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1．3模具材料的抗失效性能指标各种模具在服役过程中都要承受一定的机械负荷，有的还要经受热负荷和环境介质的作用。在这些因素的作用下，经过一定的服役周次，模具可能会发生过量变形、断裂和表面损伤等失效现象。任何模具都是用一定的材料制造的，模具的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。材料对某种失效的抵抗能力（简称失效抗力）可用材料的某些性能指标来衡量。材料具有各种不同的性能指标，可以反映材料对不同形式失效的抗力。通过失效分析，不仅要找出造成材料失效的主因，还要找出能正确评价材料这种失效抗力的性能指标判据。根据对这些性能指标的要求，我们就能针对模具的工作条件和失效特点，选择最合适的材料成分及组织状态，并制定相应的工艺技术措施，制造出既安全可靠、又经济合理，同时又能满足寿命要求的模具。1．3．1材料抵抗过量变形失效的性能指标模具（即一定形状的材料）受到力的作用就会产生变形，首先是弹性变形。当模具某一部位的应力值大于材料的屈服点时，又开始产生塑性变形。模具的弹性变形不可避免，但其弹性变形量不能超过一定的允许值。模具的塑性变形是不允许的，或者只允许有局部的微小塑性变形。当模具的弹性变形量超过了允许值或发生了较明显的塑性变形时，都会导致模具不能正常工作，即发生了过量变形失效。显然，弹性变形和塑性变形的性质不同，材料抵抗这两种变形的性能指标也不同。1．3．1．1弹性变形的抗力指标材料抵抗弹性变形的性能指标主要是弹性模量E和切变模量G，它们分别是使材料产生单位正应变和单位切应变所需的正应力和切应力的大小。材料的E或G越大，则在相同载荷下所产生的弹性变形越小，即越不易发生过量弹性变形失效。金属材料的弹性模量和切变模量主要与材料基体原子本身的性质有关，而对材料组织结构的变化不敏感。除了温度升高，原子结合力减小，弹性模量和切变模量降低以外，材料的合金化、热处理、冷变形等强化手段对弹性模量和切变模量的影响很小。因此，要减少模具的弹性变形，提高其刚度，只能通过合理设计模具的截面形状、尺寸，并提高其结构刚度来解决。1．3．1．2塑性变形的抗力指标模具发生塑性变形的根本原因，是在外加载荷作用下模具整体或局部产生的应力值大于模具材料的屈服点σs。因而，模具材料本身的屈服强度不高，或者热处理不当而未能发挥材料的强度潜力，是塑变失效的内因；操作不当或者意外因素引起的超载是塑变失效的外因。塑性变形因模具种类的不同和使用材料特质的各异，因此需测定和观察不同的塑变抗力指标：★冷作模具，高含碳量钢：适宜用压缩试验测定其压缩屈服点。★对脆性较大的材料：常用弯曲试验测定其抗弯屈服点。★热作模具：①材料室温下的屈服强度；②材料的回火抗力；②高温下的屈服强度。模具材料的硬度在一定范围内与该材料的抗压屈服强度成正比，因而硬度（包括高温下的硬度）也可以用来评价材料的塑变抗力。但是应该注意，屈服强度要比硬度对材料的组织状态敏感，具有相同硬度的不同材料，因其成分和组织不同，它们的抗压屈服强度并不相当。如模具用钢Cr6WV、Crl2MoV、W18Cr4V等，它们经淬火回火后的硬度同为63HRC时，其抗压屈服强度依次递增。1．3．2材料抵抗断裂失效的性能指标模具的断裂失效是模具中的应力水平超过材料相应的断裂抗力的结果。模具承受载荷或应力的性质不同，材料抵抗断裂失效的性能指标也不相同。当模具中的应力单调地增加并超过一定的临界值时，材料便会迅速发生断裂，这种断裂可称为一次断裂或快速断裂；当模具承受高于一定临界值的交变应力作用时，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，材料也会发生断裂，这种断裂则称为疲劳断裂。显然，材料对这两种断裂的抗力指标是不相同的。应力临界值线一次断裂或快速断裂应力单边增加应力临界值线疲劳断裂1．3．2．1快速断裂失效的抗力指标1．断裂的类型和方式模具的快速断裂可在多种工作条件下发生，例如，高温或室温，静载荷或冲击载荷，表面光滑或有缺口或有裂纹，有腐蚀介质或无腐蚀介质，等等。模具的工作条件不同，所用的材料不同，其断裂的类型和方式可以不同。工程上，常根据断裂件的断口状况对断裂进行分类，如表1-1所示。穿晶断裂晶界断裂2．影响脆性断裂的基本因素脆性断裂事先没有明显的征兆，且在名义应力较低的情况下突然发生（故又称低应力脆断），其危害性最大。因而，人们一直关注脆性断裂的预防。模具在服役过程中是否会发生脆性断裂，一方面取决于材料本身的性质和健全度，另一方面还受模具工作条件，如应力状态、工作温度、加载速度、环境介质等外界因素的影响。（1）材料的性质和健全度如前所述，在单调增加的载荷作用下，材料尚未发生宏观的塑性变形就发生了正断，这种断裂就是脆性断裂。材料的正断抗力低，其脆性断裂的倾向就大。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，键合力高者其正断抗力自然也高；其次取决于材料的健全度，冶金缺陷、冷热加工缺陷等使材料的宏观和微观键全度降低，因而也导致正断抗力下降；再次取决于材料显微组织中各薄弱相（或组成体）相遇的几率，当各个薄弱环节有机会连接在一起形成薄弱面时，其正断抗力必然下降。由此可以推断材料的体积尺寸越大，所包含的缺陷就越多，各种缺陷相遇的几率也越大，其正断抗力就越低。（2）应力状态使金属材料产生塑性变形的是切应力，而拉应力增大时则易使材料脆性断裂。模具结构形状的突变部位、表面缺口及材料的各种缺陷等，都会使这些部位产生应力集中并造成三向不等拉深等硬性应力状态，因而增大脆性破坏的倾向。另外，截面尺寸大的模具，当在某一方向产生拉应变时，另两个方向的收缩变形均会受到较大的约束，即易产生平面应变状态或三向拉应力状态，因而也倾向于脆性断裂。（3）工作温度工作温度降低时，金属材料，特别是体心立方晶格的金属材料的塑性变形抗力增大，即屈服强度升高，而对正断抗力（主要取决于原子键合力）影响不大。因而当温度降低至一定程度（TTC）时，这时，材料处于脆性状态，在断裂以前不会产生塑性变形。TC称为韧-脆转变温度，其高低反映材料脆断倾向的大小，是材料的一个重要性质。应力图1－23温度对σs和Sk的影响示意图温度屈服强度σs正断抗力SkTc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。（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，图l-24所示曲线表示了加载速度对材料脆断倾向的影响规律。随着加载速度的增加，材料的屈服强度σs升高，而正断抗力Sk变化不大，因而当加载速度增加到临界值Vc以上时，材料处于脆性状态。vc应力加载速度σsSk图1-24加载速度对σs和Sk的影响示意图3．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（即使有微小裂纹，对断裂过程也不产生重要影响）。这时，由材料力学所提供的强度判据可用于设计计算，只要合理选择材料的常规力学性能指标并满足模具的工作要求即可。在模具的断裂失效中，脆性断裂的实例很多，而韧性断裂很少见到。因而，材料的脆性断裂抗力是主要研究的问题。模具在静载荷或冲击载荷的作用下断裂失效的主要原因是材料的强度不足，同时与塑性和韧性有关。为了防止脆性断裂，必须根据模具的服役条件，特别是危险截面处的应力状态，提出材料的强度和塑性、韧性合理配合的要求，并由此指导选材。材料的强度和塑性、韧性之间往往是相互矛盾的，如淬火回火的模具钢随着回火温度的变化，其强度和塑性、韧性的变化趋势相反。为了提高塑性、韧性，就得牺牲一部分强度。因而所谓合理的强、韧配合要根据模具的工作条件、结构特点等由经验确定。一般的规律是：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。同时要求很高强度和很高韧性的模具只有采用昂贵的材料和复杂的强化工艺才能达到。凸模主要承受压缩和弯曲载荷，因此，模具的断裂抗力主要考察材料的抗压强度和抗弯强度。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抗拉强度。在满足上述强度要求的前提下，为了防止脆性断裂，材料还应具有一定的塑性和韧性。在强度相同时，塑性和韧性高的材料，其脆性断裂抗力也高。材料的冲击韧度ɑk值，不仅反映了材料断裂过程中吸收能量的大小，也包含了加载速度和缺口应力集中对材料断裂抗力的影响。因而ɑk值也是衡量材料脆性断裂抗力的重要指标，尤其对承受较大冲击载荷的模具，往往用ɑk值定性地评价材料抵抗脆性断裂的能力。4．含裂纹材料的断裂抗力快速断裂往往是由于材料中宏观裂纹的快速扩展造成的。这种裂纹可能是由于材料的冶金缺陷引起的，也可能是在加工过程中产生的，也可能是使用过程中形成的。当材料内部已有裂纹存在时，是否会发生快速断裂，取决于裂纹尖端附近的应力场强度和材料的断裂韧度。材料的断裂韧度KIC的值，它表示材料所能承受的裂纹前沿的最大应力强度因子值，故又称为临界应力强度因子。随着外加载荷的增加，即名义应力σ的增加，裂纹前沿的应力强度因子K1也增加。当K1增加到临界值KIC时，即达到了材料的承载极限。当载荷继续增加时，裂纹就会失稳扩展，导致快速断裂。因而，断裂韧度KIC就是材料抵抗裂纹失稳扩展的抗力指标。当模具的截面尺寸很大或模具材料的强度很高时，发生裂纹失稳扩展快速断裂的倾向性较大。截面尺寸大，可能包含的裂纹缺陷就多，而且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；材料的强度高，其塑性和断裂韧度往往较低，较小的裂纹尺寸即可导致快速断裂。因此，在这两种情况下，为防止或减少低应力脆性断裂，应该对材料的断裂韧度值提出一定的要求。5．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，经过一段时间后可能会发生断裂，故称之为应力腐蚀延迟断裂。造成这种断裂的拉应力可以是由外加载荷引起的，也可以是在热加工、冷加工、热处理、磨削及装配等制造过程中产生的残余内应力。一定的金属材料仅在某些特定的腐蚀介质中才发生应力腐蚀断裂。如对高强度钢，其特定的腐蚀介质为氯化物溶液或水；对奥氏体不锈钢，为氯化物溶液、H2S溶液、NaOH溶液等；对马氏体不锈钢，为氯化物、工业大气、酸性硫化物等；对黄铜，为氨溶液等。一般认为，材料在特定的腐蚀介质中会在表面产生一层保护膜，当有不大的拉应力作用时，就会使局部微区的保护膜破坏而露出新鲜的金属表面，从而发生电化学腐蚀并产生腐蚀沟槽。在腐蚀介质和拉应力的继续作用下，腐蚀沟槽将因应力集中而继续扩展，形成应力腐蚀裂缝。当裂缝发展到一定尺寸时，便会发生失稳扩展而断裂。材料发生应力腐蚀延迟断裂的时间，与拉应力的大小有关，确切地说是与裂纹前沿应力强度因子K1的大小有关。随着K1的降低，发生断裂的时间推迟。当K1降低到某一定值K1SCC后，材料不再由于应力腐蚀而断裂，K1SCC称为应力腐蚀临界应力强度因子。对于一定的材料，在一定的介质中，K1SCC的值不变，因而它可作为材料的性能指标，是该材料在特定的腐蚀介质中是否会发生应力腐蚀断裂的判据。1．3．2．2疲劳断裂失效的抗力指标1．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有不同。其中最基本的应力波形是正弦波，在一个正弦波中有最大循环应力σmax、最小循环应力σmin，一些复杂的应力波形可视为多种正弦波应力的叠加。模具在循环应力的作用下经过一定周次所发生的断裂失效称为疲劳。2．模具疲劳断裂的特点：（1）失效抗力低。（2）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）试验数据分散。（6）疲劳断口有明显特征。分为两个断裂区，即疲劳