲裁模寿命的措施：

尽量采用大间隙；采用弹性卸料板；采用导向装置；增加凸模刚度；选取耐磨性好的模具材料；采用表面强化技术；超前维修。

35、提高拉深模寿命的措施：

正确选用模具材料；合理润滑；表面处理

36、提高锤锻模寿命的主要措施：

合理选取模具硬度；合理选取模具材料；进行表面强化；正确使用与维护（1锻前将模具预热到250～300℃；2工间休息时要对模具保温；3模具使用结束后应缓冷；4锻造过程中应经常将模具型腔涂冷却剂和润滑剂；5要控制工作节奏，避免模具温度升得过高；6模具使用一段时间后，应卸下进行去应力退火，并超前修复。

）

37、模具性能：

使用性能和工艺性能

38、模具渗铬的作用？

获得高的耐腐蚀和抗高温氧化的性能，同时还获得高的表面硬度和耐磨性。

（拉伸模、挤压模工作带和挤压工具表面）

39、表面强化处理的作用？

种类?

补技能提高模具表面耐磨性和其他性能而且能使模具内部保持足够的强韧性，这对于改善模具的综合性能，节约合金元素，大幅度降低成本充分发挥材料的潜能以及更好的利用新材料都是十分有效的，还对于提高模具质量和延长其使用寿命。

种类：

按目的和作用分为两类，

（1）表层化学成分和组织结构改变型，以提高表面的力学性能和物化性能。

（2）表层物质保护型，以保护基体并有美观作用。

这两类的共同作用是提高模具表面的硬度和耐磨性，其次是提高耐腐蚀性和耐热性。

40、模具材料的基本性能包括使用性能和工艺性能。

41、模具的加工包括模具的外形加工和工作型腔的加工。

42、渗硼的作用？

具有极好的表面硬度耐磨性和耐疲劳性和热硬性和良好的抗蚀性。

（拉伸模、挤压模）

43.磨损的类型：

磨粒磨损，粘着磨损，疲劳磨损，气蚀和冲蚀磨损，腐蚀磨损。

43.模具渗铬作用：

一方面能获得高的耐腐蚀性和抗高温氧化性，同时还获得高的表面硬度和耐磨性。

43、表面强化处理按其目的和作用可分为两大类：

（1）表层化学成分和组织结构改变型，以提高表面力学性能和物化性能

（2）表层物质保护型以保护基体并有美观作用，提高模具的表面物化性能。

44、影响冲裁模失效的主要因素：

冲裁间隙，压边状态。

45、提高冲裁模寿命的措施？

尽量采用大间隙，采用弹性卸料板

46、硬性疲劳磨损的因素？

提高的措施？

（1）材质

（2）硬度（3）表面粗糙度；措施：

1、合理选择润滑剂2、进行表面强化处理（在常温状态下通过喷丸滚压等方式使模具工作表面金属受压缩产生塑性变形并产生一定的宏观残余应力，有利于提高抗疲劳磨损的能力）

47、断裂分类：

（1）按断裂性质分类：

塑性断裂、脆性断裂

（2）按断裂路径分：

沿晶断裂，穿晶断裂混晶断裂（3）按断裂机理分：

一次性断裂，疲劳断裂

48、脆性断裂：

断裂时不发生或发生较小的宏观塑性变形的断裂。

49.碳氮共渗的作用：

提高工件耐磨性、抗胶合、抗擦伤、抗疲劳和耐腐蚀性。

它具有不受钢种限制和处理温度低、时间短、变形小等特点。

50.提高冲裁模寿命的措施：

（1）尽量采用大间隙

（2）采用弹性卸料板（3）采用导向精度（4）提高凸模刚度（5）选择耐磨性好的模具材料（6）采用表面强化技术（7）超前维修

51.提高拉深模寿命的措施：

（1）正确选用模具材料

（2）合理润滑（3）表面强化处理

52.锤锻模的使用和维护：

（1）锻前预热模具到250-300度

（2）工间休息时对模具进行保温（3）模具使用后应缓冷（4）锻造过程中应经常对模具型腔涂冷却剂和润滑剂（5）控制工作节奏，避免模具温度升的过高（6）模具使用一段时间后，应卸下进行去应力退火，并超前修模

53.热处理的工艺要求：

属于热加工工艺，引起模具失效的因素中，热处理不善约占52%，所以特别重要。

要求热处理变形小，淬火温度范围宽，过热敏感性小，脱碳敏感性低，有足够的淬硬性和淬透性。

54.模具选材的原则：

（1）使用性能足够

（2）工艺性能良好（3）市场上有供应，能买到（4）经济性合理，不贵。

具体考虑因素：

模具的工作条件，模具失效因素，产品因素，模具本身的结构因素，模具制造工艺因素，模具设计因素

55.模具材料发展方向：

高合金，高质量，优化，低级材料强化，扩充材料领域

56.模具失效形式：

磨损，断裂，塑性变形

57.模具寿命的影响因素：

（1）模具结构：

圆角半径，几何形状

（2）工作条件：

材质，温度，设备情况，润滑和冷却（3）模具材料性能:

基本性能和工艺性能（4）模具的制造工艺，热处理（5）模具的维护和管理