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模具寿命与失效模具寿命与失效授课人：曾珊琪2023/1/91第四章第四章 模具材料抗失效性能指标和测试方法模具材料抗失效性能指标和测试方法l模具失效的实质就是在特定负荷作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用下，具有特定形状的模具材料的失效。失效。l材料可以用各种不同的材料可以用各种不同的性能指标性能指标来来反映材料对不同形式反映材料对不同形式失效的抗力失效的抗力。2023/1/92第一节第一节 材料抵抗过量变形失效的性能指标材料抵抗过量变形失效的性能指标l模具的弹性变形模具的弹性变形不可避免不可避免，但其，但其弹性变形量弹性变形量不能超过不能超过一定的一定的允许允许值值。l模具的塑性变形是模具的塑性变形是不允许不允许的，或的，或者只者只允许允许有局部的有局部的微小微小塑性变形。塑性变形。2023/1/93当模具的弹性变形量超过允许值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，或发生比较明显的塑性变形时，都会导致模具发生都会导致模具发生过量变形失效过量变形失效。允许变形量的允许变形量的大小的依据是大小的依据是什么什么?材料抵抗过量变形失效的性能指标2023/1/94l材料抵抗过量弹性变形失效的性能材料抵抗过量弹性变形失效的性能指标采用指标采用弹性变形抗力指标弹性变形抗力指标l材料抵抗塑性变形失效的性能指标材料抵抗塑性变形失效的性能指标采用采用塑性变形抗力塑性变形抗力指标。指标。材料抵抗过量变形失效的性能指标2023/1/95一、弹性变形的抗力指标一、弹性变形的抗力指标l材料抵抗弹性变形的性能指标主要是弹性模材料抵抗弹性变形的性能指标主要是弹性模量量E和切变模量和切变模量G，l弹性模量弹性模量E：使材料产生单位使材料产生单位正应变正应变所需所需正正应力应力的大小。（的大小。（/）l切变模量切变模量G：使材料产生单位使材料产生单位切应变切应变所需所需切切应力应力的大小。（的大小。（/）2023/1/96l材料的材料的E E或或G G越大越大，在相同载荷下，在相同载荷下产生的产生的弹性变形越小弹性变形越小，越不易发，越不易发生过量弹性变形失效。生过量弹性变形失效。弹性变形的抗力指标2023/1/97v 弹性模量和切变模量的影响因素弹性模量和切变模量的影响因素 l环境环境温度温度和材料截面和材料截面形状形状、尺寸尺寸。减小模具的弹性变形，只能通过合理减小模具的弹性变形，只能通过合理设设计计模具提高其模具提高其结构刚度结构刚度来解决。来解决。材料的合金化、热处理、冷变形等强化材料的合金化、热处理、冷变形等强化手段的手段的影响很小影响很小。2023/1/98二、塑性变形的抗力指标二、塑性变形的抗力指标l模具发生塑性变形的根模具发生塑性变形的根本原因，是由于在外力本原因，是由于在外力作用下，模具整体或局作用下，模具整体或局部产生的应力值大于模部产生的应力值大于模具材料屈服点的应力值具材料屈服点的应力值（图中的（图中的S S）。）。2023/1/99l 塑性变形失效的原因塑性变形失效的原因l模具模具材料本身材料本身的屈服强度不高，或的屈服强度不高，或热热处理处理不当而未能发挥材料的强度潜力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；是塑性变形失效的主要原因；l操作操作不当或者不当或者意外意外因素引起的超载也因素引起的超载也会造成塑变失效。会造成塑变失效。塑性变形的抗力指标2023/1/910l根据模具不同的根据模具不同的使用要求使用要求，采用不，采用不同的模具同的模具材料材料时，衡量及测定其抵时，衡量及测定其抵抗材料塑性变形失效的性能指标也抗材料塑性变形失效的性能指标也有所区别。有所区别。塑性变形的抗力指标2023/1/9111 1、冷作模具钢的塑性变形抗力指标、冷作模具钢的塑性变形抗力指标l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。回火状态使用，塑性较低、脆性较大。适宜适宜用压缩试验测定其压缩屈服点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。来的塑变抗力基本吻合。2023/1/912脆性较大脆性较大的材料常用的材料常用弯曲试验弯曲试验测定其抗测定其抗弯屈服点。弯屈服点。弯曲试验时，试样的塑变量（残余挠度）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同的热处理工艺条件下较小较小的性能的性能差别差别。冷作模具钢的塑性变形抗力指标2023/1/9132 2、热作模具塑性变形的抗力指标、热作模具塑性变形的抗力指标1 1）室温下的屈服强度）室温下的屈服强度2 2）回火抗力，）回火抗力，3 3）高温下的屈服强度）高温下的屈服强度。4 4）塑变抗力塑变抗力也可以用也可以用硬度硬度指标来衡指标来衡量。量。Why?2023/1/914v硬度与抗压屈服强度的关系l模具材料的模具材料的硬度硬度在一定范围内在一定范围内与与该材料该材料的的抗压屈服强度抗压屈服强度成成正比正比。注意：屈服强度比硬度对材料的组织状注意：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分和组织不同，它们的抗压屈服强度并不相当。不相当。2023/1/915v 例如：模具用钢lCr6WVCr6WV、Crl2MoVCrl2MoV、W18Cr4VW18Cr4Vl淬火淬火+低温回火后的硬度同为低温回火后的硬度同为6363HRCHRC时，时，l三者的抗压屈服强度依次递增。三者的抗压屈服强度依次递增。2023/1/916第二节第二节 材料抵抗断裂失效的性能指标材料抵抗断裂失效的性能指标l模具的断裂失效是因为模具中的模具的断裂失效是因为模具中的应力超过应力超过了材料相应的了材料相应的断裂抗力断裂抗力。l模具承受载荷或应力的性质不同，模具断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裂的形式不同，则材料的断裂抗力指标也不同。不同。l材料的断裂形式可分为：材料的断裂形式可分为：2023/1/917l快速断裂（一次断裂）快速断裂（一次断裂）：当模具中的：当模具中的应力应力单调增加单调增加并超过一定的临界值时，材料迅并超过一定的临界值时，材料迅速发生的断裂。速发生的断裂。l疲劳断裂疲劳断裂：当模具承受高于一定临界值的：当模具承受高于一定临界值的交变应力交变应力作用时，尽管其最大应力低于材作用时，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，料的屈服点，经过相当多周次的服役后，材料所发生的断裂。材料所发生的断裂。材料抵抗断裂失效的性能指标材料抵抗断裂失效的性能指标2023/1/918一、快速断裂失效的抗力指标一、快速断裂失效的抗力指标（一）快速断裂的类型和方式n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。2023/1/919l根根据据断断裂裂裂裂纹纹扩扩展展的的途途径径，断断裂裂形形式分为式分为穿晶断裂穿晶断裂和和沿晶断裂沿晶断裂。快速断裂的类型和方式2023/1/920l根根据据断断口口的的宏宏观观表表面面对对应应力力的的取取向向，断断裂裂形形式式分分为为正正断断和和切断切断。快速断裂失效的抗力指标2023/1/921v工程上衡量材料抵抗变形和断裂的强度指标工程上衡量材料抵抗变形和断裂的强度指标1 1）正断抗力正断抗力S Sk kl材料抵抗正断的性能指标；材料抵抗正断的性能指标；2 2）切断抗力切断抗力k kl材料抵抗切断的性能指标。材料抵抗切断的性能指标。3 3）剪切屈服强度剪切屈服强度s sl材料对塑性变形的抗力指标。材料对塑性变形的抗力指标。2023/1/922v 断裂方式分析断裂方式分析l在在外外载载荷荷作作用用下下，根根据据最最大大切切应应力力理理论论和和最最大大拉拉应应变变理理论论可可以以求求出出模模具具危危险险点点处处的的最最大大切切应应力力值值为为maxmax和和最最大大正正应应力力值为值为maxmax。l当当最最大大应应力力值值随随着着外外载载荷荷的的增增加加而而成成比比例例地地增增加加时时，材材料料的的断断裂裂可可有有以以下下三三种种情况：情况：2023/1/923v 材料断裂的三种情况材料断裂的三种情况1）脆性正断n 当载荷增大，maxSk，maxs s，maxmaxk k，maxmaxSs，maxSk,maxk时，材料先发生时，材料先发生塑性变形塑性变形，然后发生然后发生正断正断，这种正断也是韧性断，这种正断也是韧性断裂。裂。2023/1/926(二二)影响脆性断裂的基本因素影响脆性断裂的基本因素l脆性断裂事先脆性断裂事先没有没有明显的明显的征兆征兆l在名义在名义应力较低应力较低的情况下的情况下突然发生突然发生(故又称低应力脆断故又称低应力脆断)l危害性最大。危害性最大。2023/1/927v影响脆性断裂的基本因素 1.1.材料的性质和健全度材料的性质和健全度内因；内因；2.2.模具的工作条件模具的工作条件外因：外因：l应力状态；应力状态；l工作温度；工作温度；l加载速度；加载速度；l环境介质等。环境介质等。2023/1/9281.1.材料的性质和健全度材料的性质和健全度l（1）材料的性质l当材料的正断抗力当材料的正断抗力S Sk k低，而剪切屈低，而剪切屈服强度服强度s s高时，脆性断裂倾向大。高时，脆性断裂倾向大。反之，则不易发生脆性断裂。反之，则不易发生脆性断裂。l金属材料基体相原子间的键合强度金属材料基体相原子间的键合强度越高，正断抗力越高。越高，正断抗力越高。2023/1/929l材料的材料的冶金缺陷冶金缺陷、冷热、冷热加工缺陷加工缺陷等等使材料的宏观和微观健全度降低，使材料的宏观和微观健全度降低，导致正断抗力下降；导致正断抗力下降；l材料的材料的体积尺寸体积尺寸越大，所包含的缺越大，所包含的缺陷就越多，各种缺陷相遇的几率也陷就越多，各种缺陷相遇的几率也越大，正断抗力越低。越大，正断抗力越低。（2 2）材料的健全度）材料的健全度2023/1/9302 2.应力状态应力状态 n只有只有切应力切应力才可能使金属材料产生才可能使金属材料产生塑性变形塑性变形，而，而拉应力拉应力增大时则易使增大时则易使材料材料脆性断裂脆性断裂。根据最大切应力和最大正应力的根据最大切应力和最大正应力的相相对大小对大小可判断材料发生韧性断裂或可判断材料发生韧性断裂或脆性断裂的脆性断裂的倾向性倾向性。2023/1/931v 材料韧性断裂或脆性断裂倾向性的判定材料韧性断裂或脆性断裂倾向性的判定v设：maxmaxmax max l应力状态的软性系数应力状态的软性系数l值越值越大大，表示应力状态越，表示应力状态越软软，材料发生，材料发生韧性断裂韧性断裂的的倾向倾向越越大大；l值越值越小小，应力状态就越，应力状态就越硬硬，材料，材料倾向倾向于于脆性脆性断裂。断裂。2023/1/932v不同应力状态发生韧性或脆性断裂的倾向a a）当材料承受当材料承受三向不等拉伸三向不等拉伸时发生时发生脆性断脆性断 裂裂的的倾向倾向最最大大；b b）单向拉伸单向拉伸(=0.5)=0.5)次之次之；c c）扭转扭转(0.8)0.8)脆性断裂倾向脆性断裂倾向较小较小；e e）单向压缩单向压缩(=2)=2)材料易于发生材料易于发生塑性变形塑性变形。2023/1/933v 模具应力集中部位发生断裂形式的倾向模具应力集中部位发生断裂形式的倾向（a a）模具结构形状的突变部位、模具结构形状的突变部位、（b b）表面缺口表面缺口（c c）材料的各种缺陷材料的各种缺陷 l这些部位会产生这些部位会产生应力集中应力集中并并造成造成三向不等三向不等拉伸等拉伸等硬性应力状态硬性应力状态，因而增大脆性破坏，因而增大脆性破坏的倾向。的倾向。2023/1/934模具应力集中部位发生断裂形式的倾向模具应力集中部位发生断裂形式的倾向（d d）截面尺寸大的模具截面尺寸大的模具l易产生易产生平面应变平面应变状态或状态或三向拉应三向拉应力力状态，因而也倾向于脆性断裂。状态，因而也倾向于脆性断裂。2023/1/9353 3.工作温度工作温度 l工作温度降低时，工作温度降低时，金属材料的屈服强金属材料的屈服强度度s s升高；升高；l工作温度对正断抗工作温度对正断抗力力S Sk k影响不大。影响不大。2023/1/936l当温度降低至一定程当温度降低至一定程度（度（T TT Tc c）s s的值可的值可能超过能超过S Sk k 。lT Tc c称为韧称为韧脆转变温脆转变温度，度，T Tc c的高低可反映的高低可反映材料脆断倾向的大小。材料脆断倾向的大小。工作温度工作温度2023/1/937v Tc的影响因素l材料的成分、纯洁度、晶格类形、晶粒大材料的成分、纯洁度、晶格类形、晶粒大小、组织状态等。小、组织状态等。lT Tc c的测定：的测定：采用不同采用不同温度下的系列冲击试温度下的系列冲击试验比较方便。验比较方便。l在在T Tc c以下的温度，其以下的温度，其冲击韧性冲击韧性a ak k会显著降会显著降低。低。2023/1/9384 4.加载速度加载速度l随着加载随着加载速度速度的的增加增加，材，材料的屈服强度料的屈服强度s s不断不断升升高高，而正断抗力，而正断抗力S Sk k变化不变化不大；大；l当加载速度增加到临界值当加载速度增加到临界值V Vc c以上时，材料处于脆性以上时，材料处于脆性状态。状态。l加载速度对材料脆断倾向的影响和工作温度的影加载速度对材料脆断倾向的影响和工作温度的影响类似响类似 。加载速度2023/1/939（三）无裂纹材料的断裂抗力（三）无裂纹材料的断裂抗力 l一般一般中、小截面尺寸中、小截面尺寸的的中、低强中、低强度材料度材料，可以认为是均匀连续的，可以认为是均匀连续的，没有宏观裂纹存在。只要合理选没有宏观裂纹存在。只要合理选择材料的择材料的常规力学性能指标常规力学性能指标并满并满足模具的工作要求即可。足模具的工作要求即可。2023/1/940l模具在静载荷或冲击载荷作用下断裂失效模具在静载荷或冲击载荷作用下断裂失效的主要原因是材料的主要原因是材料强度强度不足，同时与材料不足，同时与材料的的塑性塑性和和韧性韧性有关。有关。l为了防止为了防止脆性断裂脆性断裂，必须根据模具的服役，必须根据模具的服役条件，特别是危险截面处的应力状态，提条件，特别是危险截面处的应力状态，提出关于材料的出关于材料的强度和塑、韧性合理配合强度和塑、韧性合理配合的的要求，进行合理选材。要求，进行合理选材。无裂纹材料的断裂抗力 2023/1/941l材料的强度和塑、韧性的关系往往相互矛材料的强度和塑、韧性的关系往往相互矛盾，例如淬火、回火后的模具钢随着回火盾，例如淬火、回火后的模具钢随着回火温度变化，强度和塑韧性变化趋势相反。温度变化，强度和塑韧性变化趋势相反。l为提高塑韧性，就得降低一定的强度值。为提高塑韧性，就得降低一定的强度值。l因而合理的因而合理的强、韧配合强、韧配合主要是根据主要是根据模具工模具工作条件作条件、结构结构特点等因素由经验确定。特点等因素由经验确定。无裂纹材料的断裂抗力 2023/1/942l 脆性断裂抗力的衡量指标脆性断裂抗力的衡量指标l模具的凸模主要承受压缩和弯曲载荷，凸模具的凸模主要承受压缩和弯曲载荷，凸模材料的模材料的抗压强度抗压强度和和抗弯强度抗弯强度可以反映凸可以反映凸模过载时的断裂抗力。模过载时的断裂抗力。l整体式成形凹模还要受切向拉应力作用，整体式成形凹模还要受切向拉应力作用，因而还要考核材料的因而还要考核材料的抗拉强度抗拉强度。2023/1/943l l满满足足强强度度要要求求的的前前提提下下，为为防防止止脆脆性性断断裂裂，材材料料还还应应有有一一定定的的塑塑性性和和韧性韧性。l在在强强度度相相同同时时，塑塑性性和和韧韧性性高高的的材料，脆性断裂抗力也高。材料，脆性断裂抗力也高。脆性断裂抗力的衡量指标脆性断裂抗力的衡量指标2023/1/944l塑塑性性低低的的模模具具材材料料，为为较较精精确确地地比比较较其其塑塑性性的的差差别别，应应采采用用静静弯弯曲曲试试验验测测定定其其抗抗弯弯强强度度和和挠挠度度，值值越越大大，材材料料的的脆脆性性断断裂裂抗抗力力越越高。高。脆性断裂抗力的衡量指标脆性断裂抗力的衡量指标2023/1/945l材材料料的的冲冲击击韧韧度度a ak k值值，反反映映材材料料断断裂裂过过程程中中吸吸收收能能量量的的大大小小及及加加载载速速度度和和缺缺口口应力集中对材料断裂抗力的影响。应力集中对材料断裂抗力的影响。la ak k值值也也是是衡衡量量材材料料脆脆性性断断裂裂抗抗力力的的重重要要指标指标.l对对承承受受较较大大冲冲击击载载荷荷的的模模具具，用用a ak k值值可可定性地评价材料抵抗脆性断裂的能力。定性地评价材料抵抗脆性断裂的能力。脆性断裂抗力的衡量指标脆性断裂抗力的衡量指标2023/1/946（四）含裂纹材料的断裂抗力（四）含裂纹材料的断裂抗力l快快速速断断裂裂往往往往是是材材料料中中宏宏观观裂裂纹纹的的快快速速扩扩展展造造成成的的。这这种种裂裂纹纹可可能能是是材材料料的的冶冶金金缺缺陷陷引引起起的的，也也可可能能是是在在加加工工过过程程中中或或使用过程使用过程中形成的。中形成的。l当当材材料料内内部部已已有有裂裂纹纹存存在在时时，是是否否会会发发生生快快速速断断裂裂，则则取取决决于于裂裂纹纹尖尖端端的的应应力力场强度场强度和材料的和材料的断裂韧度断裂韧度。2023/1/9471.1.裂纹扩展的基本方式裂纹扩展的基本方式l根据外加应力的类型及其与裂纹扩展面的取向关系，裂纹扩展的基本方式有三种：2023/1/9481）张开型(型)l拉应力拉应力沿沿y方向垂方向垂直作用于裂纹面，直作用于裂纹面，两裂纹面沿两裂纹面沿y方向方向张开产生位移，张开产生位移，裂纹尖端沿裂纹尖端沿x方向方向扩展。扩展。2023/1/9492）滑开型(型)l切应力切应力沿沿x x方向方向平行作用于裂纹平行作用于裂纹面，两个裂纹面面，两个裂纹面沿沿x x正反两个方正反两个方向位移，裂纹沿向位移，裂纹沿x x方向滑开扩展。方向滑开扩展。2023/1/9503）撕开型(型)l切应力沿切应力沿z z方向方向平行作用于裂纹平行作用于裂纹面，两个裂纹面面，两个裂纹面沿沿z z正反两个方正反两个方向位移，裂纹沿向位移，裂纹沿x x方向撕开扩展。方向撕开扩展。2023/1/951l实际裂纹的扩展过程并不局限于这三种形实际裂纹的扩展过程并不局限于这三种形式，往往是它们的组合，如式，往往是它们的组合，如-、-、-型的复合形式。型的复合形式。l在这些裂纹的不同扩展形式中，以在这些裂纹的不同扩展形式中，以型裂型裂纹扩展最危险，最容易引起脆性断裂。纹扩展最危险，最容易引起脆性断裂。l所以，在所以，在研究裂纹体研究裂纹体的脆性断裂问题时，的脆性断裂问题时，总是总是以以型裂纹为对象型裂纹为对象。裂纹扩展的基本方式2023/1/9522.2.裂纹尖端的应力场及应力场强度因子裂纹尖端的应力场及应力场强度因子l裂纹扩展总是从其尖端开始向前进裂纹扩展总是从其尖端开始向前进行的，不同类型的裂纹，其裂纹尖行的，不同类型的裂纹，其裂纹尖端具有不同类型的端具有不同类型的应力场应力场和和应变场应变场。2023/1/953l设一承受均匀设一承受均匀拉应力拉应力的的无限大板，含有长为无限大板，含有长为2a2a的的型穿透裂纹，大板型穿透裂纹，大板试样在应力试样在应力作用下，作用下，垂直于外加应力的裂纹垂直于外加应力的裂纹面顶端前缘的应力场，面顶端前缘的应力场，如图所示。如图所示。裂纹尖端的应力场及应力场强度因子裂纹尖端的应力场及应力场强度因子2023/1/954l当当r r接近于裂纹尖接近于裂纹尖端时端时r ra a，根据，根据线弹性理论线弹性理论可得裂可得裂纹尖端区域纹尖端区域应力场应力场的近似的近似表达式表达式为：为：裂纹尖端的应力场及应力场强度因子裂纹尖端的应力场及应力场强度因子2023/1/955l式中式中裂纹尖端名义应力裂纹尖端名义应力lK K应力场强度因子，下标应力场强度因子，下标“”表示张开型裂纹；表示张开型裂纹；lr r，以裂纹顶端为原点的极以裂纹顶端为原点的极坐标中的极径和极角。坐标中的极径和极角。裂纹尖端的应力场及应力场强度因子裂纹尖端的应力场及应力场强度因子2023/1/956l式中看，越接近裂纹尖端式中看，越接近裂纹尖端(r(r越小越小)，应力越大。，应力越大。l当裂纹尖端沿当裂纹尖端沿x x轴线扩展时，轴线扩展时，=0=0，f(f()=1)=1，则式变为：则式变为：裂纹尖端的应力场及应力场强度因子裂纹尖端的应力场及应力场强度因子2023/1/957l由式知，裂纹尖端应力和由式知，裂纹尖端应力和K K有关。对于裂有关。对于裂纹尖端任意一点（纹尖端任意一点（r r，）的应力大小完全）的应力大小完全由由K K决定，因此被称为决定，因此被称为应力强度因子应力强度因子。含裂纹材料的断裂抗力裂纹尖端的应力场及应力场强度因子裂纹尖端的应力场及应力场强度因子2023/1/958l裂纹尖端应力和位移的分布量由裂纹尖端应力和位移的分布量由K K和坐标和坐标（r r，）决定，）决定，在在K K确定后确定后，不管，不管和和a a如何变化，裂纹尖端的如何变化，裂纹尖端的应力场应力场和位移场和位移场完完全相同全相同。裂纹尖端的应力场及应力场强度因子裂纹尖端的应力场及应力场强度因子2023/1/959la a裂纹的半长（裂纹的半长（m m）用无损探伤法测得；）用无损探伤法测得；lY Y反映裂纹形状、加载方式、模具尺寸的系数，反映裂纹形状、加载方式、模具尺寸的系数，称为几何因子。可查有关手册确定。称为几何因子。可查有关手册确定。l对于承受不同应力以及不同几何形状的裂纹体，对于承受不同应力以及不同几何形状的裂纹体，其裂纹尖端其裂纹尖端K K的关系式可表示为：的关系式可表示为：2023/1/9603.3.材料的断裂韧度材料的断裂韧度l当裂纹长度或外加应力增大到某一临界值，相当裂纹长度或外加应力增大到某一临界值，相应的应力强度因子应的应力强度因子K K增加到临界值增加到临界值K Kcc时，材料时，材料达到裂纹失稳扩展的临界状态，达到裂纹失稳扩展的临界状态，l当应力继续增加至当应力继续增加至c c时，则时，则K KK Kcc，裂，裂纹就会失稳扩展，导致快速断裂。纹就会失稳扩展，导致快速断裂。l因此，因此，K Kcc被称为材料的被称为材料的平面应变断裂韧度平面应变断裂韧度，简，简称称断裂韧度断裂韧度。2023/1/961l断断裂裂韧韧度度KIC是是材材料料抵抵抗抗裂裂纹纹失失稳稳扩扩展展的的抗抗力力指标。指标。l断断裂裂韧韧度度KIC的的值值，可可用用该该材材料料制制成成的的带带裂裂纹纹的试样的试样在相应的试验机上测得。在相应的试验机上测得。lKIC表表示示材材料料所所能能承承受受的的裂裂纹纹尖尖端端的的最最大大应应力力强度因子值强度因子值，也称为，也称为临界应力强度因子临界应力强度因子。含裂纹材料的断裂抗力2023/1/962l断断裂裂韧韧度度KC的的关关系系式式可可表表示示为：为：l根据式根据式KICYc KC 临界应力强度因子临界应力强度因子(MNm3/2或或MPam1/2)c 名义断裂应力名义断裂应力(MNm2或或MPa)含裂纹材料的断裂抗力2023/1/963lKC值是材料的常数。值是材料的常数。l通通过过KC可可求求出出存存在在一一定定长长度度裂裂纹纹时时的的许许用用应应力力，或或根根据据作作用用应应力力求求出出允许的裂纹长度允许的裂纹长度。l因此因此KC值可直接用于强度计算。值可直接用于强度计算。含裂纹材料的断裂抗力2023/1/964n 断裂韧度的应用条件断裂韧度的应用条件l材材料料的的屈屈服服强强度度很很低低而而断断裂裂韧韧度度很很高高时时，即即使使材材料料中中存存在在裂裂纹纹，由由于于c cs s，则则在在外外载载荷荷的的作作用用下下，材材料料先先发发生生塑塑性性变变形形，使使进进一一步步的的破破坏坏为为韧韧性性断断裂裂，如如中中、小小截截面的中、低强度材料就属于这种情况。面的中、低强度材料就属于这种情况。l这这时时断断裂裂韧韧度度就就不不适适合合作作材材料料断断裂裂抗抗力力的的主要指标。主要指标。含裂纹材料的断裂抗力2023/1/965l模模具具的的截截面面尺尺寸寸很很大大或或模模具具材材料料强强度度很很高高时时，发发生生裂裂纹纹失失稳稳扩扩展展快快速速断断裂裂的倾向性较大。的倾向性较大。l截截面面尺尺寸寸大大，可可能能包包含含的的裂裂纹纹缺缺陷陷就就多多，而而且且易易造造成成硬硬性性的的平平面面应应变变状状态态，材料的塑性不能发挥作用，材料的塑性不能发挥作用，含裂纹材料的断裂抗力2023/1/966l裂裂纹纹前前沿沿的的应应力力场场强强度度大大，材材料料的的强强度度高高，其其塑塑性性和和断断裂裂韧韧度度往往往往较较低低，较较小小的裂纹尺寸即可导致快速断裂。的裂纹尺寸即可导致快速断裂。l因因此此，在在这这两两种种情情况况下下，为为防防止止或或减减少少低低应应力力脆脆性性断断裂裂，应应该该对对材材料料的的断断裂裂韧韧度值提出一定的要求度值提出一定的要求。含裂纹材料的断裂抗力2023/1/967（五）材料对应力腐蚀延迟断裂的抗力五）材料对应力腐蚀延迟断裂的抗力 l当当模模具具在在工工作作中中经经常常和和某某些些腐腐蚀蚀介介质质接接触触时时，在在拉拉应应力力和和腐腐蚀蚀介介质质的的共共同同作作用用下下，经经过过一一段段时时间间后后可可能能会会发发生生断断裂裂，所所以以称称为为应应力力腐腐蚀蚀延延迟断裂迟断裂。快速断裂失效的抗力指标2023/1/968l 断裂拉应力的来源断裂拉应力的来源l造成这种断裂拉应力的原因：造成这种断裂拉应力的原因：l1 1）外加载荷；外加载荷；l2 2）热热加加工工、冷冷加加工工、热热处处理理、磨磨削削及及装装配等制造过程中产生的配等制造过程中产生的残余内应力残余内应力。l一一定定的的金金属属材材料料仅仅在在某某些些特特定定的的腐腐蚀蚀介介质中才发生应力腐蚀断裂。质中才发生应力腐蚀断裂。材料对应力腐蚀延迟断裂的抗力 2023/1/969引起金属材料应力腐蚀延迟断裂的腐蚀介质l高强度钢：腐蚀介质为氯化物溶液或水；高强度钢：腐蚀介质为氯化物溶液或水；l奥奥氏氏体体不不锈锈钢钢：腐腐蚀蚀介介质质为为氧氧化化物物溶溶液液、H2S溶液、溶液、NaOH溶液等；溶液等；l马马氏氏体体不不锈锈钢钢：腐腐蚀蚀介介质质为为氯氯化化物物、工工业业大气、酸性硫化物等；大气、酸性硫化物等；l黄铜：腐蚀介质为氨溶液等。黄铜：腐蚀介质为氨溶液等。材料对应力腐蚀延迟断裂的抗力 2023/1/970l 应力腐蚀产生原因应力腐蚀产生原因 l材材料料在在特特定定的的腐腐蚀蚀介介质质中中会会在在表表面面产产生生一一层层保保护护膜膜，当当有有不不大大的的拉拉应应力力作作用用时时，就就会会使使局局部部微微小小区区域域的的保保护护膜膜破破坏坏而而露露出出新新鲜鲜的的金金属属表表面面，从从而而发发生生电化学腐蚀电化学腐蚀并产生并产生腐蚀沟槽腐蚀沟槽。材料对应力腐蚀延迟断裂的抗力 2023/1/971l 应力腐蚀延迟断裂产生过程应力腐蚀延迟断裂产生过程 l在在腐腐蚀蚀介介质质和和拉拉应应力力的的继继续续作作用用下下，腐腐蚀蚀沟沟槽槽将将因因应应力力集集中中而而继继续续扩扩展展，形形成成应力腐蚀裂缝应力腐蚀裂缝。l当当裂裂缝缝发发展展到到一一定定尺尺寸寸时时，便便会会发发生生失失稳稳扩扩展展而而断断裂裂。在在断断口口的的应应力力腐腐蚀蚀开开裂裂区区表面附着有表面附着有腐蚀产物腐蚀产物。材料对应力腐蚀延迟断裂的抗力 2023/1/972l 应力腐蚀断裂的微观断口形貌应力腐蚀断裂的微观断口形貌l其其微微观观断断口口形形貌貌，在在穿穿晶晶开开裂裂时时多多呈呈解解理理河河流流花花样样，在在沿沿晶晶界界开开裂裂时时可可呈呈“冰冰糖糖块块”状状，且且在在晶晶界界面面上上常有细小的腐蚀坑。常有细小的腐蚀坑。材料对应力腐蚀延迟断裂的抗力 2023/1/973n 应力腐蚀延迟断裂的抗力指标应力腐蚀延迟断裂的抗力指标l材材料料发发生生应应力力腐腐蚀蚀延延迟迟断断裂裂的的时时间间，与与裂裂纹前沿应力强度因子纹前沿应力强度因子KI有关。有关。l随随着着KI的的降降低低，发发生生断断裂裂的的时时间间推推迟迟。当当KI降降低低到到某某一一定定值值KISCC后后，材材料料不不再再由由于于应应力力腐腐蚀蚀而而断断裂裂，则则KISCC被被称称为为应应力力腐腐蚀蚀临界应力强度因子临界应力强度因子。材料对应力腐蚀延迟断裂的抗力 2023/1/974l对对于于一一定定的的材材料料，在在一一定定的的介介质质中中，KISCC值值不不变变，因因而而可可以以作作为为材材料料的的性性能能指指标标，是是该该材材料料在在特特定定的的腐腐蚀蚀介介质质中中是是否否会会发发生生应应力力腐腐蚀蚀断断裂裂的的判据。判据。材料对应力腐蚀延迟断裂的抗力 2023/1/975二二、疲劳断裂失效的抗力指标疲劳断裂失效的抗力指标l（一）疲劳的基本概念l模具的服役特点是周期性的重复工模具的服役特点是周期性的重复工作，载荷是随时间而变化的作，载荷是随时间而变化的变动载变动载荷荷，模具中的应力是，模具中的应力是循环应力循环应力。材料抵抗断裂失效的性能指标2023/1/976（一）疲劳的基本概念（一）疲劳的基本概念l循环应力是多种多样的，表现在它的循环应力是多种多样的，表现在它的波形、对称性、随时间的变化规律各波形、对称性、随时间的变化规律各有不同。有不同。l正弦波是最基本的应力波形，如图所正弦波是最基本的应力波形，如图所示。一些复杂的应力波形可视为多种示。一些复杂的应力波形可视为多种正弦波应力的叠加。正弦波应力的叠加。疲劳断裂失效的抗力指标2023/1/977l一个正弦循环应力可以用最大循环应力个正弦循环应力可以用最大循环应力maxmax、最、最小循环应力小循环应力minmin和循环周期和循环周期T(T(或加载频率或加载频率f=1f=1T)T)来描述。来描述。疲劳的基本概念2023/1/978l循环应力的特性则循环应力的特性则是由平均应力是由平均应力m、应力半幅应力半幅a和应力和应力比比R决定的。决定的。lm=（max+min）/2la=（max-min）/2lR=min/max疲劳的基本概念2023/1/979l平均应力平均应力m是不随时间变化的常量，可是不随时间变化的常量，可视为循环应力的视为循环应力的静载分量静载分量；l应力半幅应力半幅a则是循环应力的则是循环应力的交变分量交变分量。l任何循环应力总是由这两个分量组成的。任何循环应力总是由这两个分量组成的。l应力比应力比R称为应力称为应力不对称系数不对称系数或交变应或交变应力循环特性。力循环特性。疲劳的基本概念2023/1/980l当当R=-1时，时，max=-min，其应力循环是，其应力循环是对称对称的；的；l当当R-1时，则为时，则为不对称不对称循环；循环；l若若R=0，则，则min=0，称之为，称之为脉动脉动循环。循环。疲劳的基本概念2023/1/981l模具在循环应力的作用下经过一定模具在循环应力的作用下经过一定周次周次所发生的所发生的断裂失效断裂失效称为称为疲劳疲劳。l造成疲劳的根本原因是循环应力中的造成疲劳的根本原因是循环应力中的交交变分量变分量。当然，静载应力分量对疲劳断。当然，静载应力分量对疲劳断裂会产生很大影响。裂会产生很大影响。疲劳的基本概念2023/1/982（二）（二）模具的疲劳断裂的特点模具的疲劳断裂的特点l1.1.失效抗力低失效抗力低。l引起疲劳失效的循环应力的最大值低引起疲劳失效的循环应力的最大值低于材料的屈服强度。于材料的屈服强度。l2.2.脆性断裂脆性断裂。l疲劳断裂不论是对韧性材料还是脆性疲劳断裂不论是对韧性材料还是脆性材料，均表现为突然脆性断裂，断口材料，均表现为突然脆性断裂，断口处无明显的宏观塑性变形。处无明显的宏观塑性变形。疲劳断裂失效的抗力指标2023/1/9833.对材料表面及内部的缺陷高度敏感。l模具表面的模具表面的应力集中部位应力集中部位，加工和，加工和使用过程中所造成的使用过程中所造成的表面损伤表面损伤，材，材料本身的料本身的冶金缺陷冶金缺陷等，都易成为疲等，都易成为疲劳断裂的劳断裂的裂纹源裂纹源。l尤其表面存在较大尤其表面存在较大拉应力拉应力时，疲劳时，疲劳裂纹多萌生于表面应力集中处。裂纹多萌生于表面应力集中处。模具的疲劳断裂的特点2023/1/9844.塑性变形的高度局部性和不均匀性l材材料料的的疲疲劳劳断断裂裂也也要要经经过过“弹弹、塑塑、断断”三三阶阶段段，但但由由于于名名义义应应力力水水平平低低，只只有有局局部部薄薄弱弱部部位位的的应应力力较较高高，超超过过材材料料的的屈屈服服强强度度，从从而而发发生生微微小小局局部部区区域域的的塑塑性性变变形形，造造成成损损伤伤，产产生生裂裂纹纹，最最后后裂裂纹纹扩扩展展导导致致断裂。断裂。模具的疲劳断裂的特点2023/1/9855.5.试验数据分散试验数据分散l影响疲劳断裂的因素很多，试验测得影响疲劳断裂的因素很多，试验测得的材料的疲劳抗力数据很分散，所以的材料的疲劳抗力数据很分散，所以其抵抗疲劳的性能指标具有其抵抗疲劳的性能指标具有统计性质统计性质。模具的疲劳断裂的特点2023/1/986模具的疲劳断裂的特点6.疲劳断口有明显特征疲劳断口有明显特征 2023/1/987（三）疲劳断裂失效的抗力指标（三）疲劳断裂失效的抗力指标l模具的疲劳断裂是在模具的疲劳断裂是在交变载荷交变载荷的的作用下发生的，实际中常采用作用下发生的，实际中常采用疲疲劳极限劳极限作为疲劳断裂失效的抗力作为疲劳断裂失效的抗力指标。指标。疲劳断裂失效的抗力指标2023/1/988l采用旋转弯曲疲劳采用旋转弯曲疲劳试验来测定在试验来测定在正弦正弦波对称循环应力波对称循环应力下下光滑试样光滑试样的断裂周的断裂周次，并绘制出反映次，并绘制出反映-N-N关系的疲劳曲关系的疲劳曲线。线。疲劳断裂失效的抗力指标2023/1/989lb b1300MPa1300MPa的中低强度钢和铸铁的中低强度钢和铸铁l-N-N曲线出现水平线部分曲线出现水平线部分l当当maxmax低于一定值时，试样可以无限次低于一定值时，试样可以无限次运转而不发生断裂。运转而不发生断裂。l这个一定的这个一定的应力值应力值，就称为材料在对称，就称为材料在对称循环应力作用下的循环应力作用下的弯曲疲劳极限弯曲疲劳极限，记作，记作1 1。疲劳断裂失效的抗力指标2023/1/990l有色合金、不锈钢、有色合金、不锈钢、b1300MPa的高强的高强度钢、在加热或腐蚀条件下工作的所有金度钢、在加热或腐蚀条件下工作的所有金属材料属材料lN曲线不存在水平线部分曲线不存在水平线部分lN=5107108时所对应的最大循环应力值时所对应的最大循环应力值作为材料的作为材料的条件疲劳极限条件疲劳极限,记作记作1n。疲劳断裂失效的抗力指标2023/1/991l-N曲线中高应力低周次的斜曲线中高应力低周次的斜线部分，称为过负荷持久值线。线部分，称为过负荷持久值线。l表示在高于疲劳极限的循环应表示在高于疲劳极限的循环应力作用下，材料所能经受的周力作用下，材料所能经受的周次次(寿命寿命)。l斜线上的点所对应的应力值，斜线上的点所对应的应力值，称为称为材料有限寿命材料有限寿命(持久值持久值)的的疲劳强度。疲劳强度。疲劳断裂失效的抗力指标2023/1/992v疲劳断裂失效的抗力指标疲劳断裂失效的抗力指标1 1）弯曲疲劳极）弯曲疲劳极限限1；2 2）条件疲劳极条件疲劳极限限1n；3 3）材料有限寿）材料有限寿命命(持久值持久值)的的疲劳强度。疲劳强度。疲劳断