参考教材： 1.模具材料.高为国.机械工业出版社.2006.1 2.模具材料与使用寿命.模具实用技术丛书编委会.机械工业出版社.2004.9 主讲人：饶晓晓 email:raoxiaoxiao00@126.com tel:13636184234.

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1 参考教材： 1.模具材料.高为国.机械工业出版社 2.模具材料与使用寿命.模具实用技术丛书编委会.机械工业出版社 主讲人：饶晓晓 tel:

2 课程内容提纲 第1章 序言 第2章 冷作模具材料及热处理 第3章 热作模具材料及热处理 第4章 塑料模具材料及热处理
第1章 序言 第2章 冷作模具材料及热处理 第3章 热作模具材料及热处理 第4章 塑料模具材料及热处理 第5章 其它模具材料及热处理 第6章 模具表面处理技术

3 第1章 序言 1.1 模具材料的分类 1.2 模具的失效分析 1.3 典型模具的服役条件及失效形式 1.4 模具的使用寿命及影响因素
第1章 序言 1.1 模具材料的分类 1.2 模具的失效分析 1.3 典型模具的服役条件及失效形式 1.4 模具的使用寿命及影响因素 1.5 模具材料的性能、选用与发展

4 模具在现代工业中的作用 随着现代工业技术的发展，为提高产品质量，降低生产成本，提高生产效率和零件材料的利用率，国内外的生产厂家都在采用各种先进的无切削或少切削加工工艺，如精密冲裁、精密锻造、压力铸造、冷挤压等成形技术来代替传统的切削加工工艺。而模具成形技术是首选的工艺手段之一，在飞机、汽车、机电产品、家用电器、塑料制品、等行业应用广泛。 模具材料性能的好坏和使用寿命的长短，直接影响加工产品的质量和生产的效益。而模具材料的种类、热处理工艺、表面处理技术是影响模具使用寿命的极其重要的因素。因此世界各国均致力于开发新型模具材料、改进模具的热处理工艺、选用适当的表面处理技术、合理设计模具结构、加强对模具的维护等措施来提高模具的寿命

5 模具在现代工业中的作用 建国以来，我国在模具材料方面有了很大的发展，初步建立起了具有我国特色的模具材料体系、包括冷作模具钢、热作模具钢、塑料模具钢等系列材料，并在模具制造业广泛使用。同时，针对不同的工作条件与环境因素，开发了多种先进的模具材料。

6 1.1 模具材料的分类 根据服役条件 ，模具材料分为 冷作模具材料 热作模具材料 塑料模具材料 其他模具材料

7 1.1 模具材料的分类 一、冷作模具材料 冷作模具材料应用量大．使用面广，其主要性能要求有强度、硬度、韧性和耐磨性。近年来碳素工具钢的使用愈来愈少，而高合合钢模具所占的比例为最高。 国外通用型冷作模具钢的代表钢种有低合金模具钢O1（9CrWMn)、中合金模具钢A2（Cr5Mo1V)和高碳高铬模具钢D3（Cr12)、D2(Cr12Mo1V1)等

8 1.1 模具材料的分类 常用冷作模具材料 牌号举例 钢种 碳素工具钢 T7、T8、T10 油淬冷作模具钢
CrWMn,9Mn2V,9SiCr,Cr2 空淬冷作模具钢 Cr5Mo1V、Cr6WV、8Cr2MnWMoVS、Cr4W2MoV 高碳高铬冷作模具钢 Cr12MoV、Cr12、Cr12MoV1 基体钢和低碳高速钢 6W6Mo5Cr4V, 6Cr4W3Mo2VNb、7W7Cr4MoV 硬质合金 YG6、YG8N、YG8C、YG15、YG25 钢结硬质合金 GT35、TLMW50 一般指其成分与高速钢淬火组织中基体化学成分相同的钢 一种多相结合材料，耐磨性、硬度、机械化强度都较高。不能进行切削加工。 以高熔点碳化物WC、TiC为硬质相，以碳素工具钢、合金工具钢或不锈钢为粘结相通过粉末冶金真空烧结轧制而成。既具有合金钢的可锻造、切削加工、焊接及热处理性能，又具有硬质合金的高硬度、高耐磨性的特点

9 1.1 模具材料的分类 冷作模具钢以高碳合金钢为主，均属热处理强化型钢，使用硬度高于58HRC。
9CrWMn为典型代表的低合金冷作模具钢，仅用于小批量生产中的简易型模具和承受冲击力较小的试制模具； Crl2型高碳合金钢是大多数模具的选用材料，这类钢的强度和耐磨性较高，韧性较低； 在对模具综合力学性能要求更高的场合，常用的替代钢种是W6Mo5Cr4V2高速钢和基体钢。

10 1.1 模具材料的分类 二、热作模具材料 由于温度和冷却条件(有无冷却、如何冷却)这两个因素，热作模具的工作条件远比冷作模具复杂，因而热作模具用材的系列化，除少数外不如冷作模具用材系列完整。 热作模具用材的选择，在力学性能方面要兼顾热强性(热耐磨性)和抗裂纹性能。但由于加工对象(热金属)本身强度不高，故对热作模具材料的屈服强度要求并不高，而加工过程中采用的冲击加工方式及不可避免的局部急热急冷特性，对韧性提出了较高要求。

11 1.1 模具材料的分类 4Cr5MoSiV1，具有良好的冷热疲劳性，在使用温度不超过600℃时代替H21
3Cr2W8V，广泛用于制造黑色和有色金属热挤压模及Cu、Al合金的压铸模，但热稳定性差

12 1.1 模具材料的分类 三、塑料模具材料 由于塑料模具的工作条件(加工对象)、制造方法、精度及对耐久性要求的多样性，所以塑料模具用钢的成分范围很大，各种优质钢都有可用之处，且形成了范围很广的塑料模具用材料系列。

13 1.1 模具材料的分类 为避免大、中型精密塑料模具热处理后的变形，保证模具的精度和使用性能而开发的模具材料。在钢厂经过充分锻打后制成模块预先调质要求的硬度（30~35HRC）后供使用单位制造模具，切削加工成形后不再进行热处理直接使用 为避免形状复杂、精密、要长寿命的塑料模具在热处理过程中变形，这类钢在固溶处理后进行切削加工，现进行低温时效硬化处理获得要求的力学性能，时效处理后不再进行切削加工即可得到精度很高的模具成品

14 1.1 模具材料的分类 四、其他模具材料 在三大类模具材料之外，还有铸造模具钢、有色合金模具材料、玻璃模具材料等，陶瓷模具、建材成型模具。另外我国还开发研制了特种新型模具用材。

15 1.1 模具材料的分类 (一)铸造模具钢 通过精密铸造工艺直接得到形状复杂的模具铸件，与传统的模具生产工艺比较可以节省加工工时，降低金属消耗，缩短模具制造周期，降低模具制造费用。 如美国ASTM一A597铸造工具钢标准中包括7个钢号。其中冷作模具钢4种、热作模具钢2种、耐冲击工具钢1种。

16 1.1 模具材料的分类 东风汽车模具有限公司 我国不少部门也开始研制并采用精密铸造工艺生产模具，如东风汽车公司冲模厂已经采用火焰淬火冷作模具钢ZG7CrSiMnMov实型铸造工艺，生产出汽车大型覆盖件冲模的刃口镶块模，取得了良好的使用效果和经济效益。

17 1.1 模具材料的分类 我国研制的铸造热锻模用钢JCD钢已经试用于小型热锻模块，代替5CrMnMo钢锻造模具。
我国研制的铸造锻模钢ZDM—2(3Cr3MoWVSi)钢，采用陶瓷型精密铸造工艺，通过几十种锻模的生产试用，代替传统的5CrNiMo和3Cr2W8V锻模，取得了较好的使用效果和经济效益。

18 1.1 模具材料的分类 (二)有色合金模具材料 随着工业产品的多样化和中小批量生产的增加， 一些低成本、易加工、制造周期短以及具有特殊性能的有色金属材料模具也逐渐增多，使用较多的是铜、铝、锌合金。 铜合金模具的抗粘着性和热导件好，常用作不锈钢和表面处理钢板的拉伸模和弯曲模具，近年来也用于注射模。常用作模具的是铍青铜，由于铍是公害元素，最近国外又开发出了含Ni-Si的Corson铜合金，这种析出硬化型合金的特点是高强度和高热导性。

19 1.1 模具材料的分类 铝合金除用于模具的导板、导柱等构件外，现在5000系和7000系铝合金也应用于一些小批量生产的试制模具，如薄板拉伸、塑料成型、发泡塑料等模具。 锌合金的熔点较低，易于熔化和铸造，切削加工性能好，且可反复回收使用，常常被用作试制模具，主要用于薄板拉伸模、弯曲模和铝合金挤压模等。日本近几年又在传统制模用的锌合金基础上，添加Cu、Al、Ti、Be等元素，开发出了新型的锌合金材料。

20 1.1 模具材料的分类 三)玻璃模具材料 玻璃模具是玻璃制品的主要成型工艺装备。在玻璃制品成型过程中，模具频繁地与1100℃以上的熔融玻璃液接触，经受氧化、生长和热疲劳作用。根据玻璃模具的服役条件和失效形式，对模具材料的要求以抗氧化为最主要指标。通常采用耐热合金钢，如3Cr2W8V、5CrNiMo以及合金铸铁等。

21 1.1 模具材料的分类 四)特种新型模具材料 除了上述几类模具材料外，还开发研制了特种模具用材，如CrMnN系无磁模具钢(用于电子产品的无磁模具)、高温玻璃模具钢(用于高温餐具、高透光度的车灯、显像管玻璃模壳模具)、陶瓷模具、复合材料模具等。

22 1.2 模具的失效分析 模具失效是指模具丧失正常的使用功能，其生产出的产品已成为废品，模具不能通过一般的修复方法(如刃脚、抛磨等)使其重新服役的现象。 1、模具失效既有达到预定寿命的正常失效，也有远低于预定寿命的非正常失效(早期失效)。非正常失效常常造成人身或设备的恶性事故，并造成经济上的损失，因此应尽量加以避免。 失效分析的任务：通过对模具失效进行分析，找出模具失效的具体原因，则可以采取相应的措施加以改进，以提高模具的使用寿命。

23 1.2 模具的失效分析 模具使用寿命是指模具在正常失效前生产出的合格产品的数目，若其亦使用过程中经过多次修模，则模具的使用寿命为首次寿命与各次修模寿命的总和。 模具寿命是在一定时期内模具材料性能、模具设计与制造、模具热处理工艺、模具使用与维护等各项指标的综合体现，在一定程度上反映了一个国家或地区的冶金、机械制造等工业水平。

24 1.2 模具的失效分析 一、模具主要失效形式 要研究模具的失效问题，就要了解各类模具的服役条件和失效形式，以便分析其失效原因，合理地选择模具材料，改进模具的设计、加工和热处理工艺，提出预防或推迟失效的措施，不断提高模具的使用寿命。

25 1.2 模具的失效分析 模具的基本失效形式是断裂及开裂、磨损、疲劳及冷热疲劳、变形、腐蚀。
1.2 模具的失效分析 模具的基本失效形式是断裂及开裂、磨损、疲劳及冷热疲劳、变形、腐蚀。 模具在工作过程中可能同时出现多种损坏形式，各种损伤之间又相互渗透、相互促进、各自发展，而当某种损坏的发展导致模具失去正常功能，则模具失效。 图1—1举出了几种常见的模具失效形式。对不同类型模具，损伤主要形式不同模具出现的损坏形式也在变化，如冷作模具——脆断，热作模具——冷热疲劳、裂纹及变形，而冷、热作模具都可能因磨损而失效。

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27 1.2 模具的失效分析 了解了模具失效形式，就可以进一步分析模具的失效原因，找出影响模具失效的各种因素，从而提高模具质量，延缓模具失效。 

28 1.2 模具的失效分析 模具的失效—般都存在一个变化过程，如断裂失效就可能经历：表面产生缺陷→表面微裂纹→裂纹扩展→最后断裂的变化过程。
1.2 模具的失效分析 模具的失效—般都存在一个变化过程，如断裂失效就可能经历：表面产生缺陷→表面微裂纹→裂纹扩展→最后断裂的变化过程。 模具在使用过程中，出现变形、微裂纹、腐蚀等现象但没有立即丧失服役能力的现象称为模具损伤。 模具在工作时，不同部位承受不同的作用力和不同的温度变化，可能同时出现多种不同的损伤形式，各种损伤形式之间又会相互渗透、相互促进、不断累积。

29 1.2 模具的失效分析 模具的失效一般可分为非正常失效(也称早期失效)和正常失效两类。
1.2 模具的失效分析 模具的失效一般可分为非正常失效(也称早期失效)和正常失效两类。 非正常失效发生在模具使用的初期，主要是由模具设计和制造过程中的缺陷引起的，失效出现的几率很高，且随着模具使用期限的延长而迅速降低。

30 1.2 模具的失效分析 模具使用一定期限后，由缓慢塑性变形、均匀的磨损或疲劳破坏而出现的失效称为正常失效，模具经过使用初期的考验后即进入正常的使用阶段。 在模具经过了长期使用后，由于使用损伤的大量累积，致使模具发生失效，即达到了模具的使用寿命极限。 在模具的使用过程中，注意做好经常性的检查、维护和保养工作，可有效地推迟正常失效的到来，有助于提高模具的使用寿命。

31 1.2 模具的失效分析 1．过量变形失效 ————过量弹性变形失效、过量塑性变形(如局部塌陷、局部镦粗、型腔涨大等)失效、蠕变超限等。
1.2 模具的失效分析 二、模具失效的分类 1．过量变形失效 ————过量弹性变形失效、过量塑性变形(如局部塌陷、局部镦粗、型腔涨大等)失效、蠕变超限等。 2．表面损伤失效—— 主要包括表面磨损(如粘着磨损、磨料磨损、氧化磨损、疲劳磨损等)失效、表面腐蚀(如点腐蚀、晶间腐蚀、冲刷腐蚀、应力腐蚀等)失效、接触疲劳失效等。 3．断裂失效 ——— 主要有塑性断裂失效、脆性断裂失效、疲劳断裂失效、蠕变断裂失效、应力腐蚀断裂失效等。

32 1.2 模具的失效分析 三、模具的失效机理分析 (一)磨损失效 由于模具表面的相对运动，而从模具的接触表面逐渐失去物质的现象称为磨损。模具在工作中会与坯料的成形表面相接触，产生相对运动而造成磨损，当这种磨损使模具的尺寸发生变化或使模具表面的状态发生改变而使其不能正常工作时，则称为磨损失效。

33 1.2 模具的失效分析 磨损有很多种类型，按磨损机理不同可分为磨粒磨损、粘着磨损、疲劳磨损、气蚀和冲蚀磨损、腐蚀磨损等。
1.2 模具的失效分析 磨损有很多种类型，按磨损机理不同可分为磨粒磨损、粘着磨损、疲劳磨损、气蚀和冲蚀磨损、腐蚀磨损等。 1．磨粒磨损 工件表面的硬突出物和外来硬质颗粒在加工时刮擦模具表面，引起模具表面材料脱落的现象称为磨粒磨损。磨粒磨损的机理如图1—1所示。

34 1.2 模具的失效分析

35 1.2 模具的失效分析 影响磨粒磨损的因素主要有磨粒的形状和大小、磨粒硬度与模具材料硬度的比值、模具与工件的表面压力、工件厚度等。
1.2 模具的失效分析 影响磨粒磨损的因素主要有磨粒的形状和大小、磨粒硬度与模具材料硬度的比值、模具与工件的表面压力、工件厚度等。 磨粒的外形越尖，则磨损量越大； 磨粒的尺寸越大，模具的磨损量越大，但当磨粒的尺寸达到一定数值后，磨损量则会稳定在一定的范围内； 磨粒硬度Ha与模具材料硬度 Hm的比值Ha/Hm小于l时，磨损量较小，比值增加到1以上时，磨损量急剧增加，而后逐渐保持在一定的范围内； 随着模具与工件表面压力的增加，磨损量会不断增加，当压力达到一定数值后，由于磨粒的尖角变钝面使磨损量的增加得以减缓；工件厚度越大，磨粒嵌入工件的深度越深，对模具的磨损量减小。

36 1.2 模具的失效分析 提高模具材料的硬度，可以提高抵抗磨粒嵌入的能力，有利于减少模具的磨损量；
1.2 模具的失效分析 提高模具材料的硬度，可以提高抵抗磨粒嵌入的能力，有利于减少模具的磨损量； 对模具进行表面耐磨处理可以在保证模具具有一定韧性的条件下，提高其耐磨损性能； 在模具的使用过程中，及时清理模具和工件表面上的磨粒，可以减少磨粒侵入的几率，能有效地减少模具的磨损。

37 1.2 模具的失效分析 2．粘着磨损 由于模具与工件表面的凸凹不平，使其在相对运动中造成粘着点发生断裂面使模具材料发生剥落的现象称为粘着磨损。 影响粘着磨损的主要因素：材料性质、材料硬度、表面压力等 选择与工件材料互溶性小的模具材料，可减少两材料之间的溶解性，降低粘着磨损量； 合理选用润滑剂，形成润滑油膜，可以防止或减少两金属表面的直接接触，有效地提高其抗粘着磨损能力； 采用多种表面热处理方法，改变金属摩擦表面的互溶性质和组织结构，尽量避免同种类金属相互摩擦，可降低粘着磨损。

38 1.2 模具的失效分析

39 1.2 模具的失效分析 3．疲劳磨损 在循环应力作用下，两接触面相互运动时产生的表层金属疲劳剥落的现象称为疲劳磨损。
1.2 模具的失效分析 3．疲劳磨损 在循环应力作用下，两接触面相互运动时产生的表层金属疲劳剥落的现象称为疲劳磨损。 在模具和工件的相对运动中，会承受一定的作用力，模具的表面和亚表面存在多变的接触压力和切应力，这些应力反复作用一定的周期后,模具表面就会产生局部的塑性变形和冷加工硬化现象。在那些相对薄弱的地方，会由于应力集中而形成裂纹源，并在外力的作用下扩展，当裂纹扩展到金属表面或与纵向裂纹相交时，便形成磨损剥落。

40 1.2 模具的失效分析 影响疲劳磨损的因素主要有材料的冶金质量、材料硬度、表面粗糙度等。钢中的气体含量，非金属夹杂物的类型、大小、形状和分布等是影响疲劳磨损的重要因素 材料硬度，一般情况下硬度提高，可以增加模具表面的抗疲劳能力，但硬度过高时又会加快疲劳裂纹的扩展，加速疲劳磨损。 材料的表面粗糙，会使接触应力作用在较小的面积上，形成很大的接触应力，加速疲劳磨损，因此降低模具表面模粗糙度可以提高模具的抗磨损能力。

41 1.2 模具的失效分析 为了更好地提高模具的抗疲劳能力，应选择合适的润滑剂，用以润滑模具与工件的表面，避免或减少模具与工件材料之间的直接接触，降低接触应力，减少疲劳磨损量。 其次，可以在常温状态下，通过对模具表面进行喷丸、滚压等处理，使模具的工作表面因受压变形而产生一定的残余压应力，有利于提高模具的抗疲劳磨损的能力。

42 1.2 模具的失效分析 (1)气蚀磨损；由于金属表面的气泡发生破裂，产生瞬间的高温和冲击，使模具表面形成微小的麻点和凹坑的现象称为气蚀磨损。
1.2 模具的失效分析 4．其他磨损 (1)气蚀磨损；由于金属表面的气泡发生破裂，产生瞬间的高温和冲击，使模具表面形成微小的麻点和凹坑的现象称为气蚀磨损。 (2)冲蚀磨损：固体和液体的微小颗粒以高速冲击的形式反复落到模具的表面上，使模具表面的局部材料受到损失而形成麻点或凹坑的现象称为冲蚀磨损。 (3)腐蚀磨损：在工作过程中，模具表面与其周围的环境介质发生化学或电化学反应，以及模具与工件之间的摩擦作用而引起模具表层材料脱落的现象称为腐蚀磨损。

43 1.2 模具的失效分析

44 1.2 模具的失效分析 （二)断裂失效 模具在工作中出现较大型纹或部分分离而丧失正常服役能力的现象称为断裂失效。模具断裂通常表现为产生局部碎块或整个模具断成几个部分。断裂是最严重的失效形式。 断裂失效分类，按照断裂的性质脆性断裂和韧性断裂； 按照断裂路径可分为沿晶断裂、穿晶断裂； 按照断裂机理可分为一次性断裂和疲劳断裂等。 由于模具材料多为中、高强度钢，塑性相对较差，断裂时没有或仅有少量的塑性变形发生，因而经常表现为脆性断裂。

45 1.2 模具的失效分析

46 1.2 模具的失效分析 1．一次性断裂 模具在承受很大变形力或在冲击载荷的作用下，产生裂纹并迅速扩展所形成的脆性断裂称为一次性断裂。一次性断裂的断口呈结晶状，根据裂纹扩展路径的走向不同，可将其分为沿晶断裂和穿晶断裂两种。

47 1.2 模具的失效分析 (1)沿晶断裂：是指裂纹沿晶界扩展而造成材料脆性断裂的现象。一般情况下晶界处的键合力高于晶内，只有在晶界被弱化时才会产生沿晶断裂。而造成晶界弱化的基本原因有两个，一是材料的性质，二是环境介质或高温的促进作用。 一般来说，晶界强度与晶内强度都随温度发生变化，如图1-5所示。在某一温度时，晶界强度与晶内强度相等，这一温度称为等强温度。材料温度高于等强温度时易产生沿晶断裂，材料温度低于等强温度时易产生穿晶断裂。

48 1.2 模具的失效分析 穿晶断裂 沿晶断裂

49 1.2 模具的失效分析 (2)穿晶断裂：是指因拉应力作用而引起的沿特定晶面的断裂，也称为解理断裂。当模具材料的韧性较差、存在表面缺陷、承受高的冲责载荷时，易产生穿晶断裂。

50 1.2 模具的失效分析 疲劳断裂是指在较低的循环载荷作用下，工作一段时间后，出裂纹缓慢扩展，最后发生断裂的现象。
1.2 模具的失效分析 2．疲劳断裂 疲劳断裂是指在较低的循环载荷作用下，工作一段时间后，出裂纹缓慢扩展，最后发生断裂的现象。 疲劳裂纹总是在应力最高、强度最弱的部位上形成，模具的疲劳裂纹萌生于外表面或次表面，但其形成方式各有不同。

51 1.2 模具的失效分析 (1)裂纹的萌生：疲劳裂纹常常在表面不均匀处、晶界、夹杂物和第二相处形成。
1.2 模具的失效分析 (1)裂纹的萌生：疲劳裂纹常常在表面不均匀处、晶界、夹杂物和第二相处形成。 模具上的尺寸过渡处、加工刀痕、磨损沟痕等易产生应力集中，在循环应力作用下易产生滑移变形，而出现的变形台阶极易成为疲劳裂纹源。

52 1.2 模具的失效分析 (2)裂纹的扩展：在循环应力的作用下，己形成的裂纹便沿着主滑移面向模具材料内部扩展，此时与拉应力轴呈约45°的角度，当遇到晶界时其裂纹扩展位向会稍有改变；当扩展的裂纹遇到夹杂物或第二相这样的障碍物时，就会转向与拉应力轴相垂直的方向扩展。

53 1.2 模具的失效分析 影响模具断裂失效的因素：模具结构和模具材料。
1.2 模具的失效分析 影响模具断裂失效的因素：模具结构和模具材料。 模具结构:由于模具成形结构工艺性的要求，在模具零件上会存在截面突变、凹槽、尖角、圆角半径等，易产生应力集中，形成裂纹并导致断裂失效。 措施:适当增大模具圆角半径、减小凹模深度、减少尖角数量、尽量避免截面突变等。 模具材料: 冶金质量和加工质量。钢中的非金属夹杂物、中心疏松、白点成分偏析、碳化物大小、形状及分布不理想均以降低钢的强韧性及疲劳抗力。模具材料的断裂韧度越高，则越有利于防止裂纹的萌生及扩展，从而减少模具的断裂失效。

54 1.2 模具的失效分析 （三）塑性变形失效 模具在使用过程中由于发生塑性变形而不能通过修复继续服役的现象称为塑性变形失效。
1.2 模具的失效分析 （三）塑性变形失效 模具在使用过程中由于发生塑性变形而不能通过修复继续服役的现象称为塑性变形失效。 主要形式有塌陷、撤粗、弯曲等。

55 1.2 模具的失效分析 温度对塑性变形的影响 模具在工作时一般承受很大的不均匀应力，当模具的某些部位所承受的应力超过工作温度下模具材料的屈服强度时，就会产生塑性变形而造成模具的失效。 在室温下工作的模具是否会产生塑性变形失效，主要取决于模具的载荷与室温屈服强度；而在高温下工作的模具是否会产生塑性变形失效，主要取决于模具的工作温度和模具材料的高温强度。

56 1.2 模具的失效分析 由于模具的受力复杂，工作条件苛刻，在使用过程中可能同时出现多种损伤形式，各种损伤交互作用，最后形成了一种主要的失效形式。 例如，磨损沟痕可能成为裂纹的发源地，由磨损形成的裂纹在应力作用下发生扩展就会产生断裂；

57 1.2 模具的失效分析 模具产生局部磨损后，便会使其承载能力下降，将造成另一部分承受过大的应力而产生塑性变形；局部塑性变形会改变模具零件之间的正常配合关系，均匀的承载状况被打破，将会造成模具的不均匀磨损，也可能由于应力集中的出现而产生裂纹，造成模具的过早断裂。

58 1.2 模具的失效分析 了解模具的主要失效形式，寻找其失效的具体原因和主要影响因素,
1.2 模具的失效分析 四、模具的失效分析过程 了解模具的主要失效形式，寻找其失效的具体原因和主要影响因素, 掌握各种失效形式所占的比例以及各种失效模具的使用寿命，并从理论加以分析与综合， 以便为合理的选样模具材料、优化模具结构设计、正确制定模具制造工艺以及为新型模具材料的研制和新工艺的开发等提供指导性数据，并且可据此项测模具夜特定工作条件下的使用寿命。

59 1.2 模具的失效分析 (一)模具失效分析的主要任务
1.2 模具的失效分析 (一)模具失效分析的主要任务 模具失效分析的任务就是要正确判断模具失效的性质、分析模具失效的原出、提出防止模具失效的具体措施。模具失效性质的判断主要依据失效模具的形貌特征、应力状态、材料强度和环境因素等，而模具失效原因的分析和防止模具失效措施的提出，主要从以下几个方面考虑。

60 1.2 模具的失效分析 1．合理选择模具材料 2．合理设计模具结构 3．保证加工和装配质量 4．严格模具的质量控制 5．进行模具的表面强化
1.2 模具的失效分析 分析原因与措施应考虑的几个方面 1．合理选择模具材料 2．合理设计模具结构 3．保证加工和装配质量 4．严格模具的质量控制 5．进行模具的表面强化 6．合理地使用、维护和保养模具

61 1.2 模具的失效分析 （二）模具失效分析的方法和步骤 1．现场调查与处理
1.2 模具的失效分析 （二）模具失效分析的方法和步骤 1．现场调查与处理 进行模具失效的现场调查，主要包括对模具现场的保护、观察模具失效的形式与部位、了解生产设备的使用状况和操作工艺、询问具体操作情况和模具失效过程、统计模具的寿命、收集并保存失效的模具等(保护断口)，以供失效分析用。

62 1.2 模具的失效分析 2．模具材料、制造工艺和工作情况调查
1.2 模具的失效分析 2．模具材料、制造工艺和工作情况调查 采用化学成分分析、力学性能测定、金相组织分析、无损探伤等方法，复查材料的化学成分和冶金质量。 通过翻阅有关技术资料和检测报告、检查同批原材料、询问生产人员等方式，详细了解模具的材质状况、锻造质量、机械加工质量、热处理和表面处理质量、装配质量等情况，核实各个环节是否符合有关标准规定以及模具设计和工艺上的技术要求。 查阅模具工作记录、检修与维护记录、了解生产设备的工作状况及被加工坯料的实际情况，调查有关模具的使用条件和具体使用状况，了解模具按操作规程操作时有无异常现象等。

63 1.2 模具的失效分析 3、模具的工作条件分析 模具的工作条件包括模具的受载状况、丁作温度、环境介质、组织状态等。
1.2 模具的失效分析 3、模具的工作条件分析 模具的工作条件包括模具的受载状况、丁作温度、环境介质、组织状态等。 受载状况包括载荷性质、载荷类型、应力分市、应力集中状况、是否存在最大应力以及最大应力的大小及分布等； 模具的工作温度包括工作温度的高低、工作温度的变化幅度、热应力的大小等； 环境介质包括介质的种类、含量、均匀性以及是否带有腐蚀性等； 组织状态包括模具的组织类型、组织的稳定性、组织应力的大小与分布等。

64 1.2 模具的失效分析 4．模具失效的综合分析 对失效的模具进行损伤处的外观分析、断口分析、金相分析、无损探伤等，了解模具损伤的种类，寻找模具损伤的根源．观察损伤部位的表面形貌和几何形状、断口的特征、模具的内部缺陷、金相组织的组成及特征．结合各部分的分析结果，综合判断模具的失效原因以及影响模具失效过程的各种因素。

65 1.2 模具的失效分析 模具失效的原因一般有模具的工作环境、模具质量、操作人员的水平和经验、生产管理制度等，其中最主要的是模具质量。
1.2 模具的失效分析 模具失效的原因一般有模具的工作环境、模具质量、操作人员的水平和经验、生产管理制度等，其中最主要的是模具质量。 因此，在分析模具失效原因时，应特重点放在主要影响模具质量的制造过程方面，制造过程方面的原因主要有模具材料的选择与冶金质量问题、模具结构设计的不合理、毛坯锻造质量差、存在机械加工缺陷、热处理工艺选择不当、模具装配精度不高和维护不良等。

66 1.2 模具的失效分析 在实际生产中，模具的工作条件和工作环境往往比较复杂，因而其失效形式以及引起模具失效的原因也是多种多样的，对其进行失效分析的具体方法和步骤也各不相同。 只要掌握了模具失效分析的一般规律，充分利用已有的技术资料和分析手段对失效模具进行综合分析，就能淮确找出其失效原因。

67 1.2 模具的失效分析 5．提出防护措施 通过对失效模具进行综合分析，找出引起模具失效的原因，有针对性地提出防护措施，避免或减少该种失效的重复发生。 但是，同一模具可能有不同的损伤出现，而最终先导致模具失效的形式可能是其中的一种。当我们采取相应的措施防止了该种形式的失效以后．则另外一种失效形式又可能成为主要的失效形式．又需要我们采取另外的措施去解决新出现的失效问题，直到获得满意的程度。

68 1.3 典型模具的服役条件及失效形式 一、冷作模具的服役条件及失效形式 冷作模具是指在常温下对材料进行压力加工或其他加工所使用的模具。
1.3 典型模具的服役条件及失效形式 一、冷作模具的服役条件及失效形式 冷作模具是指在常温下对材料进行压力加工或其他加工所使用的模具。 典型的冷作模只主要有冷冲裁模、冷拉深模、冷挤压模、冷镦模等。 各类冷作模具都是在常温下对工件材料施力，使其产生变形或分离，从而获得一定形状、尺寸和性能的成品件。由于各类冷作模具的具体服役条件不同，则其失效形式也有各自不同的特点。

69 1.3 典型模具的服役条件及失效形式 1．冷冲裁模 冷冲裁模的工作对象：钢板、有色金属板材或其他板材
1.3 典型模具的服役条件及失效形式 1．冷冲裁模 冷冲裁模的工作对象：钢板、有色金属板材或其他板材 冷冲裁模的主要工作部位：凸模(冲头)和凹模的刃口，靠它们对金属板料施加压力，使其产生弹性变形、塑性变形和分离的过程。 模具受力形式：凸模的压力通常大于凹模，在冲裁软质薄板时，凸模承受的压力并不大；在冲裁中、厚钢板，尤其是在厚钢板上冲裁小孔时，凸模所承受的单位压力很大，同时，还要承受冲击力、剪切力和弯曲力的作用。

70 1.3 典型模具的服役条件及失效形式 模具最常见的失效形式：磨损失效。从磨损机理上看，主要是粘着磨损，同时也伴随有磨粒磨损和疲劳磨损；从磨损的部位考虑，则可细分为刃口磨损、端面磨损和侧面磨损三种。 薄板冲裁模受载荷较小，其失效形式主要是磨损，只有在热处理不当或操作失误的情况下，才可能出现脆性断裂失效；而厚板冲裁模（t＞1.5mm）则受载荷较大，其失效形式除了磨损以外，还可能发生塑性变形、断裂或崩刃等失效

71 1.3 典型模具的服役条件及失效形式 2．冷拉深模 冷拉深模是将板材进行延伸使之成为一定尺寸、形状产品的模具。
1.3 典型模具的服役条件及失效形式 2．冷拉深模 冷拉深模是将板材进行延伸使之成为一定尺寸、形状产品的模具。 冷拉深模的工作对象：钢板、有色金属板材或其他板材， 冷拉深模工作状况：凸模、凹模和压边圈的工作部位均无锋利的尖角，模具零件的受力不像冷冲裁模那样限定在较小的范围内，凸模和凹模之问的间隙一般比板材厚度大，模具较少出现应力集中；模具在工作时不易产生偏载，所承受的冲击力很小. 模具受力形式：凸模承受压力和摩擦力，凹模承受径向张力和摩擦力。 模具的主要失效形式：磨粒磨损和粘着磨损，有时还会产生咬合、擦伤、变形等失效形式。

72 1.3 典型模具的服役条件及失效形式 3．冷镦模 冷镦模是在冲击力的作用下将金属棒状坯料镦成一定形状和尺寸产品的冷作模具，主要用来加工各种形状的螺钉、铆钉、螺栓和螺母等的毛坯。 模具受力形式：在冷镦加工过程中，冲击频率高(60~120次／min)，冲击力大，金属坯料受到强烈地镦击，同时，模具也同样受到短周期冲击载荷的作用；由于是在室温条件下工作的，塑性变形抗力大，工作环境差，凸模承受巨大的冲击压力和摩擦力，凹模承受冲胀力和摩擦力，产生强烈地摩擦。 冷镦模最常见的失效形式：磨损失效和疲劳断裂失效。

73 1.3 典型模具的服役条件及失效形式 冷挤压模是使金属坯料在强大而均匀的近似于静挤压力的作用下，产生塑性变形流动而形成产品的模具。
1.3 典型模具的服役条件及失效形式 4．冷挤压模 冷挤压模是使金属坯料在强大而均匀的近似于静挤压力的作用下，产生塑性变形流动而形成产品的模具。 根据金属坯料的流动方向与凸模运动方向之间的关系，可将冷挤压分为正向挤压、反内挤压、复合挤压和径向挤压四种类型，如图l—9所示。

74 a)正挤压 b)反挤压 c)复合挤压 4)径向挤压
1.3 典型模具的服役条件及失效形式 图1-9 金属挤压类型示意图 a)正挤压 b)反挤压 c)复合挤压 4)径向挤压

75 1.3 典型模具的服役条件及失效形式 模具受力状况：在进行冷挤压加下时，金属坯料承受强烈的三向压应力，同时产生很大的摩擦力。一般在挤压钢材时，正挤压力约为2000一2500MPa，反挤压力为3000—32500MPa；在挤压有色金属材料时，其挤压力也会达到1000MPa。在挤压时形成的摩擦功和变形能会转化为热能，产生挤压中的热效应，导致模具的局部表面产生400℃以上的高温；此外，出于金属坯料端面不平整、凸模与凹模之间的间隙不均匀和中心线不一致等因素，还会使凸模在挤压时承受很大的偏载或横向弯曲载荷。 冷挤压模的失效形式：塑性变形失效、磨损失效、凸模折断失效、疲劳断裂失效及纵向开裂失效等，对于冷挤压凹模有时还会产生胀裂失效。

76 1.3 典型模具的服役条件及失效形式 二、热作模具的服役条件及失效形式 热作模具是指将金属坯料加热到再结晶温度以上进行压力加工的模具，典型的热作模具有锤锻模、压力机锻模、热挤压模、热冲裁模、压铸模等。 各种热作模具在工作时既承受机械载荷，又承受热载荷，且在循环状态下上作。由于被加工材料的不同和使用的成形设备不同，模具的工作条件有较大差别，因此，热作模具的失效形式也就各不相同。

77 1.3 典型模具的服役条件及失效形式 1．锤锻模 锤锻模是在模锻锤上使用的热作模具 受力状况：
1.3 典型模具的服役条件及失效形式 1．锤锻模 锤锻模是在模锻锤上使用的热作模具 受力状况： （1）在其服役时不仅要承受冲击力和摩擦力的作用，还要承受很大的压应力、拉应力和弯曲应力的作用，同时也受到交替的加热和冷却作用。 （2）锤锻模模块尾部呈燕尾状，易形成应力集中，会在燕尾的凹槽底部形成型纹而造成开裂现象。在模具的工作过程中，由于热载荷的循环作用，在反复地加热和冷却的交替作用下，将会产生热疲劳裂纹，导致模具的失效。

78 1.3 典型模具的服役条件及失效形式 （3）若锤锻模在机械载荷与热载荷的共同作用下，会有其型腔表面形成复杂地磨损过程，其中包括粘着磨损、热疲劳磨损、氧化磨损等。另外，当锻件的氧化皮末清除或未很好清除时，也会产生磨粒磨损。 模具的失效部位：型腔中的水平面和台阶易产生塑性变形失效，侧面易产生磨损失效，型腔深处和燕尾的凹角半径处因易萌生裂纹而产生断裂失效。 锤锻模的主要失效形式：磨损失效、断裂失效、热疲劳开裂失效及塑性变形失效等。

79 1.3 典型模具的服役条件及失效形式 2．压力机锻模
1.3 典型模具的服役条件及失效形式 2．压力机锻模 压力机锻模在服役时，承受巨大的压力，当模具在曲柄压力机和水压机上工作时，所承受的压力主要是静压力，而冲击力较小。 模具工作状况：与锤锻模相比，炽热的金属坯料在型腔中停留的时间较长，压力机锻模的型腔温度明显比锤锻模要高，受热更严重。所以，压力机锻模中的热应力及其变化幅度均大于锤缎模，同时，模具型腔表面所经受的氧化腐蚀也较严重。 压力机锻模的失效形式：脆性断裂失效、冷热疲劳失效、塑性变形失效、磨损失效以及模具型腔的表面氧化腐蚀失效等。

80 1.3 典型模具的服役条件及失效形式 3．热挤压模 热挤压模是使被加热的金属坯料在高温压应力状态下成形的一种模具 受力状况：
1.3 典型模具的服役条件及失效形式 3．热挤压模 热挤压模是使被加热的金属坯料在高温压应力状态下成形的一种模具 受力状况： （1）挤压时承受压缩应力和弯曲应力，脱模时承受一定的拉应力作用，模具和金属坯料的接触时间长，受热温度比热锻模高； （2）为防止模具的温度升高，需要对模具(特别是凸模)进行冷却，工件脱模后，每次用润滑剂和冷却介质涂抹模具的工作表面，而使挤压模具经常受到急冷、急热的交替作用； （3）热挤压模承受的冲击载荷很小，而承受的静载荷很大，凸模承受巨大的压力，还承受很大的附加弯矩，在凸模脱模时还要承受一定的拉应力； （4）凹模型腔表面承受变形坯料很大的接触压力，沿模壁存在很大的切向拉应力，而且大都分布不均匀，内加上热应力的作用，使凹模的受力极为复杂； （5）由于热挤压变形时的变形率较大，金属坯料塑性变形时的金属流动，对模具型腔表面产生的摩擦比锤锻模剧烈得多，且由于硬颗粒(如氧化皮)的存在将导致摩擦的进一步加剧。

81 1.3 典型模具的服役条件及失效形式 热挤压模的主要失效形式：断裂失效、冷热疲劳失效塑性变形失效、磨损失效以及模具型腔表面的氧化失效等。

82 1.3 典型模具的服役条件及失效形式 4．热冲裁模 热冲裁模是主要用于冲切模锻件的飞边和连皮的模具
1.3 典型模具的服役条件及失效形式 4．热冲裁模 热冲裁模是主要用于冲切模锻件的飞边和连皮的模具 工作状况：热冲裁模具主要由凸模和凹模组成，工作时模具的刃口部分承受挤压、摩擦和一定的冲击载荷，同时还因为金属坯料上的传热而升温，但由于所使用的锻压设备不同，所加工的金属坯料的尺寸不同，使各类热冲裁模的刃口部位所承受的热载荷与机械载荷有很大的区别 主要失效形式：刃口的热磨损失效、崩刃失效、卷边失效和断裂失效等。

83 1.3 典型模具的服役条件及失效形式 5．压铸模 压铸模是利用压铸机在高温下使金属压铸成形的一种模具。 工作状况：
1.3 典型模具的服役条件及失效形式 5．压铸模 压铸模是利用压铸机在高温下使金属压铸成形的一种模具。 工作状况： （1）压铸模的型腔表面要承受液态金属的压力、冲刷、侵蚀和高温作用，每次压铸件脱模后还要对模具的型腔表面进行冷却和润滑，而使模具承受频繁的急冷、急热的作用。 （2）由于不同材料的熔化温度有很大差别，因此，用于不同材料的压铸模其工作条件的苛刻程度和使用寿命有很大区别。在压铸锌合金时，压铸模型腔表面的温度不超过400℃，热载荷较小，模具的工作寿命较长；在压铸铝合金时，压铸模的型腔表面温度可达600 ℃左右，且熔融的铝合金液体很容易粘附钢铁材料，使用时必须在模具的形腔表面反复涂抹防粘涂料，由此便造成了模具型腔表面的温度波动。

84 1.3 典型模具的服役条件及失效形式 （3）在压铸铜合金时，模具的型腔表面温度可达到750℃以上，由于铜合金液体温度高，而且铜合金的热导性好，模具的型腔表面受到铜合金液体的反复冲刷，并且急冷、急热的温度变化幅度较大，产生很大的热应力。压铸时的压应力和脱膜时的拉应力的反复作用下，模具的主要失效形式为热疲劳龟裂；型腔中结构凸起的小尺寸部分，也可能因为受热软化而产生塑性变形失效。由此可见，铜合金压铸模的使用寿命远比铝合金、锌合金压铸模的使用寿命要低。

85 1.3 典型模具的服役条件及失效形式 （4）在压铸铁合金时，模具的型腔表面温度会高达1000℃以上，且铁合金液体对模具型腔表面的冲刷作用更厉害，因而铁合金压铸模在服役时型腔表面的氧化、腐蚀会更严重，也更易于产生变形和热裂，模具的使用寿命格会更低。 压铸模的主要失效形式：粘模失效、侵蚀失效、热疲劳失效、磨损失效等。当模具的型腔结构复杂并存在应力集中时，模具也会在热载荷与机械载荷的共同作用下出现断裂失效。

86 1.3 典型模具的服役条件及失效形式 三、塑料模具的服役条件及失效形式 塑料模具是用于成型塑料制品的模具，根据成型方法的不向，一般可分为注射模、压缩模、压注模、挤出模和气动成型模等。其中以注射模应用最广，通常用于热塑件塑料制件的成型；其次是压缩模和压注模，多用于热固性塑料制品的成型；另外，挤出模主要用于生产热塑性塑料的型材，气动成型模主要用于生产中空塑料容器。

87 1.3 典型模具的服役条件及失效形式

88 1.3 典型模具的服役条件及失效形式 注射成型工艺

89 1.3 典型模具的服役条件及失效形式 压缩成型工艺

90 1.3 典型模具的服役条件及失效形式 压注成型工艺

91 1.3 典型模具的服役条件及失效形式 挤塑成型工艺

92 1.3 典型模具的服役条件及失效形式 吹塑成型工艺

93 1.3 典型模具的服役条件及失效形式 1．塑料模的服役条件 塑料模一般有凸模、凹模、型芯、镶块、成型杆和成型环等，这些零部件构成了塑料模的型腔，用来成型塑料制品的各种表面，它们直接与塑料相接触，经受其压力、温度、摩擦和腐蚀等作用。 塑料模按成型固化不同分为热固性成型塑料模和热塑性成型塑料模两类。

94 1.3 典型模具的服役条件及失效形式 (1)热固性塑料模的工作温度为150一250℃，工作压力为2000一8000MPa，物料以固体粉末状态或预制坯料状态进入模具型腔。受力大、易磨损、受热、有时有腐蚀。可压制各种胶木粉，一般含有大量的固体填料，多以粉末状态直接放入模具则腔，经过热压成型，受力大，磨损较严重。

95 1.3 典型模具的服役条件及失效形式 (2)热塑性塑料模的工作温度为150—250℃，工作压力为3000—6000MPa．
1.3 典型模具的服役条件及失效形式 (2)热塑性塑料模的工作温度为150—250℃，工作压力为3000—6000MPa． 物料以粘流状态进入模具型腔。受热、受压、受磨损、有时有腐蚀，但不严重。 一般不含有固体填料，多以软化状态注入到模具型腔。当含有玻璃纤维填料时，对模具型腔的磨损较大。

96 1.3 典型模具的服役条件及失效形式 塑料模具在服役过程中，可产生磨损失效、腐蚀失效、塑性变形失效、断裂失效、疲劳失效及热疲劳失效等。热固性塑料模具在工作时，塑料呈固态粉末状态或预制坯料状态，加入型腔后在一定的温度下经热压成型。模具受力大并伴随有一定的冲击力作用，摩擦力较大，热机械载荷从磨损较严重。当塑料中含有较硬的固体填料，如硅砂、铣白粉、玻璃纤维等时，对模具的磨损程度将更大。

97 1.3 典型模具的服役条件及失效形式 热塑性塑料模具是在塑料呈粘流状态下，通过注射、挤压等方法进入型腔加工成型的模具。模具的塑性变形抗力小，受热、受压、受磨损不严重；但当在塑料中加入固体填料，如石英砂、玻璃纤维等时，磨损量会有所增加；若使用模具加工某些含有氯原子或氟原子的塑料，由于塑料受热会产生少量的热分解，所形成的HCl、HF等气体会对模具的型腔表面产生腐蚀作用，从而使模具产生失效。 由于模具的机械载荷和热载荷的交替循环作用，会产生疲劳裂纹，而出现疲劳断裂失效。一般来说，压缩模受力较大，易产生疲劳裂纹，而注射模的温度变化较急剧，易产生热疲劳裂纹。

98 1.4 模具的使用寿命及影响因素 模具正常失效前生产出来的合格产品的数目称为模具的正常使用寿命，简称模具寿命。模具首次修复前生产出的合格产品的数目称为模具的首次寿命；模具一次修复后到下一次修复前生产出的合格产品的数目称为模具的修模寿命。 模具寿命是模具的首次寿命与各次修模寿命的总和。 模具寿命与模具类型、模具结构以及模具的服役条件、设计与制造过程、安装使用与维护等一系列因素有关，模具寿命是一定时期内模具材料性能、模具设计与制造水平、模具的热处理技术以及模具维护水平的综合反映。

99 1.4 模具的使用寿命及影响因素 一、模具结构对使用寿命的影响 模具结构的合理性对模具的承载能力和受力状态都有很大的影响，合理的模具结构能使其在工作时受力均匀，应力集中小；不合理的模具结构可能引起严重的应力集中和工作温度升高，导致模具的过早失效，降低其使用寿命。结构设计错误包括：尖角、圆角半径过小；凹槽、窄槽和截面突变；孔的位置不当造成薄壁、截面太薄及间隙配合不当；模具形状不对称，造成偏心受载和模具磨损不均等。

100 1.4 模具的使用寿命及影响因素 1．模具型腔过渡圆角半径的影响 模具零件的面交界处大多含有过渡圆角，如图l—l0所示。

101 1.4 模具的使用寿命及影响因素 模具型腔大多含有过渡圆角，过渡圆角的合理性对模具的使用寿命影响很大。
过小的凸圆角半径在板料拉深过程中会增加成形力，在模锻中易形成锻件的折叠缺陷。 过小的凹圆角半径会使模具的局部受力情况恶化，在圆角半径处产生较大的应力集中，易使模具萌生裂纹，导致断裂。 相反地，增大圆角半径可使模具受力均匀，不易产生裂纹。冷挤压凹模圆角半径对模具使用寿命的影响如图1—11所示。

102 1.4 模具的使用寿命及影响因素 另外，模具非工作部位的凹圆角半径过小，也会在模具的服役过程中产生应力集中，降低模具的抗冲击和抗偏载的能力。

103 1.4 模具的使用寿命及影响因素 冷挤压模、冷墩模、热锻模等，一般所受应力较大，冲击力较高。
2．模具型腔结构的影响 冷挤压模、冷墩模、热锻模等，一般所受应力较大，冲击力较高。 若采用整体式结构的模具，则不可避免地会存在凹圆角半径，这很容易造成模具工作部位的应力集中，并引起模具的局部开裂或模具的整体开裂。 而采用组合式结构的模具，则可避免出现模具型腔的开裂现象。塔形锻造凹模的结构如图1—12所示。

104 1.4 模具的使用寿命及影响因素

105 1.4 模具的使用寿命及影响因素 采用整体式结构会在凹模的应力集中处形成裂纹；而采用组合式结构模具后，可降低模具的表面拉应力，避免出现应力集中，可有效地防止模具开裂现象的出现。 采用组合式结构模具时，可根据具体的服役条件，给模具的不同组成模块选用不同的模具材料，既便于机械加工，又便于模具零件的更换，能有效地提高模具的使用寿命。对于小间隙或无间隙的大、中型的型腔模具(如冲裁模等)，可采用导向装置对模具中的零件进行定位，以保证模具各部分之间的精度，增加模具的抗弯曲和抗偏载的能力，避免模具出现不均匀的磨损。

106 1.4 模具的使用寿命及影响因素 3．模具工作部位角度的影响
模具工作部位的角度对成形过程中金属坯料的流动及成形力都会产生很大的影响。反向挤压模工作部位的角度对其使用寿命的影响如图l—13所示。

107 1.4 模具的使用寿命及影响因素 图1—13中a、b结构均有模具工作部位的角度，而图l—13c结构中没有任何工作角度，所以，图l—13中a、b结构的模具承受的单位挤压力要低于20％，模具的使用寿命也较长。 锤锻模、压铸模、塑料模等型腔模具的拔模斜度对制件的脱模及模腔底部圆角处的应力状态也有直接地影响，设计模具时要给予考虑。

108 1.4 模具的使用寿命及影响因素 二、模具工作条件对使用寿命的影响 模具的工作环境不同、工作条件不同，都将对模具的使用寿命造成一定的影响。
1．成形件的材质、状态和温度 成形件的材质有金属材料和非金属材料，根据其状态不同又有固体材料和流体材料之分； 一般情况下，非金属材料、流体材料强度较低，模具受力小，模具的使用寿命长； 对固态金属成形件而言，其强度越高，所需的成形力越大，模具承受的力则越大，模具的使用寿命越短； 成形有色金属件的模具比成形黑色金属件的模具寿命长； 成形件材料与模具材料的亲和力越大，则产生粘着磨损的机率越大，模具的使用寿命越短； 坯料的表面越光滑，对模具的受力越均匀，有利于模具寿命的提高。

109 1.4 模具的使用寿命及影响因素 坯料温度对模具寿命也有较大的影响。在成形高温工件时，模具因为工件材料的热传导而升温，使其强度下降，易产生塑性变形。 由于成形件和模具的接触表面与非接触表面的温差较大，而造成热应力增加，再加上热冲击作用，易形成型纹而造成疲劳磨损及断裂。 在高温下，模具材料的原子和工件材料的原子相互扩散结合，使形成粘着磨损的可能性增加、同时也增加了氧化磨损的可能性，因此温度越高，模具的寿命越短。

110 1.4 模具的使用寿命及影响因素 2．成形设备特性 若成形设备的运动部分精度高、刚度大，则模具不易错移，对中性能好，弹性变形小，能保证良好的配合状态，不易出现附加的横向载荷和转矩，模具受到的是均匀磨损，则使用寿命较高。

111 1.4 模具的使用寿命及影响因素 3．成形过程中的润滑和冷却 正确选用润滑剂来润滑模具与工件的相对运动表面，可减少模具与工件的直接接触，减少磨损，降低成形力，并在一定程度上阻碍坯料向模具的传热，降低模具的温度、有助于提高模具的使用寿命。 有效地冷却可以减缓模具温度的升高，防止由于模具的温度升高，造成其强度下降而产生塑性变形，有利于提高模具的使用寿命。

112 1.4 模具的使用寿命及影响因素 三、模具材料对使用寿命的影响 模具材料对模具使用寿命的影响主要体现在模具材料的类别、化学成分、组织结构、力学性能、冶金质量等因素的综合影响上，其中，模具材料的类别和硬度影响最为明显

113 1.4 模具的使用寿命及影响因素 模具材料的类别对模具的使用性能影响很大
1．材料的类别 模具材料的类别对模具的使用性能影响很大 例如，某钢板弹簧冲头，选用Crl2MoV钢模具的使用寿命为300余次；选用强韧性的65Nb钢时，其使用寿命可达到1000多次。 因此,对于模具材料的选择，应根据成形件的批量大小、精度要求、加工温度、尺寸因素等综合考虑，合理进行模具材料的选用。

114 1.4 模具的使用寿命及影响因素 2．硬度 模具零件的硬度高低对模具的使用寿命影响很大,但并不是硬度越高，模具的寿命越高。
如采用T10钢制作硅钢片冲裁模，硬度为53—56HRC时，只冲几千次，模具便产生磨损，冲栽件上的冲裁毛刺就已经很大；若将硬度提高到60-63HRC，则刃磨寿命可达2—3万次；但如果继续提高硬度，则会使模具出现早期断裂。 对于采用Crl2MoV钢生产的六角螺母冷墩模，硬度为56—60HRC时，模具的使用寿命只有2—3万件，即出现崩裂失效,但若将硬度降低到50-56HRC，则模具的使用寿命可提高到6—8万件。所以,模具的硬度范围应根据其具体的工作条件及主要失效形式进行综合确定。

115 1.4 模具的使用寿命及影响因素 3．冶金质量 模具材料的冶金质量也对模具寿命产生较大的影响，特别是高碳高合合钢，冶金缺陷多往往容易造成淬火开裂或模具的早期破坏。因此，提高模具材料的冶金质量也是提高模具使用寿命的重要手段。

116 1.4 模具的使用寿命及影响因素 4．热处理工艺 模具的热处理工艺是否得当，决定着模具热处理后的组织状态和性能。处理不当或工艺参数选择不正确，都可能造成模具的过早失效。 因此应根据模具的具体工作条件和性能要求，正确选择热处理工艺参数，获得均匀的符合模具具体性能要求的组织结构，从而提高模具的使用寿命。 要注意采用新的热处理工艺，充分挖掘现有材料的应用潜力，有助于提高模具的使用寿命。

117 1.4 模具的使用寿命及影响因素 虽然采用上述各项措施能够提高模具的使用性能和模县的使用寿命，但提高的幅度还是十分有限的。
随着科技的发展，特别是模具加工工艺的进步，越来越趋向于高温、高压、高速、重载，模具的服役条件越加苛刻。 因此，要大幅度提高模具的使用寿命，则必须不断研制、开发和应用新的模具材料。

118 1.4 模具的使用寿命及影响因素 四、模具热处理与表面强化对使用寿命的影响 采用最佳的热处理工艺和表面强化技术，保证热处理和表面强化质量是充分发挥模具材料潜力，提高模具使用寿命的关键。

119 1.4 模具的使用寿命及影响因素 模具零件的预先热处理由括退火、正火、调质处理等几种工艺方法，可根据模具材料的类别、组织结构和性能要求进行选择。通过预先热处理，可以改善模具材料的组织结构，清除金属坯料的内部组织缺陷，改善材料的切削加上性，提高模具的承载能力和使用寿命。 模具零件的最终热处理主要有淬火和回火工艺，通过淬火和回火可以获得最终的使用性能要求。所以，应严格控制模具的热处理工艺规范，并尽量采用先进的热处理工艺．保证模具使属性能的均匀件。

120 1.4 模具的使用寿命及影响因素 模具零件的表面强化可以改善模具材料的表面特性，获得硬度、耐磨性、韧性、抗疲劳强度等性能指标的良好配合，得到“外强内韧”的效果。 表面处理方法很多，除常用的渗碳、渗氮、碳氮共渗、渗硼、渗钒等工艺以外，还有电火花强化、激光强化处理、化学气相沉积、物理气相沉积等工艺，可得到硬度极高，耐磨性、耐蚀性、抗粘合性好的效果，能提高模具寿命几倍到几十倍。

121 1.4 模具的使用寿命及影响因素 五、模具制造工艺对使用寿命的影响 模具加工包括模具的外形加工和工作型腔(面)加工两类。
模具的外形加工比较简单，可在车床、铣床、刨床、磨床等机械设备上进行，由于模具外形中的各部位在模具工作时，不直接与工件或金属坯料相接触，受力较小，因而其加工质量对模具的使用寿命影响不大； 而模具的工作型腔(面)的形状一般复杂，多数部位直接与坯料或工件相接触，承受高压、高温以及剧烈摩擦，对模具的使用寿命影响很大。

122 1.4 模具的使用寿命及影响因素 1．模具零件的加工精度 模具零件各工作部位的几何形状，如圆角半径、拔模斜度、刃口角度等部位的加工，应严格按照设计要求进行，在刃具和机床设备不能满足要求时，应由人工进行修磨并进行测量，以保证模具具有合理地受力状态，对于有配合尺寸的部位，应保证其公差或进行配磨。 在切削加工中要注意尺寸准确，同时保证模具零件的表面租糙度要求．不留下疤痕，不留下超过下道工序加工余量的残迹，否则将严重降低模具的疲劳强度和热疲劳抗力。

123 1.4 模具的使用寿命及影响因素 在磨削加工过程中，最常见也最严重的缺陷是磨削烧伤和磨削裂纹，两者都会严重降低模具的疲劳强度和断裂抗力，所以在磨削加工时，应切实控制切削厚度和磨削用量，并注意砂轮质量，采用适当的切削液及其足够的用量，防止出现磨削缺陷。

124 1.4 模具的使用寿命及影响因素 2．模具型腔的表面粗糙度 降低模具型腔的表面粗糙度值，一方面可以减少成形坯料的流动阻力，降低模具型腔表面的磨损量；另一方面可以减小刀痕、电加工熔斑等表面缺陷和产生裂纹的倾向，提高模具的使用寿命。 模具型腔的表面粗糙度对其使用寿命有很大的影响，如采用6Cr3SiV钢制造冷挤压模，当用Ra＝1.8—1.6μm时，模具寿命为3万件左右；而当Ra＝ μm时，模具寿命可达4．5—5万件。

125 1.4 模具的使用寿命及影响因素 3．模具工作部位硬度的均匀性
模具在热处理时应保证加热和冷却过程的均匀、同时注意防止热处理过程中出现氧化和脱碳现象，淬火后的回火过程应充分，防止出现硬度不均或软点的现象，以获得良好的耐磨性、高的疲劳抗力、高的冷热疲劳性。 4．模具的装配精度 应注意调整模具安装后的间隙量及均匀性．增加配合承载面及各合模面的接触，保证凸模和凹模受力中心的一致性，提高模具的装配精度，减少磨损量．提高模具的使用寿命。

126 1.5 模具材料的性能、选用与发展 模具的工作条件不同，对其材料的性能要求也不同，如冷冲压模具要求其材料具有高的强度，良好的塑性和韧性，高的硬度和耐磨性； 冷挤压模具要求其材料具有高强度、高韧性、高淬透性以及良好的耐磨性、热稳定性和切削加工性； 热作模具用钢要求在工作温度下保持高的强度和韧性、良好的抗蚀性、热稳定性和优良的热疲劳抗力。

127 1.5 模具材料的性能、选用与发展 模具的各项性能要求有时是相互矛盾的．一般硬度越高，耐磨性就越高。在同样的硬度下，钢材碳含量越高，耐磨性也就越高。 热稳定性与加入元素的种类及数量有关，只有在高合金含量的情况下，才能达到所要求的抗软化能力。 韧性则与前二者相反．碳化物中合分元素增加，钢材变脆，这样就形成耐磨性和韧性之间以及稳定性和韧性之间的两对矛盾。

128 1.5 模具材料的性能、选用与发展 在选择模具材料时，应首先考虑模具的某些基本性能必须能适应所制造模具的需要。在一般情况下，主要是钢的耐磨性、韧性、硬度和热硬性以及热疲劳抗力，这四种性能可以比较全面地反映模具材料的综合性能，可以在一定程度上决定其应用范围。当然对于一种模具的要求来说．可能其中的一种或两种性能是主要的，而另外的一种改两种是次要的。

129 1.5 模具材料的性能、选用与发展 (一)模具材料的力学性能要求 1、耐磨性 2、韧性 3、硬度与热硬性 4、抗热疲劳性
1.5 模具材料的性能、选用与发展 一、模具材料的性能要求 (一)模具材料的力学性能要求 1、耐磨性 2、韧性 3、硬度与热硬性 4、抗热疲劳性

130 1.5 模具材料的性能、选用与发展 对热作模具钢要考虑其抗冷热疲劳性能； 对压铸模具应考虑其耐融熔金属的冲蚀性能；
1.5 模具材料的性能、选用与发展 对热作模具钢要考虑其抗冷热疲劳性能； 对压铸模具应考虑其耐融熔金属的冲蚀性能； 对于高温下工作的热作模具应考虑其在工作温度下的抗氧化性能； 对于在腐蚀介质中工作的模具，应注意其抗腐蚀件能； 对在高载荷下工作的模具应考虑其抗压强度、抗拉强度、抗弯强度、疲劳强度及断裂韧度等。

131 1.5 模具材料的性能、选用与发展 (二)模具材料的工艺性能 模具材料的工艺性能是影响模具成本的一个重要因素，改善模具的工艺性能，不仅可以使模具生产工艺简单、易于制造，而且可以有效地降低模具的制造费用。模具材料的工艺性能主要有以下几种：

132 1.5 模具材料的性能、选用与发展 1、加工性能 2、淬透性和淬硬性 3、氧化、脱碳敏感性

133 1.5 模具材料的性能、选用与发展 二、模具材料的选用原则 模具选材的一般原则 1.首先要满足使用性能要求 2.工艺性能良好
1.5 模具材料的性能、选用与发展 二、模具材料的选用原则 模具选材的一般原则 1.首先要满足使用性能要求 2.工艺性能良好 3.材料来源方便 4.经济上合理

134 1.5 模具材料的性能、选用与发展 二、模具材料的选用原则 模具选材的具体考虑因素
1.5 模具材料的性能、选用与发展 二、模具材料的选用原则 模具选材的具体考虑因素 1.模具的工作条件因素（1）承载力大小及冲击状况（2）模具工作温度（3）腐蚀状况 2.模具结构因素（1）模具大小：大型模具应选择淬透性好的钢材大型热作模具要求有更高的耐热（2）模具形状：形状简单、公差要求不严的模具，可以选用一般高碳工具钢因为其冷热加工成本低；形状复杂的模具应选用淬透性好的材料采用缓冷淬火介质以免变形开裂同时还有考虑加工容易。（3）模具的不同组件及不同部位：工作零件比辅助零件的性能要求高，如锻模的工作部分的硬度、耐磨性、抗热性要比燕尾部分高燕尾部分的硬度可适当降低增加其韧性 3.加工产品的多少：加工批量大时模具应采用高质量、性能好的材料制造；批量小时，则可采用性能一般、加工方便、价格低的材料

135 1.5 模具材料的性能、选用与发展 二、模具材料的选用原则 模具选材的具体考虑因素
1.5 模具材料的性能、选用与发展 二、模具材料的选用原则 模具选材的具体考虑因素 4.加工材料的材质：不同的材料变形后抗力、工作温度都有很大的不同模具的工作条件也不同，故所选材料也就不同 5.模具的设计因素（1）大型、复杂模具：可应用组合或镶嵌结构在刃部、型面部分或某些经受强烈磨损、冲击或高温的部位，应采用贵重的高性能材料；其他的模体部位，性能要求不太高可采用较低级材料（2）低级材料强化处理：应用低级材料制造的模具，可用表面强化的方法在型面或局部进行离子渗入、堆焊、气相沉积或其他涂覆处理以获得高性能的表层 6.模具的制造工艺因素：制造模具应根据所采用的热加工、冷加工方法和工艺的不同选择适当的与其相适应的材料满足工艺性能要求。另外还应兼顾到工厂现有的设备和技术水平

136 1.5 模具材料的性能、选用与发展 三、模具材料的发展趋势 国内模具钢的生产技术发展迅速，近年来已逐步形成了我国自己的模具钢系列，建成了不少先进的生产工艺装备。但是模具钢的生产技术、产品质量等方面还存在很多问题，致使模具早期失效的比例仍很高。

137 1.5 模具材料的性能、选用与发展 国内模具制造业存在的问题
1.5 模具材料的性能、选用与发展 国内模具制造业存在的问题 但我国在模具制造方面与工业发达国家相比, 差距还比较大,主要表现在以下几个方面： 1）标准化程度低，国外标准程度不同达80%，标准件品种、规格全。国内标准化程度不到20%，缺少精密高效标准件。 2）模具制造精度低、周期长。国外模具厂从粗加工、精加工、测量到装配都采用成套的精密设备。国内模具厂设务陈旧不配套。 3）模具品种少，加工效率低 4）模具寿命短、材料利用率低 5）技术力量落后，管理水平有待提高。

138 1.5 模具材料的性能、选用与发展 针对以上问题，急待开展以下工作： 1)发展模具冶炼技术，保证模具材料性能；
1.5 模具材料的性能、选用与发展 针对以上问题，急待开展以下工作： 1)发展模具冶炼技术，保证模具材料性能； 2)完善模具材料系列，合理使用材料； 3)发展热处理技术，延长模具的使用寿命； 4)改善冷热加工工艺，提高模具寿命。

139 1.5 模具材料的性能、选用与发展 （一)模具钢冶炼技术的发展 为了提高模具干钢的纯净度和致密度，减少偏析，国外现在多采用炉外精练(LF法)、电渣重熔(ESR法)和真空电弧重熔(VAR法)等冶炼技术。其中尤以LF法和ESR法应用得愈来众多，并且一些模具钢生产厂已有对某些大尺寸规格或表而粗糙度要求高的模具钢必须采用电渣重熔的规定。

140 1.5 模具材料的性能、选用与发展 根据模具制造业的发展需要，不断地开发和完善模具材料系列，形成我国新的模具钢系列。
1.5 模具材料的性能、选用与发展 (二)完善模具材料系列，合理使用模具材料 根据模具制造业的发展需要，不断地开发和完善模具材料系列，形成我国新的模具钢系列。 在实际生产中，合理使用模具材料．并且推广应用一些性能较好的新型模具材料。

141 1.5 模具材料的性能、选用与发展 （三)热处理技术的发展
1.5 模具材料的性能、选用与发展 （三)热处理技术的发展 热处理对模具寿命的影响主要反映在热处理技术要求不合理和热处理质量不良两个方面。统计资料表明，由于选材和热处理不当，致使模具早期失效的约占70％。为了改善模具材料性能、提高模具寿命，常用的热处理方法有以下几种： 1、真空热处理 2、深冷处理 3、高温回火

142 1.5 模具材料的性能、选用与发展 锻造和机加工对模具寿命的影响，常常被人们所忽略，不正确的锻造和机加工工艺往往成为模具早期失效的关键。
1.5 模具材料的性能、选用与发展 (四)改善冷热加工工艺，提高模具寿命 锻造和机加工对模具寿命的影响，常常被人们所忽略，不正确的锻造和机加工工艺往往成为模具早期失效的关键。 以Cr12MoV钢为例，改善其碳化物分布已成为提高模具寿命的重要环节。其共晶网状碳化物难以通过热处理消除，必须进行锻造使其细化并均匀化。国家标准中对网状碳化物的级别要求较宽，在实际使用中需要重新改锻，使其达到2级以下的碳化物要求。

143 1.5 模具材料的性能、选用与发展 因此需要对钢坯从不向方向上进行多次镦粗和拉拔，并按“二轻一重”的方法进行锻造，温度从高至低，轻——重——轻，锻造比一般控制在2—2.5。 利用锻后余热进行淬火和低温回火，获得隐针马氏体、细小弥散分布的碳化物和少量残留奥氏体，可大幅度提高模具的使用寿命。

144 1.5 模具材料的性能、选用与发展 不正确的机加工可能在以下3个方面导致模具的早期失效：
1.5 模具材料的性能、选用与发展 不正确的机加工可能在以下3个方面导致模具的早期失效： 1 不当的切削，形成尖锐圆角或过小的圆角半径时，常常造成应力集中，使模具早期失效; 2、表面粗糙度大，存在不允许的刀痕，常常使模具因早期疲劳破坏而失效； 3、机加工没有完全均匀地去除轧制和锻造形成的脱碳层，致使模具热处理后形成软点和过大的残余府力，导致模只早期失效。

145 习题与思考题 1 反映冷作模具材料的断裂抗力的指标有哪些？其主要影响因素是什么?
1 反映冷作模具材料的断裂抗力的指标有哪些？其主要影响因素是什么? 2．磨损的主要类型有哪些?在各类磨损过程中耐磨性的主要影响因素是什么? 3．简述棋具的失效形式和特点。 4．优化和改进棋具结构设计的基本作用是什么？对模具的使用寿命有何影响? 5. 试说明模具材料对模具使用性能和寿命的影响。 6.模具的使用寿命包括哪几个部分?影响模具使用寿命的主要因素有哪些？ 7.什么是材料的耐热性?什么是材料的冷热疲劳抗力?两者有何异同？ 8.模具和模具材料—般是如何分类的?