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1、第一节 零件失效分析第二节 材料选择原则第三节 模具材料与性能任务1.3 零件的失效分析及影响模 具寿命的主要因素任何零件均具有一定的设计功能与寿命。当其在 使用过程中，因零件的外部形状尺寸和内部组织结构 发生变化而失去原有的设计功能，使其低效工作或无 法工作或提前退役的现象即称为失效。 一般情况下，模具出现损伤后并不会立即失效，只有 当某种损伤发展到妨碍模具正常工作或生产出废品时 ，模具才告失效。 失效分析的目的就是要分析零件的失效原因并提出相 应的防止和改进措施，其结论对零件的设计、选材、 加工与使用都有重大的指导意义。 。一、基本概念零件失效形式多种多样，分为偶然失效和必 然失效。通常按
2、零件的工作条件及失效的特点将 失效分为四大类： 即过量变形、断裂、表面损伤和冷热疲劳失效。对结构材料的失效而言，前三种是最主要的 ；其中断裂失效（尤其是脆性断裂）因其危险性 而易受重视、且研究最多，疲劳断裂最普遍，是 断裂失效的主要方式。冷热疲劳失效主要出现在热作模具，在冷作 模具不会出现。二、失效形式造成零件失效的 原因错综复杂、多种 多样，一般将其分为 四个主要方面：设计材料加工使用 见表。三、失效原因设计设计思想有误 工作条件分析错误 结构外形不合理 材料选材不当 材质低劣（冶金缺陷） 加工各种热加工缺陷 各种冷加工缺陷使用安装不良 维护不善 操作不当 过载使用表 零件失效的主要原因失效
3、原因设计与失效之间关系密切，如结构形状不合理 导致的应力集中、安全系数选择过大或过小均是常 见的设计错误。（一）设 计失效原因材料是零件安全工作的基础，因材料而导致失 效的原因主要表现在两方面：其一是选材不当，这是最重要的原因；其二是材质欠佳，如各种冶金缺陷（气孔、疏松 、夹杂物、杂质含量等）的存在且超过规定的标准 。（二）材 料失效原因产品在加工制造过程中，若不注意工艺质量，则 会留下各种冷、热加工缺陷而导致零件早期失效。如 各种裂纹缺陷（铸、锻、焊、热与磨削裂纹）、组织 不均匀缺陷（粗大组织、带状组织等）、表面质量（ 刃痕等）与有害残余应力分布等。（三）加 工（四）热处理和表面热处理不当失
4、效原因零件安装时配合不当、对中不良等，维修不及时 或不当，操作违反规程均可导致工件在使用中失效。 据报道，在260例压力容器失效中，属操作不当而造 成失效的高达75%。应该说明的是：工件失效的原因可能是单一的， 也有可能是多种因素共同作用的结果，但每一失效事 件均应有一导致失效的主要原因，据此可提出防止失 效的主要措施。（五）使 用失效分析工作涉及到多门学科知识。其实践 性极强，快速准确的分析结果要求有正确的失效 分析方法。一般认为失效分析的基本步骤如下：（一）调查取证调查取证是失效分析最关键、最费力、也是 必不可少的程序，主要包括两方面内容：其一是 调查并记录失效现场的相关信息、收集失效残骸
5、 或样品；其二是查询有关背景资料，如设计图样 、加工工艺等文件、使用维修情况等。四、失效分析的基本步骤与方法失效分析的基本步骤与方法对所收集的资料、证据进行整理，并从零件的设 计、加工及使用等多方面进行分析，为后续试验明确 方向。（二）整理分析对失效试样进行宏观与微观断口分析以及必要的 金相分析，确定失效的发源地与失效形式，初步指示 可能的失效原因。（三）断口分析失效分析的基本步骤与方法包括成分及均匀性分析、组织及均匀性观察、与 失效方式有关的各种性能指标的测试等，并与设计要 求进行比较，找出其不符合规范之处。（四）成分组织性能的分析与测试综合各方面的证据资料及分析测试结果，判断并 确定失效的
6、具体原因，提出防止与改进措施，写出报 告。（五）综合分析得出结论第二节 选 材 原 则研究和制造有竞争性的优质产品，最重要的要求 之一就是选择产品中不同零件所用的各种材料和与之 相宜的加工方法的最佳组合。由于所能采用的材料和 加工方法很多，因而材料的选用常常是一个复杂而困 难的判断、优化过程。毫无疑问，所选材料应满足产 品（零件）使用的需要，经久耐用，易于加工，经济 效益高。选材一般应遵循三个基本原则：使用性能、工艺 性能和经济性能，它们是辩证的统一体。在大多数情况下，使用性能是选材的首要原则与 依据，然后再综合考虑工艺性能和经济性能，得出优 化结果。（一）使用性能简要分类使用性能是材料满足使
7、用需要所必备的性能 ，它是保证零件的设计功能实现、安全耐用的必 要条件，是选材的最主要原则。不同用途的零件要求的使用性能是不同的， 见表14-3。 对结构零件而言，其使用性能要求以力学性能为 主，物理性能和化学性能要求为辅； 对功能元件而言，其使用性能则以各种功能特性 为主，以力学性能、化学性能为辅。一、使用性能选材原则使用性能选材原则（一）使用性能简要分类分类典型性能用 途 举 例 力学性能强度 刚度 韧性各机械装置、承载结构零件，如齿轮、轴、螺栓、连 杆等 物理性能密度 航天航空、运动机械 导热性 热交换器、隔热保温装置 导电性 电机电器、输变电设备 化学性能耐热性 耐蚀性热工动力机械与加
8、热设备、化工设备、海洋平台、船 舶与户外结构 功能特性电磁、声、光、热等性能 功能器件，敏感元件，如太阳能电池、压电器件等表14-3 使用性能要求的简单分类使用性能选材原则1）分析零件的工作条件，确定其使用性能。零 件的工作条件分析包括： 受力情况，如载荷性质（静载、动载、交变载荷） 、形式（拉压、弯曲、扭转、剪切）、分布（均匀分 布、集中分布）与大小、应力状态（含残余应力）； 工作环境，如工作温度（常温、高温、低温或变温 ）、工作介质（有无腐蚀介质、润滑剂）； 其它特殊要求，如导热性、密度（重量要求）与磁 性等。在全面分析工作条件的基础上确定零件的使用 性能，如交变载荷下要求疲劳性能，冲击载
9、荷下工作 要求韧性，酸碱等腐蚀介质中工作则要求耐蚀性等。（二）按使用性能选材的具体方法与步骤使用性能选材原则2）进行失效分析，确定主要使用性能。 在工程应用中，失效分析能暴露零件的最薄弱环节， 找出导致失效的主导因素，直接准确地确定零件必备 的主要使用性能。如过去人们认为发动机曲轴的主要 使用性能是高冲击抗力（韧性），必须采用锻钢制造 。而失效分析结果表明：曲轴的失效形式主要是疲劳 断裂，以疲劳抗力为主要性能要求来设计制造曲轴， 其质量和寿命可显著提高，故可采用价格便宜、工艺 简单的球墨铸铁来制造。（二）按使用性能选材的具体方法与步骤使用性能选材原则3）将零件的使用性能要求转化为对材料性能指标
10、 和具体数值的要求。通过分析、计算，将使用性能要求指标化、量化， 例如使用性能要求为“高硬度”时，应将其转化为如“ 60HRC”或“6266HRC”等。再按这些性能指标数据查找 有关手册中各类材料的性能数据及大致应用范围，进行 判断、选材。（二）按使用性能选材的具体方法与步骤材料的工艺性能可定义为材料经济地适应各 种加工工艺而获得规定的使用性能和外形的能力 。二、工艺性能选材原则（一）金属材料的工艺性能总体来说，金属材料能适应的加工工 艺方法最多，且工艺性能良好，这也是金 属材料广泛应用的原因之一。但不同类型、不同成分和组织的金属 材料对不同的加工方法表现出来的工艺性 能是不同的，甚至有着相当
11、大的差异。工艺性能选材原则1.铸造性能 凡相图上液-固相线间距越小、越接近共晶成分 的合金均具有较好的铸造性能。因此铸铁、铸造铝 合金、铸造铜合金的铸造性能优良。在应用最广泛的钢铁材料中，铸铁的铸造性能优 于铸钢；在钢的范围中，中、低碳钢的铸造性能又 优于高碳钢，故高碳钢较少用作铸件。（一）金属材料的工艺性能工艺性能选材原则2.压力加工性能 包括变形抗力，变形温度范围，产生缺陷的可 能性及加热、冷却要求等。一般来说，铸铁不可压力加工，而钢可以压力 加工,但工艺性能有较大差异，随着钢中碳及合金元 素的含量增高，其压力加工性能变差。故高碳钢或 高碳高合金钢一般只进行热压力加工，且热加工性 能也较差
12、，如高铬钢、高速钢等。高温合金因合金 含量更高，故热压力加工性能更差。变形铝合金和 大多数铜合金，像低碳钢一样具有较好的压力加工 性能。（一）金属材料的工艺性能工艺性能选材原则3.焊接性能 钢铁材料的焊接性随其碳和合金元素含量的提 高而变差，因此钢比铸铁易于焊接，且低碳钢焊接 性能最好、中碳钢次之、高碳钢最差。铝合金、铜 合金的焊接性能一般不太好，应采用一些高级的焊 接方法（如氩弧焊）或特殊措施进行焊接。（一）金属材料的工艺性能工艺性能选材原则4.机械加工性能 主要指切削加工性和磨削加工性，其中切削加 工性最重要。一般来说，材料的硬度越高，加工硬 化能力越强，切屑不易断排，刀具越易磨损，其切
13、削加工性能就越差。在钢铁材料中，易切削钢、灰 铸铁和硬度处于180230HBS范围的钢具有较好的切 削加工性能；而奥氏体不锈钢、高碳高合金钢（如 高铬钢、高速钢、高锰耐磨钢）的切削加工性能较 差。铝合金、镁合金及部分铜合金具有优良的切削 加工性能。（一）金属材料的工艺性能工艺性能选材原则5.热处理工艺性能 这里需要强调的是，必须首先区分是否可进行热处 理强化，如纯铝、纯铜、部分铜合金、单相奥氏体 不锈钢一般不可热处理强化。对可热处理强化的材 料而言，热处理工艺性能相当地重要。（一）金属材料的工艺性能工艺性能选材原则与金属材料相比，高分子材料的加工工艺路线 较简单。其主要工艺为成型加工，且工艺性
14、能良好 ，所用工具为成型模（其中主要为塑料模）。具体 的成型方法很多，如注射成型、吹塑成型、挤压成 型等。高分子材料也易于进行切削加工，但因其导 热性能较差，在切削过程中应注意工件温度急剧升 高而导致的软化（热塑性塑料）和烧焦（热固性塑 料）现象。少数情况下，高分子材料还可进行焊接 与热处理，其工艺简单易行。（二）高分子材料的工艺性能工艺性能选材原则陶瓷材料硬而脆且导热性较差，其制品的工艺 路线也比较简单。主要工艺为成形（包括高温烧结 ），根据陶瓷制品的材料、性能要求、形状尺寸精 度及生产率不同，可选用粉浆成形、压制成形、挤 压成形、可塑成形等方法。陶瓷材料的切削加工性能极差，除极少数陶瓷 外
15、（如氮化硼陶瓷），其它陶瓷均不可切削加工。 陶瓷虽可磨削加工，但其磨削性能也不佳，且必须 选用超硬材料砂轮（如金刚石砂轮）。陶瓷也可进 行热处理，但因导热性与耐热冲击性差，故加热与 冷却时应小心，否则极易产生裂纹。（三）陶瓷材料质优、价廉、寿命高，是保证产品具有竞争力 的重要条件，这就要求工程师正确处理产品的技术 性与经济性（或者说功能与成本）两者间的关系。 在选择材料和制定相应的加工工艺时，应考虑选材 的经济性原则。这对适应经济全球化的形势，对量 大面广的民用产品的开发与应用，显得尤为重要。 所谓经济性选材原则，主要是指选择价格便宜 、加工成本低的材料，其中材料成本问题是经济性 选材原则的核
16、心。三、经济性能选材原则第三节 模具材料与性能一、模具材料概述1、 模具材料在模具工业中的地位模具是制造技术的核心，工业要发展，首先要发展 模具工业。模具作为国民经济的基础工业，涉及机械、 汽车、轻工、电子、化工、冶金、建材等各个行业，量 大面广，品种繁多。“模具是工业之母”，模具性能好坏，寿命高低，直 接影响产品的质量和经济效益。而模具材料与热处理、 表面处理是影响模具寿命诸因素中的主要因素。所以， 目前世界各国都在不断地开发模具新材料，改进热处理 工艺和表面强化技术。2、模具材料的分类模具材料的品种繁多、分类方法也不尽相同。由于模具钢是制 造模具的主要材料，所以我们可将材料分类如下：模具材料模具钢其它模具 材料冷作模具钢塑料模具钢热作模具钢铸铁非金属材料硬质合金有色金属 及其合金根据模具的工作条件不同，一般把模具钢分为三类: 1.冷作模具钢 2.热作模具钢 3.塑料模具钢。3、 模具材料的主要性能指标 （1）强度:表征材料变形抗力和断裂抗力的性能指标。（2）硬度:衡量材料软硬程度的
