第三章 模具失效形式及机理
本章学习目标：
1、掌握模具失效主要形式
2、掌握磨损失效形式、失效机理以及影 响因素 3、掌握断裂失效形式、失效机理以及影响 因素 4、掌握塑性变形失效失效机理以及多种失 效形式的交互作用
模具的主要失效形式：
1.磨损失效 2.断裂失效 3.塑性变形失效
失效几率
早期失效
随机失效
图1-1 寿命特性曲线
耗损失效 使用时间
第一节 磨损失效
磨损：由于表面的相对运动，从接触表面 逐渐失去物质的现象。
磨损失效： 模具在服役时，与成形坯料接 触，产生相对运动，造成磨损。当该磨损使 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时。
磨损的分类：
1.磨粒磨损(particle wear) 2.粘着磨损(adhesive wear) 3.疲劳磨损(fatigue wear) 4.气蚀和冲蚀磨损(cavitation erosion and wash-out wear)
图3-9 压力对磨损量的影响
d.磨粒尺寸与工件厚度的比值
工件厚度越大，磨粒越易嵌入工件，嵌入 越深，对模具的磨损越小。
磨粒 工件
( a) dm<t (b) dm=t (c) dm>t
图3-10 磨粒尺寸与工件厚度相对比值对磨损量的影响
提高耐磨粒磨损的措施 ： a.提高模具材料的硬度 b.进行表面耐磨处理 c.采用防护措施
图3-8 相对硬度对磨损量的影响
当Hm=Ho时，如II区，为磨损软化状态， 此时的磨损率急剧增加，曲线上升很徒。
当Hm>Ho 时，如III区， 为严重磨损状 态，此时磨损 量较大，曲线 趋平。
图3-8 相对硬度对磨着模具与工件表面压力的增加，磨粒压入 模具的深度增加，磨损越严重。但当压力达到 一定值后，磨粒棱角变钝，磨损增加趋缓。
机理：
图3-20
提高抗气蚀和冲蚀磨损的措施 ：
a.合理选择材料(抗疲劳性、抗腐蚀性、强
度及韧性高)
b.降低流体对模具表面的冲击速度,避免涡流
5.腐蚀磨损
定义：模具表面与周围介质发生化学或电化 学反应，再加上摩擦力的机械作用，引起表 层材料脱落的现象叫腐蚀磨损。(在高温或潮 湿的环境中，在酸、碱、盐条件下易发生)
转角处表面纵向裂纹分布形貌
裂纹打开裂面形貌
裂纹开口处（边缘）裂面形貌
工作面上凹坑及周边组织形貌
转角处裂纹两侧组织分布形貌
影响因素：
a.材质（气体含量、非金属夹杂物类型、 大小、形貌和分布状态） b.硬度 c.表面粗糙度（粗糙度值↑，接触点压力↑ 疲劳磨损↑ ） d.摩擦力 e.润滑
提高耐疲劳磨损的措施 ： a.合理选择润滑剂 b.进行表面强化处理(喷丸、滚压)
4.气蚀磨损和冲蚀磨损
气蚀磨损：金属表面的气泡破裂，产生瞬 间的冲击和高温，便模具表面形成微小麻点 和凹坑的现象叫气蚀磨损 。
机理:
气体冲击 气体冲击
固体表面
图1-16 气蚀磨损沟痕示意图
冲蚀磨损：液体和固体微小颗粒高速落到模 具表面，这样的反复冲击,使模具表面材料流 失，形成麻点和凹坑的现象叫冲蚀磨损。
a.表面压力
b.材料性质
材料塑性越高，粘着磨损越严重； 互溶性(成分、性质相同或相近、互溶性大、 易粘结，反之，不易粘结)互溶性↑磨损↑ 晶格类型：面心立方 > 体心立方 >密排六 方 ；相组织:多相<单相 c. 材料的硬度 硬度相差较大，磨损不大；反之亦然。
提高耐粘着磨损的措施 ：
a.合理选用模具材料 b.合理选用润滑剂和添加剂 c.采用表面处理
b.擦伤
c.胶合
(a) 涂抹
b.擦伤 当粘结点的强度高于两金属材料的强度时， 剪切发生在较软金属表层较下的部分，有时剪 切也发生在硬金属的浅表层内。
(b) 擦伤
c.胶合 当粘结点强度比两金属硬度高得多且粘结点 面积较大时，剪切破坏发生在一个或两个金属 表层较深的地方。
(c) 胶合
粘着磨损影响因素：
周期后，表面就会产生局部的塑
性变形和加工硬化。在某些组织
不均匀处，由于应力集中，形成
点蚀
裂纹源，并沿着切应力方向或夹 杂物走向发展。当裂纹扩展到金 裂纹从表层产生
属表面或与纵向裂纹相交时，形
成磨损剥落。
鳞剥
实例
中型铝合金成型压铸模
裂纹疲劳扩展形貌
铝合金壳体压铸模
压铸模内腔面局部损伤形貌
表面龟裂形貌(热疲劳裂纹)
5.腐蚀磨损(corrosion wear)
1.磨粒磨损
定义：外来硬质颗粒存在于工件与模具接
触表之间，刮擦模具表面，引起模具表面材
料脱落的现象。
机理：
垂直分力 使磨粒压
入金属表
平行分力使磨 粒与金属表面 产生相对运动
面
图3-2 磨粒磨损的机理模型
图3-3 磨粒耕犁与犁皱的机理模型
实例
图3-4 灯罩注塑模
粘着磨损分类：
1.轻微粘着磨损（氧化磨损）
当粘结点的强度低于模具与 工件的强度时，剪切发生在结 合面上，这种磨损量不大。
2.严重粘着磨损
图3-17 轻微粘着磨损
当粘结点的强度高于模具与工件其中之一的 材料强度时，剪切面发生在工件或模具的基体 上。
严重粘着磨损分类：
a.涂抹 粘结点的剪切发生在较软金属表面层上部， 当粘结点强度高于较软金属的强度时，被剪切 的金属以涂抹方式转移到硬金属表面上。
图3-5 模腔表面凸台微孔缺陷
图3-6 微孔附近拉伤及夹 图3-7 微孔边缘损失形貌 杂物形貌
影响因素：
a.磨粒的大小和形状 磨粒尺寸越大，磨损量越大，但磨粒的尺
寸到达一定值后，磨损量保持不变; 磨粒的 外形越尖磨损量越大。
b.磨粒硬度Hm与模具材料硬度Ho
当Hm<Ho时， 如1区，模具产 生轻微磨损， 此时磨损率小， 曲线上升平缓。
3.疲劳磨损
定义：两接触表面相互运动时，在循环应力 （机械应力与热应力）的作用下，使表层金 属疲劳脱落的现象称为疲劳磨损。
分类（根据所收载荷的不同）： 机械疲劳磨损
冷热疲劳磨损
机理
在模具和工件的相对运动中，
会承受一定的作用力，模具的表
面及亚表面存在多变的接触压力
及切应力，这些力反复作用一定 裂纹从表面产生
2.粘着磨损
定义：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 称为粘着磨损。
机理：
实例
图3-12 制药器成型冲头的粘着磨损
图3-13 冲头的粘着磨损形貌(SEM)
图3-14 铝合金壳体压铸模
图3-15 表面缺陷低倍形貌
图3-16 表面剥离形貌