《第四章_模具材料失效性能指标及其测试方法.ppt》由会员分享，可在线阅读，更多相关《第四章_模具材料失效性能指标及其测试方法.ppt（117页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、Chapter4模具材料抗失效性能指标及其测试方法 Chapter1钢铁中的合金元素 模具失效实质上就是在特定负荷作用下 具有特定形状的模具材料的失效 材料具有不同的性能指标 可以反映材料对不同形式失效的抗力 根据材料性能指标大小的要求 针对模具的工作条件和失效特点 选择合适的模具材料 制定相应工艺技术 制造出安全可靠 经济合理 能满足寿命要求的模具 Chapter1钢铁中的合金元素 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主要有弹性变形抗力指标和塑性变形抗力指标 变形 弹性变形 塑性变形 外力去除后可恢复 外力去除后不可恢复 材料在外力作用下产生的形状或尺寸的变化
2、 变形 常温静载试验方法 静拉伸压缩弯曲扭转硬度 一 工程材料静拉伸时的应力 应变行为 低碳钢拉伸应力 应变曲线 e 弹性变形 p E s 屈服塑性变形 b s 均匀塑性变形 达到 b 集中塑性变形 产生颈缩 变形量达k点后 发生断裂 弹性变形 屈服塑性变形 均匀塑性变形 不均匀集中塑性变形 断裂 e 弹性极限 p 比例极限 s 屈服极限 屈服强度 b 强度极限 抗拉强度 以上力学性能指标均对成分 组织敏感 低碳钢 正火 退火 调质态的中碳钢或低 中碳合金钢和有些铝合金及某些高分子材料都具有上图所示的应力 应变行为 即在拉伸应力的作用下的变形过程分为四个阶段 弹性变形 屈服塑性变形 均匀塑性变
3、形 不均匀集中塑性变形 其它类型材料的应力 应变曲线 大多数纯金属 Al Cu Au Ag 变形分为三个阶段 无屈服塑性变形阶段 脆性材料 陶瓷 白口铸铁 淬火高碳钢及高碳合金钢 只有弹性变形阶段 高弹材料 橡胶 只有非线性弹性变形一个阶段 且弹性变形能力强 弹性变形率可达100 1000 衡量材料塑性的指标 伸长率 断面收缩率 L0 A0 拉伸试样的原始标距长度 原始截面积 L A 拉伸试样断裂后的标距长度 颈缩处最小截面积 二 过量变形失效 过量弹性变形过量塑性变形 一 过量弹性变形 镗床的镗杆的过量弹性变形会降低被加工零件的精度甚至造成废品 齿轮轴的过量弹性变形会影响齿轮的正常啮合 加速
4、磨损 增加噪声 弹簧的过量弹性变形会影响其减振和储能驱动作用 模具在在一定载荷作用下 只允许一定量的弹性变形 过量弹性变形会造成零件失效 材料在受力时抵抗弹性变形的能力称为零件的刚度 材料抵抗弹性变形的性能指标 弹性变形阶段 曲线的斜率tan E 称为材料的拉伸弹性模量 它表示材料抵抗弹性变形的能力 当材料受纯剪切时 同样有 G为切变弹性模量 表1 1各类材料室温弹性模量 影响弹性模量的因素 材料的原子本性和原子间结合力决定E G 材料熔点高低反映了原子间结合力的强弱 也反映了E G的大小T 原子间结合力 E G 金属材料的E G对成分 组织不敏感 陶瓷 高分子 复合材料的E G对成分 组织敏
5、感 二 过量塑性变形 材料设计准则 多数模具在使用过程中都处于弹性变形状态 不允许产生塑性变形 多数工程材料为弹塑性材料 弹性变形和塑性变形间无明显的分界点 条件比例极限条件弹性极限条件屈服极限 p p 0 001 0 01 e p 0 005 0 05 s p 0 01 0 5 p塑性应变量 材料抵抗塑性变形的抗力指标 比例极限弹性极限屈服极限 第二节材料抵抗断裂失效的性能指标 模具断裂失效时模具中的应力超过材料相应断裂抗力的结果 根据模具所受载荷的性质 断裂形式分为一次断裂 快速断裂 和疲劳断裂 快速断裂 模具中的应力单调地增加并超过一定临界值疲劳断裂 模具承受最大应力低于材料屈服点 经过
6、相当多周次服役 发生的断裂 Chapter1钢铁中的合金元素 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选用材料不同 分为脆性断裂和韧性断裂 根据裂纹扩展的途径 分为穿晶断裂和沿晶断裂 根据断口宏观表面对应力取向分为正断和切断 Chapter1钢铁中的合金元素 当载荷增大 使得 max Sk 而自始至终 max s时 材料发生正断 断裂前无塑性变形 是脆性断裂 当载荷增大 先使 max s时 然后使 max k 而自始至终 max Sk时 材料先发生塑性变形 然后发生切断 是韧性断裂 当载荷增大 先使 max s 继而使 max Sk 然而 max k时 材料先发生
7、塑性变形 然后发生正断 这种正断则是韧性断裂 Sk 正断抗力 k 切断抗力 s 剪切屈服强度 Chapter1钢铁中的合金元素 二 影响脆性断裂的主要因素1 材料的性质和健全度材料的正断抗力Sk低 而剪切屈服强度 s高时 其脆性断裂的倾向就大 反之 不易发生脆性断裂 金属材料的正断抗力首先取决于 基体相原子间的键合强度 键合强度高 正断抗力高 材料的健全度 冶金缺陷 冷热加工缺陷等使材料的健全度降低 因而也导致正断抗力下降 材料显微组织中各薄弱相相遇的概率 材料尺寸越大 正断抗力越低 Chapter1钢铁中的合金元素 2 应力状态 应力状态的软性系数 值越大 表示应力状态越软 材料发生韧性断裂
8、的倾向越大 反之 应力状态越硬 材料倾向于脆性断裂 Chapter1钢铁中的合金元素 3 工作温度 Chapter1钢铁中的合金元素 材料韧 脆转变温度的高低取决于材料的成分 纯洁度 晶格类型 晶粒大小和组织状态 低温脆性常见于体心立方晶格的金属 而面心立方晶格的金属一般无冷脆现象 细晶粒金属不仅断裂强度高 而且韧 脆转变温度低 Chapter1钢铁中的合金元素 4 加载速度加载速度对材料脆断倾向的影响和工作温度的影响类似 应力 加载速度 Chapter1钢铁中的合金元素 三 无裂纹材料的断裂抗力一般中 小截面尺寸的中 低强度材料 可以认为是均匀连续的 没有宏观裂纹存在 模具在静载荷作用下断裂
9、失效的主要原因是材料强度不足 同时与材料的塑性和韧性有关 材料的强度和塑性 韧性之间的关系往往相互矛盾 例如淬火 回火后的模具钢随着回火温度的变化 其强度和塑 韧性的变化趋势相反 合理的强 韧性配合主要是根据模具工作条件 结构特点等因素由经验确定 随着应力集中的缓和 过载水平的降低 应力状态的变软 截面尺寸的减小 材料断裂抗力的最佳值向高强度方向转移 反之 则向高塑性方向转移 模具要求同时具有很高的强度和很高的韧性时 必须采用昂贵的材料或复杂的强化工艺 四 含裂纹材料的断裂抗力 实际裂纹扩展过程并不局限于这三种形式 往往是它们的混合 型裂纹扩展最危险 最容易引起脆性断裂 2 裂纹尖端的应力场及
10、应力场强度因子裂纹顶端名义应力 应力场强度因子 以裂纹顶端为原点的极坐标中的极径和极角 越接近裂纹尖端 r越小 应力越大 当裂纹尖端沿x轴线扩展时 对于承受不同应力以及不同几何形状的裂纹体 a 裂纹半长Y 形状因子 3 材料的断裂韧度断裂力学认为 材料中存在缺陷是绝对的 常见的缺陷是裂纹 在应力的作用下 这些裂纹将发生扩展 一旦扩展失稳 便会发生低应力脆性断裂 材料抵抗内部裂纹失稳扩展的能力称为断裂韧性 材料屈服强度很低而断裂韧度很高 即使材料中存在裂纹 材料先发生塑性变形 使进一步的破坏为韧性断裂 断裂韧度不适合作为材料断裂抗力的主要指标 当模具截面尺寸很大或断裂韧度很高时 发生裂纹失稳扩展
11、快速断裂的倾向性大 截面尺寸大 易造成硬性的平面应变状态 材料的塑性不能发挥作用 裂纹前沿的应力场强度大 较小的裂纹尺寸即可导致快速断裂 断裂韧度适合作为材料的主要指标 五 材料对应力腐蚀延迟断裂的抗力当模具在工作中经常和某些腐蚀介质接触时 在拉应力和腐蚀介质的共同作用下 经过一段时间可能会发生断裂 称为应力腐蚀延迟断裂 有缺陷怎么办 研究含缺陷材料的强度 断裂Fracture 多次载荷作用下如何破坏 研究多次使用载荷作用下裂纹如何萌生 扩展 疲劳Fatigue Fracture 缺陷从何而来 材料固有或使用中萌生 扩展 疲劳与断裂 裂纹如何萌生 有裂纹是否发生破坏 构件能用多长时间 寿命 疲
12、劳断裂破坏的严重性 1982年 美国众议院科学技术委员会委托商业部国家标准局 NBS 调查断裂破坏对美国经济的影响 提交报告 美国断裂破坏的经济影响 SP647 1 数据资料和经济分析方法 SP647 2 断裂使美国一年损失1190亿美元 摘要发表于Int J ofFracture Vol23 No 3 1983译文见力学进展 Vol15 No2 1985 普及断裂的基本知识 可减少损失29 345亿 年 对策 设计 制造人员了解断裂 主动采取改进措施 如设计 材料断裂韧性 冷 热加工质量等 国际民航组织 ICAO 发表的 涉及金属疲劳断裂的重大飞机失事调查 指出 20世纪80年代以来 由金属
13、疲劳断裂引起的机毁人亡重大事故 平均每年100次 不包括中 苏 Int J Fatigue Vol 6 No 1 1984 疲劳断裂引起的空难达每年100次以上 工程实际中发生的疲劳断裂破坏 占全部力学破坏的50 90 是机械 结构失效的最常见形式 因此 工程技术人员必须认真考虑可能的疲劳断裂问题 返回主目录 二 疲劳断裂失效的抗力指标 一 疲劳的基本概念模具的服役特点是周期性的重复工作 故其载荷是随时间而变化的变动载荷 相应地 模具中的应力是循环应力 循环应力图见图4 8 1 什么是疲劳 疲劳是在某点或某些点承受扰动应力 且在足够多的循环扰动作用之后形成裂纹或完全断裂的材料中所发生的局部永久
14、结构变化的发展过程 研究目的 发展过程有多长 预测寿命N 扰动应力 高应力局部 裂纹 发展过程 问题的特点 返回主目录 二 疲劳断裂失效的抗力指标 2 破坏起源于高应力 高应变局部 应力集中处 常常是疲劳破坏的起源 要研究细节处的应力应变 静载下的破坏 取决于结构整体 疲劳破坏则由应力或应变较高的局部开始 形成损伤并逐渐累积 导致破坏发生 可见 局部性是疲劳的明显特点 因此 要注意细节设计 研究细节处的应力应变 尽可能减小应力集中 3 疲劳损伤的结果是形成裂纹 有裂纹萌生 扩展 断裂三个阶段 要研究疲劳裂纹萌生和扩展的机理及规律 飞机轮毂疲劳断口 1 有裂纹源 裂纹扩展区和最后断裂区三个部分
15、裂纹源 裂纹扩展区海滩条带 最后断裂区 二 疲劳断口特征 2 裂纹扩展区断面较光滑 可见 海滩条带 还有腐蚀痕迹 高倍电镜可见疲劳条纹 Cr12Ni2WMoV钢 金属学报 85 肉眼 透射电镜 1 3万倍 3 裂纹源在高应力局部或材料缺陷处 二 疲劳断口特征 4 与静载破坏相比 即使是延性材料 也没有明显的塑性变形 5 实际工程中的表面裂纹 多呈半椭圆形 延性材料静载破坏疲劳破坏 疲劳破坏与静载破坏之比较 疲劳破坏S Su破坏是局部损伤累积的结果 断口光滑 有海滩条带或腐蚀痕迹 有裂纹源 裂纹扩展区 瞬断区 无明显塑性变形 应力集中对寿命影响大 由断口可分析裂纹起因 扩展信息 临界裂纹尺寸 破
16、坏载荷等 是失效分析的重要依据 静载破坏S Su破坏是瞬间发生的 断口粗糙 新鲜 无表面磨蚀及腐蚀痕迹 韧性材料塑性变形明显 应力集中对极限承载能力影响不大 疲劳断口分析 有助于判断失效原因 可为改进疲劳研究和抗疲劳设计提供参考 因此 应尽量保护断口 避免损失了宝贵的信息 由疲劳断口进行初步失效分析 断口宏观形貌 是否疲劳破坏 裂纹临界尺寸 破坏载荷 是否正常破坏 金相或低倍观察 裂纹源 是否有材料缺陷 缺陷的类型和大小 高倍电镜微观观察 海滩条带 疲劳条纹 使用载荷谱 估计速率 三 模具的疲劳断裂的特点1 失效抗力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 2 脆性断裂不论对韧性材料还是脆性材料 表现为突然脆性断裂 断口处无明显的宏观塑性变形 3 对材料表面及内部的缺陷高度敏感疲劳裂纹多萌生于表面应力集中处 4 塑性变形的高度局部性和不均匀性5 实验数据分散6 疲劳断口有明显特征 四 影响疲劳强度的因素1 应力集中的影响2 表面状态的影响3 尺寸因素的影响4 材料本身的影响 八 材料在其他条件下的疲劳及其抗力根据模具的载荷性质和工作环境条件 还可能发生具有其他特点的疲劳 如承
