模具材料選擇與熱處理

1、材料知識(shí)強(qiáng)化-1機(jī)械性能回顧peac開頭語(yǔ)為什么說(shuō)材料選擇與熱處理知識(shí)的重要？1、模具制造工中級(jí)p67：模具失效的主要原因是模具選材及熱處理不當(dāng)。2、工業(yè)反饋：區(qū)別模具技術(shù)人才高下的關(guān)鍵之一是關(guān)于材料方面的知識(shí)多少。一、機(jī)械性能回顧1、強(qiáng)度強(qiáng)度是材料抵抗塑性變形和斷裂的能力。（1）應(yīng)力-應(yīng)變（拉伸）曲線應(yīng)力=力f/截面積a（mpa）應(yīng)變=伸長(zhǎng)l/試樣原始長(zhǎng)度l0（2）彈性變形虎克定律（線性關(guān)系）：應(yīng)變與應(yīng)力成正比，是直線關(guān)系（直線部分）。線性彈性變形極限：直線開始彎曲的部位。彈性變形極限（已經(jīng)偏離直線但是仍然是彈性變形）：在應(yīng)力撤銷后能夠完全恢復(fù)的變形都是彈性變形。即使是超過(guò)直線部分范圍，只要

2、沒有塑性變形，這些變形都能在外力撤銷后自動(dòng)恢復(fù)，所以都是彈性變形。屈服點(diǎn)（屈服極限）：y （有屈服現(xiàn)象的材料出現(xiàn)塑性變形的平臺(tái)），這時(shí)，即使載荷不再增大，試樣仍繼續(xù)伸長(zhǎng)，因而在拉伸曲線上出現(xiàn)一水平段，這種現(xiàn)象稱為屈服或流動(dòng)。0。2：沒有屈服現(xiàn)象的材料，一般取達(dá)到0.2%應(yīng)變時(shí)的應(yīng)力0。2（3）塑性變形特點(diǎn)：變形是永久性的?；茩C(jī)理：下面是鋅單晶體拉伸試驗(yàn)示意圖。試樣變細(xì)變長(zhǎng)是靠很多小薄層之間的相對(duì)滑移來(lái)實(shí)現(xiàn)的。下面的圖片是單晶體鎘表面的滑移帶，證明滑移現(xiàn)象。下面是以晶格的方式說(shuō)明滑移的形成。左邊起，第一個(gè)圖沒有作用力；第二個(gè)圖有剪切力，造成左部局部錯(cuò)位。第三個(gè)圖在剪切力的作用下錯(cuò)位向右推進(jìn)。第

3、四個(gè)圖錯(cuò)位完成一個(gè)原子距離的移動(dòng)，上下相互滑移一個(gè)原子距離?；瓶梢岳^續(xù)在不同平面上進(jìn)行，使剪切力得到釋放，回復(fù)到無(wú)應(yīng)力狀態(tài)。滑移方向：與拉伸方向成45度（應(yīng)用力的分解，受拉應(yīng)力的作用，在45度方向上出現(xiàn)最大剪切力）。強(qiáng)化（加工硬化）：屈服階段結(jié)束后，拉伸曲線又呈上升狀，即要使試樣繼續(xù)變形，就須增大載荷，這種現(xiàn)象稱為材料的強(qiáng)化或者叫加工硬化（如果沒有強(qiáng)化，應(yīng)該在屈服極限出現(xiàn)平臺(tái)，在此應(yīng)力下塑性變形不斷增加直至斷裂）。頸縮：應(yīng)力到達(dá)強(qiáng)度極限后，試樣的塑性變形開始集中于某一部位，該處的截面積逐漸縮小，這種現(xiàn)象稱為頸縮。開始出現(xiàn)頸縮對(duì)應(yīng)于曲線的最高點(diǎn)。隨著頸部變細(xì)（截面積收縮），試樣能承受的載荷也就

4、不斷下降，曲線下滑。最后被拉斷。斷后伸長(zhǎng)率=（l-l0）/l0 x100%斷面收縮率=（a0-a最?。?a0 x100%大量塑性變形出現(xiàn)后，表面變得粗糙不平。這些不平都是由于滑移所造成的。下面是示意圖。（4）斷裂抗拉強(qiáng)度：u 斷裂時(shí)的最大應(yīng)力。加工硬化= kn（右圖中虛線部分）如果考慮到試樣的截面積隨著拉伸而變小，那么在每一個(gè)時(shí)刻的真實(shí)應(yīng)力應(yīng)該是拉力除以當(dāng)時(shí)的橫截面積。如虛線部分所示，真實(shí)的情況是一直強(qiáng)化到斷裂。塑性斷裂的過(guò)程如下圖所示。材料內(nèi)存在的雜質(zhì)或硬相，由于剛性比較大，在變形時(shí)比基體的變形小，周圍的基體變形更大，因此形成空穴。由于出現(xiàn)空洞，在此處塑性變形加劇，頸縮開始出現(xiàn)。隨著空洞的出

5、現(xiàn)和連接成片，所剩余的承載應(yīng)力的材料截面急劇減少。隨著承載應(yīng)力的橫截面減小，由于拉力并沒有減少，應(yīng)力（拉力除以橫截面）漸漸增加。到一定程度時(shí)，應(yīng)力超過(guò)抗拉強(qiáng)度，試樣斷裂。斷裂的形貌是沿著45度角剪切開裂，凹陷的一端就像一個(gè)杯子（如圖所示）。斷面放大圖（右圖）：a晶粒間剝離模式（脆性）b晶粒被剪開模式（脆性）c有塑性變形也有晶粒開裂的斷裂模式（脆性向塑性轉(zhuǎn)變）d大量塑性變形后斷裂的模式（夾雜和硬相界面脫離）（塑性）下面是一個(gè)拉伸曲線與試樣的變化對(duì)應(yīng)關(guān)系總結(jié)：彈性區(qū)：應(yīng)力與變形量基本呈線性關(guān)系。應(yīng)力增加一倍，則伸長(zhǎng)量也增加一倍。這正是彈簧秤的原理（虎克定律）。均勻塑性變形區(qū)：這時(shí)材料變形是均勻的。

6、各個(gè)部位均勻地在伸長(zhǎng)同時(shí)變細(xì)。直到最大應(yīng)力（抗拉極限）。頸縮區(qū)：試樣的某部位開始出現(xiàn)明顯細(xì)于其余部位，就像出現(xiàn)一個(gè)頸一樣。頸縮出現(xiàn)后，斷裂很快就伴隨發(fā)生。（5）塑料的特殊性玻璃化溫度tg(glass transition temperature)是高聚物由高彈態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)椴ＡB(tài)的溫度。是高聚物的一種重要的工藝指標(biāo)。在此溫度以上，表現(xiàn)出彈性；在此溫度以下，表現(xiàn)出脆性。如聚氯乙烯的玻璃化溫度是80。3、硬度硬度：材料抵抗壓頭壓入（塑性變形）的能力。h=f/a（1）布氏硬度d(mm)壓頭鋼球直徑d(mm)壓痕直徑p(n)載荷單位：n/mm2布氏硬度計(jì)（2）維氏硬度f(wàn)(kg)載荷d(mm)壓痕對(duì)角線長(zhǎng)度(

7、壓頭為金剛石四棱錐)單位：kg/mm2（3）洛氏硬度hr=c-h/0.002c常數(shù)h壓痕深度（mm）（hrc比較常用，壓頭是金剛石圓錐）洛氏硬度計(jì)4）各個(gè)硬度之間沒有換算粗略估算經(jīng)驗(yàn)：當(dāng)硬度在200-600hb時(shí) hrc0.1hb當(dāng)硬度<400hb時(shí) hbhv4、疲勞：交變載荷最大應(yīng)力max裂紋源（見下面的懸臂梁根部裂紋）裂紋擴(kuò)展區(qū)（貝紋）（銅件的斷口、如本頁(yè)最下方的貝紋放大圖，每一個(gè)紋代表裂紋在交變力的一周期內(nèi)向前擴(kuò)展的距離）瞬斷區(qū)循環(huán)次數(shù)（有平臺(tái)的材料如中、低碳鋼，在平臺(tái)以下的應(yīng)力水平時(shí)，循環(huán)次數(shù)可以無(wú)限。其他材料如高碳鋼、有色金屬?zèng)]有這種平臺(tái)，壽命一般定義為105）下面機(jī)理示意圖揭

8、示疲勞裂紋如何向前推進(jìn)。每次拉伸時(shí)裂紋張開，局部塑性變形使裂紋尖端擴(kuò)寬。如下圖所示，裂紋此時(shí)增加表面長(zhǎng)度，在后續(xù)的壓縮時(shí)，這個(gè)寬表面又被壓扁。裂紋尖端變寬時(shí)所新增加的表面，在裂紋被壓扁時(shí)向前推進(jìn)了/2的長(zhǎng)度。5、斷列韌性裂紋尖端應(yīng)力集中：裂紋尖端應(yīng)力非常高，在一個(gè)裂紋尖端的應(yīng)力為這里是名義應(yīng)力（既拉力除以試樣橫截面積），a是裂紋長(zhǎng)度的一半，r是遠(yuǎn)離裂紋尖端的距離。裂紋尖端應(yīng)力可以達(dá)到非常高，這時(shí)，如果裂紋尖端沒有足夠的塑性變形出現(xiàn)，則應(yīng)力因超過(guò)結(jié)合鍵強(qiáng)度而撕裂，導(dǎo)致脆性斷裂（下面左圖）。如果裂紋尖端出現(xiàn)塑性變形，裂紋尖端由尖變鈍，應(yīng)力集中的程度大大緩解（下面右圖）。所以塑性斷裂的過(guò)程中吸收大量

9、的能量，斷裂過(guò)程緩慢。斷裂的難易判斷： = ki/(2r)1/2ki叫裂尖處的應(yīng)力強(qiáng)度因子。帶裂紋構(gòu)件裂紋發(fā)生失穩(wěn)擴(kuò)展的必要條件是：裂尖處的應(yīng)力強(qiáng)度因子ki達(dá)到材料的臨界應(yīng)力強(qiáng)度因子值kic（kic通常稱為材料的平面應(yīng)變斷裂韌度）。就是ki>kic 當(dāng)試樣尺寸符合一定的要求時(shí)，用試樣測(cè)得的斷裂韌度kic值就與試樣的幾何尺寸及它們之間的比例無(wú)關(guān)，而是材料固有的力學(xué)性能。6、磨損（1）磨粒磨損表面間的游離硬顆?；蛴驳奈⑼贵w峰間在較軟的材料表面上犁刨出很多溝紋的微切削過(guò)程。主要因素：耐磨損能力與材料硬度成正比。材料硬度達(dá)到80%磨料的硬度時(shí)磨損非常輕。當(dāng)材料硬度超過(guò)磨料硬度20%時(shí)根本不會(huì)有磨

10、損問(wèn)題?？赡艹霈F(xiàn)的現(xiàn)象：相對(duì)摩擦的表面之間出現(xiàn)雜物。（2）侵蝕零件表面在含固體粒子的流體沖擊下產(chǎn)生的一種磨損。主要因素：沖擊角度、表面硬度?？赡艹霈F(xiàn)的現(xiàn)象：強(qiáng)化的塑料（比如含有玻璃纖維）對(duì)型腔入口處的侵蝕。（3）表面接觸疲勞循環(huán)接觸應(yīng)力作用到達(dá)一定程度時(shí)，就會(huì)在零件工作表面形成疲勞裂紋，隨著裂紋的擴(kuò)展與相互連接，會(huì)造成許多微粒從零件表面上脫落下來(lái)，致使表面上出現(xiàn)許多淺坑。主要因素：表面強(qiáng)化。（4）粘著磨損表面的微凸體在相互作用的各點(diǎn)發(fā)生粘著作用，使材料由一表面轉(zhuǎn)移到另一表面的磨損。主要減少磨損措施：表面處理、表面潤(rùn)滑。7、腐蝕：（1）高溫氧化：金屬被氧化形成氧化物，剝落后再形成。主要因素：溫度

11、、氣氛?？赡艹霈F(xiàn)的現(xiàn)象：壓鑄模具氧化腐蝕、鍛模的氧化腐蝕。（2）化學(xué)反應(yīng)：腐蝕性環(huán)境。主要因素：材料中含有耐蝕元素?？赡馨l(fā)生的情況：塑料釋放出含有氯或氟氣體，腐蝕模具。（3）電化學(xué)反應(yīng)：金屬在電解質(zhì)中失去電子。主要因素：電解質(zhì)構(gòu)成電子流動(dòng)的回路，使電子脫離金屬表面?？赡馨l(fā)生的現(xiàn)象：模具因潮濕而生銹。水起到電解質(zhì)的作用。is an effective shortcut to scientific and technological innovation. to active exploration "research" joint innovation of path, th

12、rough joint development, and technology cooperation, variety form, will university hospital by of hi-tech results in i county for into, formed reality productivity; to relies on technology cooperation led economic structure upgrade, around i county industry layout, active docking university, and res

13、earch hospital by, hi-tech research results, with external think tank, speed up transformation upgrade chemical, and mechanical, traditional industry, speed up life paper, and food, and textile, and mechanical tool, new products development, and technology development, and new process innovation, promoted related industry by single products to diversified extends, by general products to high-end products extends, promoted industry expanded capacity, and upgrade grade, nine xin day of in cosmetics industry has near ten years of accumulation, and nanjing institute cooper