模具的力學(xué)性能要求--常規(guī)力學(xué)性能

　　模具材料的性能是由模具材料的成分和熱處理后的組織所決定的。模具鋼的基本組織是由馬氏體基體以及在基體上分布著的碳化物和金屬間化合物等構(gòu)成。

　　模具鋼的性能應(yīng)該滿足某種模具完成額定工作量所具備的性能，但因各類模具使用條件及所完成的額定工作量指標(biāo)均不相同沛膳，故對(duì)模具性能要求也不同。又因?yàn)椴煌摰幕瘜W(xué)成分和組織對(duì)各種性能的影響不同汛聚，即使同一牌號(hào)的鋼也不可能同時(shí)獲得各種性能的最佳值锹安，一般某些性能的改善會(huì)損失其他的性能。因而倚舀，模具工作者常根據(jù)模具工作條件及工作定額要求選用模具鋼及最佳處理工藝八毯，使之達(dá)到主要性能最優(yōu)，而其他性能損失最小的目的瑞蓉。

　　對(duì)各類模具鋼提出的性能要求主要包括：硬度、強(qiáng)度偿寥、塑性和韌性等梯撰。

　　模具的力學(xué)性能要求--硬度

　　硬度表征了鋼對(duì)變形和接觸應(yīng)力的抗力。測(cè)硬度的試樣易于制備填级，車間怎体、試驗(yàn)室一般都配備有硬度計(jì)，因此怜人，硬度是很容易測(cè)定的一種性能愚缔，而且硬度與強(qiáng)度也有一定關(guān)系，可通過硬度強(qiáng)度換算關(guān)系得到材料硬度值癌羞。按硬度范圍劃定的模具類別垛淮，如高硬度（52～60HRC），一般用于冷作模具豌富，中等硬度（40～52HRC）根适，一般用于熱作模具。

　　鋼的硬度與成分和組織均有密切關(guān)系，通過熱處理继谚，可以獲得很寬的硬度變化范圍烈菌。如新型模具鋼012Al和CG－2可分別采用低溫回火處理后硬度為60～62HRC，采用高溫回火處理后硬度為50～52HRC花履，因此可用來制作硬度要求不同的冷芽世、熱作模具。因而這類模具鋼可稱為冷作诡壁、熱作兼用型模具鋼济瓢。

　　模具鋼中除馬氏體基體外，還存在更高硬度的其他相欢峰，如碳化物葬荷、金屬間化合物等。表l為常見碳化物及合金相的硬度值纽帖。

　　表1 各種相的硬度值

　　相 硬度HV

　　鐵素體 約100

　　馬氏體：ω C 0.2% 約530

　　馬氏體：ω C 0.4% 約560

　　馬氏體：ω C 0.6% 約920

　　馬氏體：ω C 0.8% 約980

　　滲碳體(Fe 3 C) 850～1100

　　氮化物 1000～3000

　　金屬間化合物 500

　　模具鋼的硬度主要取決于馬氏體中溶解的碳量（或含氮量）宠漩，馬氏體中的含碳量取決于奧氏體化溫度和時(shí)間。當(dāng)溫度和時(shí)間增加時(shí)懊直，馬氏體中的含碳量增多馬氏體硬度會(huì)增加扒吁，但淬火加熱溫度過高會(huì)使奧氏體晶粒增大，淬火后殘留奧氏體量增多旱醉，又會(huì)導(dǎo)致硬度下降邀耽。因此，為選擇最佳淬火溫度敬育，通常要先作出該鋼的淬火溫度—晶粒度—硬度關(guān)系曲線平葡。

　　馬氏體中的含碳量在一定程度上與鋼的合金化程度有關(guān)，尤其當(dāng)回火時(shí)表現(xiàn)更明顯零勃。隨回火溫度的增高宗而，馬氏體中的含碳量在減少，但當(dāng)鋼中合金含量越高時(shí)类菊，由于獼散的合金碳化物折出及殘留奧氏體向馬氏體的轉(zhuǎn)變攻躏，所發(fā)生的二次硬化效應(yīng)越明顯，硬化峰值越高玩捉。

　　常用硬度測(cè)量方法有以下幾種：

　　1.洛氏硬度（HR） 是最常用的一種硬度測(cè)量法跃唧，測(cè)量簡(jiǎn)便、迅速词宴，數(shù)值可以從表盤上直接選出令怎。洛氏硬度常用三種刻度，即HRC蹈垢、HRA澡刹、HRB呻征。三種刻度所用壓頭、試驗(yàn)力及適用范圍見表1-2罢浇。

　　表1-2 洛氏硬度試驗(yàn)規(guī)范

　　硬度符號(hào) 硬度頭規(guī)格 試驗(yàn)力/L 應(yīng)用范圍

　　HRC 120°金剛石圓錐 1471 20～70

　　HRA 120°金剛石圓錐 588.4 20～88

　　HRB φ1.588mm鋼球 980.6 20～100

　　2.布氏硬度（HB） 用淬火鋼球作硬度頭陆赋，加上一定試驗(yàn)力壓人工件表面，試驗(yàn)力卸掉以后測(cè)量壓痕直徑大小嚷闭，再查表或計(jì)算攒岛，使得出相應(yīng)的布氏硬度值HB。

　　布氏硬度測(cè)試主要用于退火胞锰、正火灾锯、調(diào)質(zhì)等模具鋼的硬度測(cè)定。

　　3.維氏硬度（HV） 采用的壓頭是具有正方形底面的金剛石角錐體嗅榕，錐體相對(duì)兩面間的夾角為136°顺饮，硬度值等于試驗(yàn)力F與壓痕表面積之比值。

　　此法可以測(cè)試任何金屬材料的硬度凌那，但最常用于測(cè)定顯微硬度沿阁，即金屬內(nèi)部不同組織的硬度。

　　三種硬度大致有如下的關(guān)系：HRC≈1/10HB董记，HV≈HB（當(dāng)＜400HBS時(shí)）

　　模具的力學(xué)性能要求--強(qiáng)度

　　強(qiáng)度即鋼材在服役過程中铆贞，抵抗變形和斷裂的能力。對(duì)于模具來說則是整個(gè)型面或各個(gè)部位在服役過程中抵抗拉伸力檀塌、壓縮力伶摩、彎曲力、扭轉(zhuǎn)力或綜合力的能力前河。

　　衡量鋼材強(qiáng)度常用的方法是進(jìn)行拉伸試驗(yàn)昂幕。拉伸試驗(yàn)是在拉伸試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行的，試棒需按規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)制備框嫁，拉伸過程中在記錄紙上繪出拉伸力F與伸長(zhǎng)量ΔL之間的關(guān)系圖庶化，即所謂的拉伸曲線圖，分析拉伸曲線圖就可以得出金屬的強(qiáng)度指標(biāo)参攻。對(duì)于在壓縮條件下工作的模具，還經(jīng)常給出抗壓強(qiáng)度怎晰。

　　對(duì)于模具鋼髓绽，特別是含碳量高的冷作模具鋼，因塑性很差妆绞，一般不用抗拉強(qiáng)度而是以抗彎強(qiáng)度作為實(shí)用指標(biāo)顺呕。抗彎試驗(yàn)甚至對(duì)極脆的材料也能反映出一定的塑性括饶。而且株茶，彎曲試驗(yàn)產(chǎn)生的應(yīng)力狀態(tài)與許多模具工作表面產(chǎn)生的應(yīng)力狀態(tài)極相似来涨，能比較精確地反映出材料的成分及組織因素對(duì)性能的影響。

　　在拉伸曲線圖上有一個(gè)特殊點(diǎn)启盛，當(dāng)拉力到達(dá)這一點(diǎn)時(shí)蹦掐，試棒在拉力不增加或有所下降情況下發(fā)生明顯伸長(zhǎng)變形，這種現(xiàn)象稱為屈服僵闯。這時(shí)的應(yīng)力稱為這種材料的屈服點(diǎn)卧抗。而當(dāng)外力去除后不能恢復(fù)原狀的變形，這部分變形被保留下來鳖粟，成為永久變形社裆，稱為塑性變形。屈服點(diǎn)是衡量模具鋼塑性變形抗力的指標(biāo)向图，也是最常用的強(qiáng)度指標(biāo)谈毫。對(duì)模具材料要求具有高的屈服強(qiáng)度，如果模具產(chǎn)生了塑性變形碉讯，那么模具加工出來的零件尺寸和形狀就會(huì)發(fā)生變化鹤鲤，產(chǎn)生廢品，模具也就失效了拿奥。

　　模具的力學(xué)性能要求--塑性

　　淬硬的模具鋼塑性較差均壳，尤其是冷變形模具鋼，在很小的塑性變形時(shí)即發(fā)生脆斷母滤。衡量模具鋼塑性好壞拔翠，通常采用斷后伸長(zhǎng)率和斷面收縮率兩個(gè)指標(biāo)表示。

　　斷后伸長(zhǎng)率是指拉伸試樣拉斷以后長(zhǎng)度增加的相對(duì)百分?jǐn)?shù)城砖，以δ表示翅窥。斷后伸長(zhǎng)率δ數(shù)值越大，表明鋼材塑性越好廷诺。熱模鋼的塑性明顯高于冷模鋼没惶。

　　斷面收縮率是指拉伸試棒經(jīng)拉伸變形和拉斷以后，斷裂部分截面的縮小量與原始截面之比簇抵，以ψ表示庆杜。塑性材料拉斷以后有明顯的縮頸，所以ψ值較大碟摆。而脆性材料拉斷后晃财，截面幾乎沒有縮小，即沒有縮頸產(chǎn)生典蜕，ψ值很小断盛，說明塑性很差。

　　模具的力學(xué)性能要求--韌性

　　韌性是模具鋼的一種重要性能指標(biāo)愉舔，韌性決定了材料在沖擊試驗(yàn)力作用下對(duì)破裂的抗斷能力钢猛。材料的韌性越高伙菜，脆斷的危險(xiǎn)性越小，熱疲勞強(qiáng)度也越高命迈。對(duì)于衡量模具脆斷傾向贩绕，沖擊韌度試驗(yàn)具有重要意義。

　　沖擊韌度是指沖擊試樣缺口處截面積上的沖擊吸收功躺翻，而沖擊吸收功是指規(guī)定形狀和尺寸的試樣在沖擊試驗(yàn)力一次作用下折斷時(shí)所吸收的功丧叽。沖擊試驗(yàn)有夏比U形缺口沖擊試驗(yàn)（試樣開成U形缺口）、夏比V形缺口沖擊試驗(yàn)（試樣開成V形缺口）以及艾式?jīng)_擊試驗(yàn)真葱。

　　影響沖擊韌度的因素很多宴忱。不同材質(zhì)的模具鋼沖擊韌度相差很大，即使同一種材料讨砍，因組織狀態(tài)不同巾妇、晶粒大小不同、內(nèi)應(yīng)力狀態(tài)不同沖擊韌度也不相同佩讨。通常是晶粒越粗大哥甲，碳化物偏析越嚴(yán)重（帶狀、網(wǎng)狀等）把毒，馬氏體組織越粗大等都會(huì)促使鋼材變脆裹耗。溫度不同，沖擊韌度也不相同徽捶。一般情況是溫度越高沖擊韌度值越高痘宋，而有的鋼常溫下韌性很好，當(dāng)溫度下降到零下20～40℃時(shí)會(huì)變成脆性鋼淡箱。

　　為了提高鋼的韌性塌瑞，必須采取合理的鍛造及熱處理工藝。鍛造時(shí)應(yīng)使碳化物盡量打碎蛔六，并減少或消除碳化物偏析荆永，熱處理淬火時(shí)防止晶粒過于長(zhǎng)大，冷卻速度不要過高国章，以防內(nèi)應(yīng)力產(chǎn)生具钥。模具使用前或使用過程中應(yīng)采取一些措施減少內(nèi)應(yīng)力。

　　模具的力學(xué)性能要求--特殊性能要求

　　由于模具種類繁多液兽，工作條件差別很大骂删，因此模具的常規(guī)性能及相互配合要求也各不相同，而且某種模具實(shí)際性能與試樣在特定條件下測(cè)得的數(shù)據(jù)也不一致抵碟。所以桃漾，除測(cè)定材料的常規(guī)性能外坏匪，還必須根據(jù)所模擬的實(shí)際工況條件拟逮，對(duì)模具使用特性進(jìn)行測(cè)量撬统，并對(duì)模具的特殊性能提出要求，建立起正確評(píng)價(jià)模具性能的體系敦迄。

　　對(duì)熱作模具必須測(cè)試在高溫條件下的硬度恋追、強(qiáng)度和沖擊韌度。因?yàn)闊嶙髂＞呤窃谀骋惶囟囟认路劢钡海谑覝叵聹y(cè)定的性能數(shù)據(jù)恕孙，當(dāng)溫度升高時(shí)要發(fā)生變化。性能變化趨勢(shì)和速率相差也很大淑储，如A種材料在室溫下硬度雖比材料B高帘缤，但隨溫度上升，硬度下降顯著俏堆，到達(dá)—定溫度后憋屑，硬度值反而會(huì)低于材料B。那么篡呆，當(dāng)在較高溫度工作條件下要求耐磨性高時(shí)汽后，就不能選用A種材料，而需選用室溫下硬度值雖較低但隨溫度上升摇龟，硬度下降緩慢的材料B两胃。

　　對(duì)熱作模具除要求室主高溫條件下的硬度、強(qiáng)度遮乾、韌性外专肪，還要求具有某些特殊性能。

　　模具的力學(xué)性能要求--熱穩(wěn)定性

　　熱穩(wěn)定性表征鋼在受熱過程中保持金相組織和性能的穩(wěn)定能力渤愁。通常牵祟，鋼的熱穩(wěn)定性用回火保溫4h，硬度降到45HRC時(shí)的最高加熱溫度表示抖格。這種方法與材料的原始硬度有關(guān)诺苹，有資料將達(dá)到預(yù)定強(qiáng)度級(jí)別的鋼加熱，保溫2h雹拄，使硬度降到一般熱鍛模失效硬度35HRC的最高加熱溫度定為該鋼穩(wěn)定性指標(biāo)收奔。對(duì)于因耐熱性不足而堆積塌陷失效的熱作模具，可以根據(jù)熱穩(wěn)定性預(yù)測(cè)模具的壽命水平滓玖。

　　模具的力學(xué)性能要求--回火穩(wěn)定性

　　回火穩(wěn)定性指隨回火溫度升高坪哄，材料的強(qiáng)度和硬度下降快慢的程度，也稱回火抗力或抗回火軟化能力势篡。通常以鋼的回火溫度-硬度曲線來表示翩肌，硬度下降慢則表示回火穩(wěn)定性高或回火抗力大〗疲回火穩(wěn)定性也是與回火時(shí)組織變化相聯(lián)系的念祭，它與鋼的熱穩(wěn)定性共同表征鋼在高溫下的組織穩(wěn)定性程度沽票，表征模具在高溫下的變形抗力。

　　模具的力學(xué)性能要求-- 熱疲勞抗力及斷裂韌度

　　熱疲勞抗力表征了材料熱疲勞裂紋萌生前的工作壽命和萌生后的擴(kuò)展速率裙系。熱疲勞通常以20℃—750℃條件下反復(fù)加熱冷卻時(shí)所發(fā)生裂紋的循環(huán)次數(shù)或當(dāng)循環(huán)一定次數(shù)后測(cè)定裂紋長(zhǎng)度來確定憋考。熱疲勞抗力高的材料不易發(fā)生熱疲勞裂紋，或當(dāng)裂紋萌生后眼膊，擴(kuò)展量小绪樊、擴(kuò)展緩慢。斷裂韌度則表征了裂紋失穩(wěn)擴(kuò)展抗力舆鸿，斷裂韌度高藐篡，則裂紋不易發(fā)生失穩(wěn)擴(kuò)展。

　　模具的力學(xué)性能要求-- 高溫磨損與抗氧化性能

　　高溫磨損是熱作模具主要失效形式之一翰发，正常情況下挨伯，絕大多數(shù)錘鍛模及壓力機(jī)模具都因磨損而失效⌒抗熱磨損是對(duì)熱作模具的使用性能的要求履绎，是多種高溫力學(xué)性能的綜合體現(xiàn)。現(xiàn)在國內(nèi)已有單位在自制的熱磨損機(jī)上進(jìn)行模具熱磨損試驗(yàn)雕什，收到較理想的試驗(yàn)效果缠俺。

　　實(shí)際使用表明，模具材料抗氧化性能的優(yōu)劣贷岸，對(duì)模具使用壽命影響很大壹士。因氧化會(huì)加劇模具工作過程中的磨損，導(dǎo)致模具型腔尺寸超差而報(bào)廢偿警。氧化還會(huì)使模具表面產(chǎn)生腐蝕溝躏救，成為熱疲勞裂紋起源．加劇模具熱疲勞裂紋的萌生與擴(kuò)展。因此螟蒸，要求模具具備一定的抗氧化性能盒使。

　　對(duì)冷作模具鋼除常規(guī)力學(xué)性能外，還常要求具有下列性能：

　　耐磨性能七嫌，斷裂抗力少办，抗咬合計(jì)抗氧化能力。

　　模具的力學(xué)性能要求-- 耐磨損性能

　　冷作模具服役時(shí)诵原，被成形的坯料會(huì)沿著模具表面既滑動(dòng)又流動(dòng)英妓，在模具與坯料間產(chǎn)生很大摩擦力。這種摩擦力使模具表面受到切應(yīng)力作用狠寒，在其表面劃刻出凹凸痕跡呈篱，這些痕跡與坯料不平整表面相咬合，逐漸在模具表面造成機(jī)械破損即磨損。冷作模具臣塑，特別是正常失效的冷作模具吟筷，多數(shù)因磨損而報(bào)廢。因此药阔，對(duì)冷作模具最基本的要求之一就是耐磨性。一般條件下材料硬度越高陨梅，耐磨性越好译教。但耐磨性與在軟基體上存在的硬質(zhì)點(diǎn)的形狀、分布也有很大關(guān)系押强。

　　冷作模具的磨損包括磨料磨損拖揩、粘著磨損、腐蝕磨損與疲勞磨損溜棉。

　　模具的力學(xué)性能要求-- 斷裂抗力

　　除常規(guī)力學(xué)性能如沖擊韌度丽示、抗壓強(qiáng)度、抗彎強(qiáng)度等一次性斷裂抗力指標(biāo)外菲饼，小能量多次沖擊斷裂抗力更切合冷作模具實(shí)際使用狀態(tài)性能肾砂。作為模具材料性能指標(biāo)還包括抗壓疲勞強(qiáng)度、接觸疲勞強(qiáng)度等宏悦。這種疲勞斷裂抗力指標(biāo)是由在一定循環(huán)應(yīng)力下測(cè)得的斷裂循環(huán)次數(shù)镐确，或在一定循環(huán)次數(shù)下導(dǎo)致斷裂的載荷來表征的。關(guān)于是否把斷裂韌度作為冷作模具材料的一項(xiàng)重要處能指標(biāo)饼煞，尚待研究和探討源葫。

　　模具的力學(xué)性能要求-- 抗咬合能力及抗軟化能力

　　抗咬合及抗軟化能力分別表征了模具對(duì)發(fā)生“冷焊”及承載時(shí)因溫度升高對(duì)硬度、耐磨性助抵抗能力砖瞧。

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