浅析三维有限元分析在模具疲劳失效中的应用

浅析三维有限元分析在模具疲劳失效中的应用

第三事业部模具工厂模具五部作者：涂晓光

前言:s43577-6系列模具为nokia的项目在模具生产过程中出现了模仁开裂，导致模具严重失效，给公司造成极大地经济损失，本文主要介绍NA STRAN在模具结构CAE分析方面的应用。模坯为3065非标模架锁模力为注塑压力为产品投影面积为流道投影面积为模仁开裂部位如图所示。某厂

PG6531B型燃气轮机减速箱的齿轮材料为45CrNiMoVA。大齿轮（从动齿轮）齿数为121，转速为3 600r/min，小齿轮（主动齿轮）齿数为85，转速为5 100r/min。机组87年投用，2001年9月，机组超速螺栓动作，机组停车。对减速箱进行检查发现，主动轴与从动轴一对相啮合的大小齿轮发生严重崩齿损坏，造成齿轮副报废，机组瘫痪。该机组累计运行时间为70 000h。

大齿轮和相啮合的高速轴小齿轮均发生严重断齿损坏，断裂部位均在齿根。大齿轮最为严重。断齿内侧在节线附近有约3~4mm的点状剥落带。宏观形貌呈现明显的双向贝纹线属于双向疲劳断裂，疲劳源在齿宽中部的齿根部位。为典型多源低周、延性疲劳断

2 轮齿应力及材料分析

齿轮相互啮合传动过程中，轮齿间产生滚动和滑动运动。轮齿表面和次表面金属承受拉伸、压缩和剪切应力这些应力用图1表示。在啮合传动过程中，轮齿表面承受不同形式应力作用，齿面和近表面金属在拉伸、压缩和剪切应力作用下，经多次重复应力作用，齿面和近表面金属可能产生微小裂纹形成疲劳源，随之应力循环次数增加，裂纹将扩展以致相互连接起来形成小块金属脱落，齿面出现点蚀剥落，齿轮齿面产生疲劳损坏。对断齿疲劳源附近取样作材料分析，结果表明，点蚀齿面近表面金属有多条疲劳裂纹，疲劳裂纹方向与表面呈45o。金相检查发现渗碳层组织粗大，无粒状碳氮化合物，残余奥氏体较多。齿面硬度偏低（HRC56）,促使齿轮抗接触疲劳性能降低。在重复应力作用下，经过高周次接触应力循环作用，微裂纹扩展及聚合。导致轮齿断裂。

3.1 齿轮传动冲击及动力接触有限元模型

齿轮的间隙冲击以及啮入啮出冲击将对齿轮的动载荷和动态特性产生严重不良影响，齿轮间隙反应在动力学方程中是强非线性项，考虑传动误差、齿面摩擦以及时变刚度等实际因素。根据以下动力方程，建立模型，分析当存在齿轮初速冲击或突加载荷冲击时齿侧间隙对动态啮合力影响。

两物体的冲击—动力接触问题的动力方程为

式中Mi为i物体的质量矩阵；Ci为i物体的阻尼矩阵；Ki(t)为i物体的刚度矩阵；Pi(t)为i物体的载荷

向量；Ri(t)为i物体的接触力向量；ui(t) 为i物体的位移向量；为i物体的速度向量；为i物体的加速量。采用NewMark—b法可以得到动力接触面上的有效柔度方程

式中: 为接触面上的有效柔度矩阵; 为有效外载荷在动力接触面上产生的接触点的相对间距；eo为接触点对原始间隙.

由于Newmark—b直接积分法是针对连续介质提出的逐步积分公式，对于冲击动力接触问题在物体初始接触和初始分离时，由于接触压力发生突变，不满足Newmark—b 法关于加速度在t~t+D t区间线性变化的假设，必须采用加权平均法进行修正。

3.2 齿轮间隙的影响分析

图2为斜齿轮三维冲击—动力接触有限元分析模型。其几何参数为m=3.5，z1=85，z2=121，b=50mm，b =13.5°。对突加载荷冲击，初速冲击及啮入冲击下的齿轮传动动态特性进行了数值仿真，分析了齿轮间隙的影响。齿侧间隙对动态啮合力影响分析表明，轮齿突加载荷时，冲击接触时间与齿轮设计参数有关，与突加载荷大小无关；啮合轮齿越多，冲击力对时间的变化率越小；轮齿总啮入冲击力与初速及突加载荷成正比，随测隙增大，接触时间略有减少，总冲击力迅速增加。由此可见，传动齿轮的装配精度对轮齿使用寿命非常关键。

3.3 齿向载荷分布

图9反映了主动轴不同支承方式时，载荷沿齿宽方向分布情况。其中，横轴表示沿齿宽方向的接触带（坐标间隔为4mm），1和31分别位于两个端面，1靠近电动机一端，31为另一端；纵轴表示接触力的分布。图中曲线a、b分别为悬臂长160mm和480mm时的载荷分布，通过a、b的比较，悬臂越长，偏载越大。为做对比，较平的曲线 c 为主动轴刚性时载荷分布情况情况。

由图中曲线走势，载荷沿齿宽方向主要呈线形分布，可看出，载荷沿齿宽方向不是均匀分布，而是呈有规律的衰减：靠近电动机一侧较大，远离一侧较小。甚至为零（不接触）。越靠近自由端齿面分离趋势愈大，影响到接触力愈小。出现以上的偏载情况，较符合实际，这主要是由一电机轴悬臂的影响。电机轴悬臂，啮合受力以后，自由端有变曲翘起和扭转变形，致使齿轮的几何中心线与齿轮回转轴线倾斜，从而造成齿面的贴合度偏差,成为轮齿脉动偏载力主要来源之一。

4 结论

综合以上分析，我们认为齿轮轮齿断裂的原因有以下几个方面：

4. 1 减速箱主动、从动齿轮的断裂为材料接触疲劳断裂。齿根裂纹系在服役中产生，齿轮的断裂次序为从动轴齿轮由于疲劳抗力较低,先行发生接触疲劳失效，使主动轮受力状况恶化，随后也很快发生接触疲劳失效。

4. 2 支承不仅对齿向偏载有影响，而且对齿廓方向的偏载也有较大影响。电机轴悬臂，啮合受力以后，自由端有变曲翘起和扭转变形，致使齿轮的几何中心线与齿轮回转轴线倾斜，从而造成齿面的贴合度偏差。大小齿轮轴线不平行等因素造成的脉动偏载力使齿轮受力状况恶化，这是造成这次事故的直接原因。

4.3 从动齿轮在进行渗碳热处理时，渗碳层组织粗大，无粒状碳氮化合物，残余奥氏体较多。齿面硬度偏低（HRC56）,促使齿轮抗接触疲劳性能降低。严重影响了齿轮件的耐磨性以及疲劳强度。这是零件较早发生接触疲劳失效的重要原因。同时，机加工刀痕引起的应力集中，是产生二次疲劳裂纹源的一个重要因素。

4.4 根据齿轮失效的现象及有限元分析，扭转振动对齿面接触应力的影响主要通过载荷系数起作用，扭振引起的齿面脉动会使得偶然性的冲击载荷、动载荷系数都变大，进而使齿面接触应力增大。超出齿面的承载能力而引起疲劳损伤。

5 预防建议

5.1 检查大齿轮与电机同轴度、大小齿轮轴线平行度及齿轮与轴装配情况，保证安装精度。。

大齿轮和相啮合的高速轴小齿轮均发生严重断齿损坏，断裂部位均在齿根。大齿轮最为严重。断齿内侧在节线附近有约3~4mm的点状剥落带。宏观形貌呈现明显的双向贝纹线属于双向疲劳断裂，疲劳源在齿宽中部的齿根部位。为典型多源低周、延性疲劳断

模具的失效分析

模具的失效分析№1 一, 目的 1, 模具设计人员必须熟知如何保证模具设计正确,合理,提高模具寿命,降低成本. 2, 生产中模具失效时,能分析原因,提出改进措施,也是工艺员应掌握的技能. 二, 模具的工作条件 1, 工装模具组成 凹模- 冷镦, 正挤, 反挤, 冲孔, 锥形凸模, 切边凹模, 切边凸模, 孔类` 螺母用凹模等. 套- 推出销套, 衬套 垫- 带孔垫块 轴类冲头–正挤, 反挤, 六方冲头, (螺母冲头), 推出销, 凸模销, 光凸模(无孔) 销, 轴, 杆. 板,块类型- 垫块,切断刀,送料滚,刀体,钳片,夹子,弹簧板,弹簧片 螺旋弹簧–拉,压 弹簧碟簧 板簧 2, 易损件(服役期短,经常更换的件) 冲头, 凹模 重点分析易损件–冲头, 凹模. 3, 模具工作条件 ①挤压冲头工作条件–以活塞销为例 上冲头 上冲头–向下运动, 下冲头–固定不动. 挤压中,上冲头受力大于下冲头. 上冲头受力情况如下: A) 向下运动–反挤坯料,冲头受压应力. B)向上运动–脱离坯料,因摩擦力冲头受拉应力. C)可能因冲头偏心,产生弯曲应力. 结论: 上冲头受力复杂,易导致失效. 上冲头最大名义压力可达2500 MPa. 在尺寸过渡处,由于应力集中, 有时应力更大于此值.

② 冷挤压凹模的工作条件 № 2 冷挤压过程中,凹模型腔表面受很大的压力,该压力使凹模产生巨大的切向拉应力. (以下插图) p 0 材料力学厚壁筒受力分析理论公式 拉应力压应力 P 1R 21 - P 0 R 20 R 20 -R 2 1P 1 -P 0R 21 R 2 0σt σr = ()+ R 2R 20 -R 21()=R 20 -R 2 1 P 1 R 21 - P 0 R 20 -)(R 20 -R 2 1R 2)(R 21 R 20P 1 -P 0① ② ③ ④ ⑤ ⑥ 当采用整体模时,如下图 P 0 =0 代入①,②式 )(R 20 -R 21R 2 + = σt R 21 R 20P 1R 20 -R 21P 1R 21= P 1R 2 1R 20 -R 21(1+ R 20R 2 ) P 1 R 21 R 2 0R 2 R 20 -R 21()-P 1R 21 R 20 -R 21 =σr =R 20 -R 21 P 1R 21 )R 2 R 2 01-(当R=R 1 时,分别代入公式③,④得 σtR1σrR1= )R 21 R 20 1+(R 20 -R 21P 1R 21)R 21 R 2 1- (R 20 -R 21 P 1R 21=P 1 R 20 -R 21R 20 +R 21= =-P 1

12CrNi3A 模具失效分析

《模具材料及其失效分析》 结课大作业 系别： 班级： 姓名： 学号： 任课教师： 2013年月日

一12CrNi3A钢简介 (1)12CrNi3A钢是中淬透性合金渗碳钢。该钢淬火，低温回火或高温回火后都具有良好的综合力学性能，钢的低温韧性好，切削加工性能良好，当硬度为260-320HBS时，相对切削加工性为60%-70%。另外，钢退火后硬度低，塑性好，因此，既可以采用切削加工方法，也可以采用冷挤压成型方法制造模具。模具成型后需要进行渗碳处理，然后再进行淬火和低温回火，从而保证模具表面具有高硬度，高耐磨性而心部具有很好的韧性。但该钢有回火脆性倾向和形成白点的倾向，在冶金生产和热处理工程过程中必须注意。 …. 二12CrNi3A钢热处理特点 (1) 锻造工艺：锻造加热温度为1200℃，始锻温度1150℃，终锻温度大于850℃，锻后缓冷，锻后必须软化退火。 (2) 退火工艺：670-680℃加热，保温4-6h后以5-10℃/h的速度缓冷至600℃，再炉冷至室温，退火后的硬度＜160HBS,适于冷挤压成形。 (3) 正火工艺：880-940℃加热并保温3-4h后空冷，正火后硬度≤229HBS,切削加工性良好。 (4) 渗碳及淬火工艺：12CrNi3钢材采用气体渗碳工艺时，加热温度为900-920℃，保温6-7h,可获得0.9-1.0mm的渗碳层，渗碳后预冷至800-850℃后直接油淬或空冷，淬火后表层硬度可达56-62HRC,心部硬度为250-380HBS,变形微小。 采用渗碳钢制作的模具经表面渗碳后，使表面具备高耐磨性而心部保持高强韧性，不会发生早期磨损和脆断失效。其不足之处就是热处理工艺较复杂。 三12CrNi3A钢材料的热处理规范[3] （1）对热处理工艺的要求 渗碳层的厚度压制含有矿物填料的塑料（硬性塑料）时，模具的渗碳层厚度为 1.3—1.5mm.压制软性塑料时取0.8—1.2mm。有些模具有尖齿，薄边，则取0.2—0.6mm. (2) 渗层的化学成分若采用碳氮共渗，则其耐磨性，抗氧化性，耐腐蚀性，抗粘料性均优于前者。尤其对于压制胺基塑料的模具，碳氮共渗的效果更好。 ……. （10）渗碳后淬火工艺规程，直接空冷淬火，更好的是在氨气氛围下冷却淬火。

《模具失效研究》参考试卷

《模具失效分析》参考试卷制作人：陈杰200810111422 侯小毅200810111419 一、填空题：<每空1分，共20分） 1.为方便模具材料的选用，按模具的工作条件可将模具分为冷作模具、热作模具和温作模具三大类。 2. 评价冷作模具材料塑性变形抗力的指标主要是常温下的屈服点或 屈服强度；评价热作模具材料塑性变形抗力的指标则应为高温屈服点或屈服强度。 3. 在模具中常遇到的磨损形式有磨粒磨损、粘着磨损、疲劳磨损、气蚀和冲蚀磨损和腐蚀磨损等。 4. 模具失效分为非正常失效<早期失效）和正常失效两类。 5.模具常见的失效形式是磨损失效、塑性变形失效和断裂失效等。 6. 塑料模具成型工艺分为模压成型、挤压成型、注射成型三个阶段组成。 7.表面强化处理按其目的和作用可分为表面化学成分和组织结构改变型 和 表面物质保护型两大类。 二、选择题：<每题2分，共24分） 1. 常用来制作小型切边模、落料模以及小型的拉深模具，且性能较好、应用最广的碳素工具钢是< C ）。 A、T7A B、T8A C、T10A D、T12A 2. 拉深模常见的失效形式是< B ）。 A、断裂 B、粘附 C、磨损 D、过量变形 3. 3Cr2W8V钢是制造< C ）的典型钢种。 A、冲裁模 B、冷挤压模 C、压铸模 D、塑料模 4. 适于制造要求高耐磨性的大型、复杂和精密的塑料模的材料是< D ）。 A、T10A B、CrWMn C、9SiCr D、Cr12MoV 5. 以下各项表面强化技术中属于机械强化的是< D ）。 A、高频加热淬火 B、渗碳 C、镀金属 D、喷丸 6. 低淬低回、高淬高回、微细化处理、等温和分级淬火等强韧化处理工艺主要用于< A ）。

模具材料失效分析

1.模具寿命定义：模具因为磨损或其他形式失效、终至不可修复而报废之前所加工合格产品的件数称为模具的使用寿命，简称模具寿命。 2.失效定义：模具受到损坏，不能通过修复而继续服役时叫模具失效。 3.模具寿命与成本的关系：产品成本随着模具寿命的增加而下降，提高模具寿命可降低成本。考虑两个因素：应根据批量选择不同的模具材料和制造工艺。 4.磨损失效：由于相对运动产生磨损，使模具尺寸或表面状态发生改变，使之不能继续服役的现象，叫磨损失效。 5.磨粒磨损：外来硬质颗粒存在工件与模具接触表面之间，刮擦模具表面，引起模具表面材料脱落的现象。工件表面的硬突出物刮擦模具引起的磨损也叫磨粒磨损。 6.粘着磨损：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。 7.脆性断裂：断裂时不发生或发生较小的宏观塑性变形的断裂，分为一次性断裂和疲劳断裂。 8.多种失效形式的交互作用：（1）磨损对断裂及塑性变形的促进作用,。磨损沟痕可成为裂纹的发源地，当由磨损形成的裂纹在有利于其向纵深发展的应力作用下，就会造成断裂。模具局部磨损后，会带来承载能力的下降和偏载，造成另一部分承受过大应力而产生塑变。（2）塑性变形对磨损和断裂的促进作用。局部塑变会改变模具零件正常的配合关系，模具间隙变小引起不均匀磨损，会加快磨损速度进而促进磨损失效。另一方面，塑变后间隙不均匀，承载面变小，会带来附加偏心载荷，造成局部应力集中，并由此产生裂纹，促进断裂失效。 9.圆角半径的影响及措施：模具零件的两个面相交处常用圆角过渡，工作部位的圆角半径对成形件质量和模具寿命影响很大。（1）凸的圆角半径对成形工艺影响大。过小的凸圆角半径在板料拉深中增加成形力，在模锻中易造成锻件折叠缺陷。（2）凹的圆角半径对模具寿命影响大。小的凹圆角半径会使局部受力恶化，在圆角半径处产生较大的应力集中，易萌生裂纹导致断裂。【措施】增大圆角半径，使模具受力均匀，不易产生裂纹。 10.成形件材质与模具寿命的关系：成形件的材质有金属和非金属、固体和液体之分。（1）非金属材料和液体材料由于强度低，所需成形力小，模具受力小，模具

冲压模具的失效形式分析与思考

摘要：本文简单介绍了冲压模具失效的几种形式，并针对每种失效形式产生 的原因进行了具体分析，提出了相应的预防及解决措施。 关键词：冲压模具；失效形式；分析；措施 1 前言 随着我国现代工业技术的不断发展，冲压模具在工业生产中起到了越来越广泛的应用。冲压模具质量的好坏直接决定了所冲产品质量的优劣。然而，冲压模具在使用过程中，常常出现各种形式的失效情况，应对这些失效，往往需要耗费一定的时间、人力、物力以及财力资源，严重影响到了工业生产的进度，不利于企业经济效益的提高。因此，如何有效地预防冲压模具的失效，最大限度的提高其使用寿命，是很多企业共同面临的一个技术难题。只有对冲压模具的失效形式做出正确分析，归属其失效类型，才能精准地找出其失效的原因，采取相应的技术措施对其修复或预防，延长其使用寿命。 2 冲压模具失效形式概述 2.1 冲压模具失效的涵义 冲压模具在使用过程中，因各种原因如结构形状、尺寸的变化以及零部件组织与性能的变化等，使得冲压模具冲不出合格的冲压件，同时也无法再修复的情形就叫做冲压模具的失效。鉴定模具是否失效的判据有三种：一是模具已经完全丧失工作能力；二是模具虽然可以工作，但无法完成设定的功能；三是模具因结构受到严重损害，使用时存在安全隐患。 2.2 冲压模具失效的形式 冲压模具在使用过程中，因模具本身类型、结构、材料的不同以及实际工作条件的不同，会表现出不同的失效形式，主要可分为以下四种。 （1）磨损失效。冲压模具在正常工作过程中，往往会与加工的成形坯料直接接触，二者之间因相对运动而产生摩擦，造成冲压模具表面磨损。当磨损程度达到一定限度时，模具表面失去原来的状态，使之无法冲出合格的冲压件，这就是磨损失效。磨损在任何机械的使用过程中是不可避免的，因此是一种正常的失效形式，也是冲压模具失效形式中最为主要的一种。根据磨损机理，可将磨损失效细分为四种：①磨粒磨损失效。当坯料与模具接触的表面间存在硬质颗粒，亦或坯料加工前未打磨完全，其表面存在坚硬的突出物时，会摩擦并刮划模具的表面，严重时就会使模具表面材料脱落，造成磨粒磨损失效。②黏着磨损失效。冲压模具作用于坯料时，彼此之间存在相互作用力，有时黏着部分会因受力不均而发生断裂，造成模具表面物质脱落或转移，这种失效形式就是黏着磨损失效。③疲劳磨损失效。模具的有些部位经过长时间的使用，在与坯料摩擦力的循环作用下，难免会产生一些细小的裂纹，随着使用时间的推移，细纹逐渐加深，加深到一定尺度时，造成模具表面物质发生脱落，甚至模具因承载力不足而断裂。④腐蚀磨损失效。冲压模具在使用过程中，模具表面物质很容易与周围介质（如空气、水等）发生化学腐蚀或电化学腐蚀，加上摩擦力的作用，时间久了，就会造成模具表面物质侵蚀变质，发生脱落。 实际上，磨具与坯料作用时，磨具表面受到的磨损是极其复杂并且难以预测的，不可能仅仅只受某种磨损方式的影响，因此，实际生产加工中反映出来的磨损失效形式可能是多种形式相互作用的结果。 （2）断裂失效。所谓的断裂失效是指冲压模具因产生较大裂纹或者断裂为两部分（数部分）。断裂可分为两种：早期断裂（一次性断裂）以及疲劳断裂。早期断裂指的是冲压模具表面受到冲击载荷的压力过大，超出其负荷能力，造成迅速断裂。相反，造成疲劳断裂的应力通常较低，在模具的承受范围之内，但由于这种应力的频繁作用，细小裂纹开始逐渐扩展，最后引发断裂。 （3）变形失效。冲压模具在工作过程当中，若是零件所受到的应力超出其弯曲极限，就

模具材料考试题答案 (1)

模具材料 一、名词解释 1.模具失效 :是指模具丧失正常的使用功能，不能通过一般的修复方法使其重新服役的现象。 2.模具寿命 : 是指模具在正常失效前生产出的合格产品数目。 3.冷作模具 : 是指在常温下对材料进行压力加工或其它加工所使用的模具。 4.冷拉深模具 : 是将材进行伸延使之成为一定尺寸，形状产品的模具。 5.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。 ６.基体钢：是指在高速钢淬火组织基体的化学成分基础上，添加少量的其他元素，适当增减碳元素含量，使钢的成分与高速钢基体成分相同或相近的一类模具钢。 7.回火稳定性：是指随回火温度的升高，材料的强度和硬度下降的快慢程度。 8.热稳定性：钢在受热过程中保持组织和性能稳定的能力。 9.激光合金化：是利用激光束使合金元素与基体表面金属混合熔化，在很短的时间内形成不同化学成分和 结构的高性能表面合金层。 10.激光淬火：是指铁基合金在固态下经激光照射，使表层激光照射，使表层被迅速加热至奥氏体化状态，并在激光停止照射后，快速自冷淬火得到马氏体组织的一种工艺方法。 11.激光熔覆：是利用激光束在工件表面熔覆一层硬度高，耐磨，耐蚀和抗疲劳性好的材料，以提高工件 的表面性能。 12. 渗碳 : 是把钢件置于含有活性炭的介质中。加热至850℃-950℃，保温一定时间，使碳原子渗入钢件 表面的化学热处理工艺。 13. 渗氮 : 渗氮是把钢件置入含活性氮原子的气氛中，加热到一定温度，保温一定时间，使氮原子渗入钢 件表面的热处理工艺。 14. 电镀 : 是指在直流电的作用下，电解液中的金属离子还原沉积在零件表面而形成一定性的金属镀层的过程 15. 电刷镀 : 是在可导电工件{或模具}表面需要镀覆的部位快速沉积金属镀层的新技术。 16. 气相沉积 : 是将含有形成沉积元素的气相物质输送到工件表面，在工件表面形成沉积层的工艺方法。 17.热硬性: 是指钢在较高温度下，仍能保持较高硬度的性能。 18. 冷热疲劳: 是指材料在多少度高温和多少度低温以多大的频率交替的情况下可以保持多长时间的正常 使用性能。 二、填空 1.根据工作条件，模具分为冷作模具、热作模具和塑料模具三大类。 2. 根据工艺特点，冷作模具分为：冷冲裁模具、冷拉深模具、冷挤压模具、冷镦模具等。 3. 模具在使用过程中产生失效的主要形式有：过量变形、表面损伤、断裂开裂、冷热疲劳等

刀具模具失效模式分析

PVD涂层刀具、模具失效分析 郭 硕 摘要：1、阐述了刀具、模具的基本失效模式；2、失效模式与原因分析的方法；3、刀具、模具经过PVD （物理气相沉积）处理后，失效模式的分析与改善方法。 关键字：PVD、ALTiN、TiCN、TiN、磨损、失效模式 1、概述 1.1失效：即产品丧失规定功能。（国标GB3187-82中定义）比如刀具刃口磨损变钝，不能继续切削 使用。 1.2失效模式：是指失效的外在宏观表现形式和过程规律，一般可理解为失效的性质和类型。 1.3失效分析：是指判断产品失效模式，查找失效机理和原因，提出改善和预防措施的活动。 2、失效模式 2.1 主要的失效模式（针对模具、刀具、机械零件等） 2.1.1 磨损 2.1.2 断裂 2.1.3 变形 2.1.4 腐蚀 2.2 磨损 2.2.1 磨损过程（如下图所示） （1）磨合阶段（Ⅰ区，O~A） （2）正常磨损阶段（Ⅱ区，A~B） （3）快速磨损阶段，也称严重磨损阶段（Ⅲ区，B~C） 图1 磨损过程示意图 z磨损是一定会发生的，我们的分析与研究只是为了尽可能延长“正常磨损阶段”（即Ⅱ区）的时间，并能对B点的到来作出准确的预测。 2.2.2 磨损的分类

（1）粘着磨损：相对运动的物体，接触表面发生了固相粘着，使材料从一个表面转移到另一个表面的现象。粘着磨损情况严重时会出现“咬死”“卡死”现象。 z产生原因： ①表面粗糙，表面凸起来的部分在摩擦过程中，受到很大压力发生塑性变形，进 而彼此粘着。 ②接触的两种材料之间物理、化学特性接近，有粘着在一起的可能，比如金属之 间可能发生粘着，而金属和木材之间就不可能发生粘着。 z对于刀具、模具而言，轻微的情况就是粘料、积屑，以及进而形成的擦伤、拉毛等。 比如五金拉伸模具，模具表面粘料后，产品将出现拉毛、擦伤等异常。 （2）磨粒磨损：又称磨料磨损或研磨磨损，是指两物体接触时，一方硬度比另一方大得多时，或接触面之间存在着硬质颗粒时，所产生的磨损。 z此类磨损，在我们涂层的模具或零件应用中极为常见。因为涂层本身硬度极高，一旦脱落，其碎片就是“硬质颗粒”，它夹杂在摩擦面之间，会造成模具本身的快速 磨损。 （3）表面疲劳磨损：是指两物体接触摩擦，在交变应力作用下，材料表面疲劳，产生小坑点和很浅的细小裂纹以及由裂纹造成的下片金属脱落。表面疲劳是介于疲劳与磨损之间的破坏 形式。 z比如，冲压螺丝的十字精冲，冲压到某一寿命次数之后，十字针上就会出现很细小的裂纹和小坑点。 （4）腐蚀磨损：是指在有腐蚀性的环境下，摩擦面受到化学、电化学腐蚀与摩擦的双重作用，从而引起的破坏形式。 z塑胶模具，对于存在腐蚀性的胶料，同时受压力较大的部位（比如进胶口），在腐蚀和磨损双重作用下，就会更容易被破坏。 2.2.3 “正常磨损阶段”时间没有达到预期值（即我们所说的“寿命异常”）的失效分析，就是找 出实际发生的属于那种磨损形式，以及为何没有达到正常标准时限，并找出改善其摩擦环境 的措施。 2.2.4 在实际的磨损过程中，往往是多种磨损同时发生或交替作用，而且各种机理在里面的作用大 小也不一定，故我们在做失效模式判断时，要根据实际情况，作出全面的分析判断。 2.3 断裂 2.3.1 断裂：是指产品在外力作用下产生裂纹进而扩展分裂成两部分或多部分的过程。对于刀具、 模具的局部断裂，我通常称为“崩刃”、“崩口”。 2.3.2 断口：即断裂形成的断面。我们分析断裂原因时，就是根据断口的痕迹与特征来判断的。 2.3.3 断裂的分类： （1）脆性断裂：材料本身的韧性不够好，在承受过大的外力时，仅发生了很小的变形就断裂。 （2）塑性断裂：材料本身韧性较好，但由于承受的外力过大，发生严重塑性变形后断裂。 （3）疲劳断裂：材料在交变应力反复作用下（如冲压加工），萌生裂纹及裂纹扩展进而造成断裂。 2.3.4 对于刀具、模具而言，发生断裂的主要原因： （1）材料问题，材料本身的强度不足以承受这般大的外力，故而断裂。 （2）热处理问题，热处理的方式或工艺不当，造成刀具、模具内部应力没有完全消除，脆性过大进而断裂。 （3）使用不当，如装夹偏位、撞车、撞刀等。 （4）加工参数设定太严苛，使得刀具、模具负荷过大，或造成机台振动，从而造成刀具、模具崩裂。

失效案例分析

工程材料失效分析 姓名：丁静 学号：201421803012

案例一乙烯裂解炉炉管破裂原因分析某石化公司化工一厂裂解车间CBL一Ⅲ型乙烯裂解炉于1998年9月投入运行，1 999年4月检查发现一根裂解炉管发生泄漏。为查明炉管泄漏原因，对失效炉管进行了综合分析。 CBL一Ⅲ型乙烯裂解炉炉管工作温度为1050～llOO℃，材质化学成分（质量分数）为0.35~0.60%C;1.0%~2.0%Si;1.O%~1.50%Mn;33%~38%Ni;23%~28%Cr及微量Nb.Ti.Zr等。宏观观察失效炉管表面可以看出，泄漏部位炉管内、外壁均有两个孔坑，两个孔坑在内、外表面相互对应，孔坑边缘金属略有凸起，呈火山口状。仔细观察发现，在内壁两个孔坑附近表面有一约3 mm xl mm凸棱，凸棱略高于附近炉管表面（图11-1、图11-2）。

化学成分分析结果表明，失效炉管化学成分符合厂家技术要求。金相检查结果表明，失效炉管显微组织基体为奥氏体，晶界分布有骨架状碳化物，晶内和晶界分布有一定数量的颗粒状碳化物（图11-3）。 能谱分析结果表明，这些颗粒状碳化物为Nb.Zr.Ti或Cr的

碳化物。晶界分布的骨架状碳化物系以铬为主的碳化物。首先，采用扫描电镜观察了泄漏部位炉管内、外表面的放大形貌，观察发现，所有孔坑均存在白亮色块状物。通常，不导电的非金属氧化物或金属氧化物在电子束作用下因积累电荷而呈白亮色。能谱分析结果表明，白亮色块状物含有很高的稀土铈。分析认为，白亮色块状物为稀土氧化物。在泄漏部位，分别在内壁凸棱和孔坑两处，垂直于内表面制备了炉管横截面金相试样。可以看出，不论是凸棱对应部位，还是炉管内、外表面两个孔坑之间，炉管横截面均分布有宏观深灰色金属夹杂物，夹杂物在内、外表面两个孔坑之间连续贯通（图11-4）。 在扫描电镜下进一步观察、分析结果表明，两个横截面深灰色区域同样是稀土铈的氧化物（图11-5）。采用微型拉伸试样，对失效炉管进行了1100℃短时高温拉伸试验，其结果如表11-1所示。可以看出，失效炉管1100℃高温短时拉伸性能低于厂家相关技术要求。

董斌—模具失效分析

模具失效分析 目录 1引言模具失效 2模具失效形式案例分析及其改进模具磨损失效 模具断裂失效 模具塑性变形失效 3总结 4参考文献

1引言模具失效 冲压模具是冲压生产中必不可少的工艺装备，是技术密集型产品。冲压件的质量、生产效率以及生产成本等，与模具设计和制造有直接关系。模具设计与制造技术水平的高低，是衡量一个国家产品制造水平高低的重要标志之一，在很大程度上决定着产品的质量、效益和新产品的开发能力。 生产中的冲压模具经过一定时间使用后，由于种种原因不能再冲出合格的产品，同时又不能修复的现象称为冲压模具的失效。由于冲压模具类型、结构、模具材料、工作条件的不同，所以冲压模失效的原因也各不相同。 一般为塑性变形、磨损、断裂或开裂、金属疲劳及腐蚀等等。 模具的失效也可分为： 正常失效和早期失效

模具模具在工作中，与成形坯料接触，并受到相互作用力产生一定的相对运动造成磨损。当磨损使模具的尺寸、精度、表面质量等发生变化而不能冲出合格的产品时，称为磨损失效，磨损失效是模具的主要失效形式，为冲模的正常失效形式，不可避免。 按磨损机理，模具磨损可分为磨粒磨损、黏着磨损、疲劳磨损、腐蚀磨损。 ①磨粒磨损硬质颗粒存在于坯料与模具接触表面之间，或坯料表面的硬突出物，刮擦模具表面引起材料脱落的现象称为磨粒磨损。 ②黏着磨损坯料与模具表面相对运动，由于表面凹凸不平，黏着部分发生剪切断裂，使模具表面材料转移或脱落的现象称为黏着磨损。 ③疲劳磨损坯料与模具表面相对运动，在循环应力的作用下，使表面材料疲劳脱落的现象称为疲劳磨损。 ④腐蚀磨损在摩擦过程中，模具表面与周围介质发生化学或电化学反应，引起表层材料脱落的现象称为腐蚀磨损。 在模具与坯料相对运动过程中，实际磨损情况非常复杂。工作中可能出现多种磨损形式，它们相互促进，最后以一种磨损形式失效。 冲裁模的工作条件 冲裁模具主要用于各种板料的冲切。从冲裁工艺分析中我们已经

模具的失效分析

模具的失效分析 一，目的 1,模具设计人员必须熟知如何保证模具设计正确，合理,提高模具寿命，降低成本. 2,生产中模具失效时，能分析原因，提出改进措施，也是工艺员应掌握的技能?二,模具的工作条件 1,工装模具组成 「凹模- 冷镦,正挤，反挤，冲孔，锥形凸模，切边凹模，切边凸模，孔类' 螺母用凹模等? 套- 推出销套，衬套 -垫- 带孔垫块 轴类厂冲头-正挤，反挤，六方冲头，（螺母冲头）,推出销，凸模销，光凸模（无孔）—销，轴，杆. 板,块类型- 垫块,切断刀，送料滚，刀体,钳片,夹子,弹簧板,弹簧片 哪旋弹簧-拉，压 弹簧碟簧 —板簧 2,易损件（服役期短，经常更换的件） 冲头，凹模 重点分析易损件-冲头，凹模? 3,模具工作条件 ①挤压冲头工作条件-以活塞销为例 上冲头-向下运动，下冲头-固定不动? 挤压中，上冲头受力大于下冲头?上冲头受力情况如下： A）向下运动-反挤坯料,冲头受压应力? B）向上运动-脱离坯料，因摩擦力冲头受拉应力? C）可能因冲头偏心，产生弯曲应力? 结论：上冲头受力复杂，易导致失效?上冲头最大名义压力可达2500 MPa. 在尺寸过渡处，由于应力集中，有时应力更大于此值?

(T r b tRi b rRi P 1R 2 R 2 -R 2 P i R[ R 2 -R 1 R 21 R R - 2 O R P i R 2 R 2 R 2 ( R 2 -R 2 ) 当R=R i 时,分别代入公式③ R 2 R i 2 ,④得 P i R ? R 2 -R 2 )=P i P i R i 2 R 2 -R 2 (i- R 2 R 2 ) =-P i = — i+4 ③ R o -R i R 2 +R 2 R 2 -R 2 R 2 ② 冷挤压凹模的工作条件 血2 冷挤压过程中，凹模型腔表面受很大的压力，该压力使凹模产生巨大的切向拉 应力? （以下插图） 拉应力 t = PiRi - Po R 0 + Ri R0 ( Pi -Po ) R O -R 2 R 2( R 2-R 2 ) 压应力 P i R i 2 - P o R 2 R 2 -R i 2 R 2 R 2( P i -P o ) R 2 ( R 2 -R i 2 ) 当采用整体模时，如下图 P 0 =0代入①，②式

模具材料失效分析考试复习题

1、模具寿命：因磨损或其他形式的失效、终至不可修复而报废之前所加工的产品的件数。 2、模具失效：模具受到破坏，不能通过修复而继续服役时叫做模具的失效。 3、模具寿命与产品成本的关系？产品成本随着模具寿命的增加而下降。 4、产品成本的因素：模具材料，制造工艺。 5、模具失效分类：①磨损失效（磨粒磨损、粘着磨损、疲劳磨损、气蚀和冲蚀磨损、腐蚀磨损）②断裂失效③塑性变形 6、磨损失效：由于表面的相对运动，从接触表面逐渐失去物质而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。 7、模粒磨损：外来硬质颗粒存在工件与模具接触表面之间，刮擦模具表面，引起模具表面材料的脱落。 8、粘着磨损:工件与模具表面相对运动时，由于表面的凹凸不平，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。 9、脆性断裂：断裂时不发生或发生较小的宏观塑性变形的断裂，分为一次性断裂和疲劳断裂。 10、多种形式的交互作用：①磨损对断裂及塑性变形的促进作用：磨损沟痕可成为裂纹的发源地。当有磨损形成的裂纹在有利于其向纵深发展的应力作用下，就会造成裂纹。模具局部磨损后，会带来承载能力的下降以及易受偏载，造成另一部分承受过大说我盈利而产生塑性变形。②塑性变形对磨损和断裂的促进作用：局部塑性变形后，改变了模具零件间正常的配合关系。如模具间隙不均匀，间隙变小，必然造成不均匀磨损，磨损速度加快，促进磨损失效。另塑性变形后，模具间隙不均匀，承力面变小，会带来附加的偏心载荷以及局部应力过大，造成应力集中，并由此产生裂纹，促进断裂失效。 11、模具寿命的影响因素：模具结构、模具工作条件、模具材料性能、模具制造、模具管理与维护 12、圆角半径对模具寿命的影响？采取啥措施？过小的凸模圆角半径在板料拉深中增加成形力，在模锻中，易造成锻件折叠缺陷。过小的凹模圆角半径会使局部受力恶化，在圆角半径处产生较大的应力集中，易萌生裂纹，导致断裂。大的圆角半径使模具受力均匀，不易产生裂纹。措施：在凸模圆角半径处采用润滑；选择合理的间隙。 13、寿命与材质的关系？金属件成形模比非金属件成形模的寿命低，因为非金属件材料的强度低，所需的成形力小，模具受力小，模具寿命高。铝、铜等有色金属件模具比黑色金属成形件寿命高。 14、温度与寿命的影响？坯料温度越高，模具材料强度下降越厉害，温度应力和热冲击越大，模具寿命越低。 15、裂纹临界应力强度因子：材料抗裂纹扩展的能力。 16、为啥先锻造，锻造的目的？通过锻造可以获得所需要的模块内部组织和使用性能以及近似形状的尺寸，改善材料内部缺陷。 17、氧化和脱碳：模具热处理加热过程中如果不采取措施，超过一定温度后就会产生氧化和脱碳。氧化使表面形成氧化皮，影响模具冷却的均匀性。脱碳则造成淬火后硬度不足，或出现软点。采用盐浴炉加热和箱式保护加热可有效防止。 18、过热：由于加热温度过高或是高温下加热时间过长，引起晶粒粗化的现象。模具过热会使力学性能变差，热处理易变形、开裂。过热可通过退火，然后按正确的淬火工艺重新淬火的方法挽救，但过烧只能报废。 19、过烧：加热温度远远超过了正常的加热温度，以致晶界出现熔化和氧化的现象。 20、模具维护：①现场维护：预热、间歇工作时的保温、停工时的缓冷②非现场维护：去应力退火、超前修模 21模具的失效因素：热处理52.2，原材料17.8，使用10，机械加工8.9，锻造7.8，设计3.3 22、热处理工艺性能：要求热处理变形小，淬火温度范围宽，过热敏感性小，脱碳敏感性低，要有足够的淬硬性和淬透性。 23、模具选材的原则：使用性能足够、工艺性能良好、供应上能保证、经济性合理 24、拉拔模及成形模@工作条件：工作时物料受拉应力延伸变形。模具在工作时，凹模受径向张力和摩擦力，凸模收到压力以及摩擦力。@失效形式：模具因严重磨损而失效，因表面产生

模具失效

1、什么是模具失效？ 答：模具零件在服役中产生了过量变形、断裂破坏、表面损伤等现象后，将丧失原有功能，达不到预期要求，或变的不安全不可靠，以致不能正常的服役，这种现象称为模具失效。 2、什么是模具损伤？ 答：模具在制造和使用中产生了某些缺陷，如表面轻度磨损、微裂纹等，但还没有丧失规定的功能而仍可继续服役，那么，这些缺陷就称为模具的损伤。 4、什么是模具的早期失效？其主要是因为什么引发的？特点为何？ 答：模具未达到一定工业技术水平公认的使用寿命就不能服役时，称为模具的早期失效。早期失效发生在模具的使用初期，主要是由于模具设计和制造上的缺陷一经使用就显露出来，进而诱发失效。这一阶段的失效几率甚高，但随着使用时间的延长而迅速减低。 5、什么是模具的随机失效？该种失效有何特点并如何防止？ 答：模具经过使用初期的考验而未发生失效，就进入了随机失效阶段。由于环境的偶然变化，操作者的人为差错，或者因管理不善而造成的某些损伤，仍可能导致失效。特点：这种失效几率很低，且随着使用时间的延长其增长也很缓慢，呈随机分布。防止措施：对模具的正确使用和精心维护。 6、什么是耗损失效？如何拖延耗损失效期的到来？ 答：模具经过了长期使用，由于损伤的大量积累，致使发生的几率急剧增加，从而进入耗损失效阶段，即到了模具寿命的终止期。在模具使用过程中，经常性的维护、保养，可延迟耗损失效期的到来。 7、按经济法观点对失效分类，可将失效分为哪四种情况？ 答：正常耗损失效、产品缺陷失效、误用失效、受累性失效 8、按失效形式及失效机理分类，失效大致可分为哪几类？ 答：过量变形、断裂、表面损伤 9、模具失效原因的分析和防护措施的提出，可以从哪几方面入手？ 答：合理选材、合理结构设计、合理加工与装配、合理使用与保养、严格质量控制、表面强化。 10、以断裂失效形式为例，简要说明失效分析的方法和步骤有哪些？ 答：现场调查和模具断裂件的处理、模具制造工艺和服役历史的调查及质量检验、模具工件条件和断裂状况分析、断口分析、断裂原因的判定、提出防护措施 12、什么是一次刃磨寿命？ 答：两次刃磨之间模具服役的时间或冲裁次数，称为一次刃磨寿命。 13、模具在服役过程中磨损可分为哪三个阶段？各阶段有何特点？ 答：初期磨损、稳定磨损、急剧磨损。特点：磨损速度较大、磨损速度变缓、模具失效 14、影响模具磨损的主要因素有哪些？ 答：模具材料和被加工材料的成分、组织及性能，模具和坯料的表面状态及粗糙度，模具的工作条件如冲裁力、冲裁速度、工作温度及润滑条件等。 15、冷挤压模的失效形式主要有哪些？ 答：模具冲头承受很大的三向压应力及拉应力、偏载或横向弯曲载荷，因此，冲头的失效形式可能有塑性变形、折断、疲劳断裂、纵向断裂等。冷挤压凹模的内壁承受均压，易发生胀裂或塑性变形。冷挤压凸模、凹模，都要经受坯料塑变流动的剧烈摩擦，从而产生磨粒磨损和粘着磨损。 16、冷镦模失效的主要形式有哪些？ 答：磨损失效和疲劳断裂失效 17、影响冷镦模和冷挤压模寿命的主要因素有哪些？ 答：由于冷挤压模和冷镦模受力较大，因而模具的结构、加工质量、润滑条件、维护保养以及冷挤压工艺设计等因素对模具的失效和寿命影响很大。 18、冷拉深模的失效形式是什么？影响冷拉深模寿命的因素有哪些？ 答：磨粒磨损和粘着磨损。因素：被拉深板材的强度、厚度、表面状况、材料的成分和组织，均影响模具载荷的轻重和粘着（咬

设计失效模式及后果分析

目录 一、前言 (01) 二、设计FMEA (02) 1.先期规划 (03) 2.设计FMEA展开 (07) 3.后续追踪与应用 (14) 附录A：设计FMEA方块图范例 (16) 附录B：设计FMEA范例 (17) 附录C：设计FMEA表格 (18) 案例分析 (19)

一、前言 失效模式、效应与关键性分析(Failure Mode，Effects and Criticality Analysis，FMECA)是一种系统化之工程设计辅助工具，主要系利用表格方式协助工程师进行工程分析，使其在工程设计时早期发现潜在缺陷及其影响程度，及早谋求解决之道，以避免失效之发生或降低其发生时产生之影响。FMECA之前身为FMEA(Failure Mode and Effects Analysis)，系由美国格鲁曼(Grumman)飞机公司在1950年首先提出，应用于飞机主操纵系统的失效分析，在1957年波音(Boeing)与马丁(Martin Marietta)公司在其工程手册中正式列出FMEA之程序，60年代初期，美国航空太空总署(NASA)将FMEA成功地应用于航天计画，同时美国军方也开始应用FMEA技术，并于1974年出版军用标准FMECA程序MIL-STD-1629，于1980年由国际电工技术委员会(International Electrothnical Commission，IEC)所出版之国际IEC 812即为参考MIL-STD-1629A加以部份修改成之FMEA程序。除此之外，ISO 9000及欧市产品CE标志之需求，也将FMEA视为重要的设计管制与安全分析方法。 在70年代，美国汽车工业受到国际间强大的竞争压力，不得不努力导入国防与太空工业之可靠度工程技术，以提高产品品质与可靠度，FMEA手册，此时发展之分析方法与美军标准渐渐有所区别，最主要的差异在引进半定量之评点方式评估失效模式之关键性，后来更将此分析法推广应用于制程之潜在失效模式分析，从此针对分析对象之不同，将FMEA分成”设计FMEA”与制程FMEA”，并开始要求零件供货商分析其零件之设计与制程。在各个汽车厂都要求其零件供货商按照其规定之表格与程序进行FMEA的情况下，由于各公司的规定不同，造成零件供货商按照其规定之表格与程序进行FMEA的情况下，由于各公司的规定不同，造成件供货商额外的负担，为改善此一现象，福特(Ford)、克莱斯勒(Chrysler)、与通用汽车(General Motor)等三家公司在美国品管学会(ASQC)与汽车工业行动组(AIAG)的赞助下，整合各汽车公司之规定与表格，在1993年完成『潜在失效模式与效应分析(FMEA)参考手册』，确立了FMEA在汽车工业的必要性，并统一其分析程序与表格，此参考手册在1995年完成修定二版，并成为SAE正式技术文件SAEJ-1739。 目前FMEA已经广泛应用在航空、航天、电子、机械、电力、造船和交通运输等工业，根据对美国国防部所属的112个单位进行的调查显示，有87个单位认为FMEA是一种有效的可靠度分析技术，值得推广。 FMEA做为设计工具以及在决策过程中的有效性决定于设计初期对于问题的信息是否有效地传达沟通，或许FMEA给人最大的批评在于其对设计之改进效益有限，其最主要原因为执行的时机不对，以及单独作业，在设计过程中没有适当的输入FMEA信息，掌握时机或许是执行FMEA是否有效的最重要因素。FMEA的目的为确认在系统设计中的所有失效模式，其第一要务为及早确认系统设计中所有的致命性(Catastrophic)与关键性(Critical)失效发生的可能性，以便尽早开始进行系统高层次之FMEA，当获得更多数据后，再扩展分析到低层次硬品。 本教材乃针对设计FMEA相关技术做一探究。 将FMEA技术应用于制造／组装程序之分析称为”制程FMEA”，亦即在设计制造程序时，

模具失效的原因及预防措施

模具生产过程中失效的原因及预防措施 1 前言 模具在生产应用过程中，经常发生各种不同情况的失效，浪费大量的人力、物力，影响了生产进度。以下主要讲述模具的几种基本失效形式及失效的原因以及预防措施。 2 模具失效 冷热模具在服役中失效的基本形式可分为：塑性变形；磨损；疲劳；断裂。 (1)塑性变形。 塑性变形即承受负荷大于屈服强度而产生的变形。如凹模出现型腔塌陷、型孔扩大、棱角倒塌陷以及凸模出现镦粗、纵向弯曲等。尤其热作模具，其工作表面与高温材料接触，使型腔表面温度往往超过热作模具钢的回火温度，型槽内壁由于软化而被压塌或压堆。低淬透性的钢种用作冷镦模时，模具在淬火加热后，对内孔进行喷水冷却产生一个硬化层。模具在使用时，如冷镦力过大，硬化层下面的基底抗压屈服强度不高，模具孔腔便被压塌。模具钢的屈服强度一般随碳(c)的含量从某些合金元素的增多而升高，在硬度相同的情况下，不同化学成分的钢具有的抗压强度不同，当钢硬度为63HRC时，下列4种钢的抗屈服强度由高到低依次顺序为：W18Cr4V>Cr12>Cr6WV>5CrNiW。 (2)磨损失效。 磨损失效是指刃门钝化、棱角变圆、平面下陷、表面沟痕、剥落粘膜(在摩擦中模具工作表而粘了些坯料金属)。另外，凸模在工作中，由于润滑剂燃烧后转化为高压气体，对凸模表面进行剧烈冲刷，形成气蚀。 冷冲时，如果负荷不大，磨损类型主要为氧化，磨损也可为某种程度的咬合磨损，当刃口部分变钝或冲压负荷较大时，咬合磨损的情况会变得严重，而使磨损加快，模具钢的耐磨性不仅取决于其硬度，还决定于碳化物的性质、大小、分布和数量，在模具钢中，目前高速钢和高铬钢的耐磨性较高。但在钢中存在有严重的碳化物偏析或大颗粒的碳化物情况下，这些碳化物易剥落，而引起磨粒磨损，使磨损加快。较轻冷作模具钢(薄板冲裁、拉伸、弯曲等)的冲击，载荷不大，主要为静磨损。在静磨损条件下，模具钢的含碳量多，耐磨性就大。在冲击磨损条件下(如冷镦、冷挤、热锻等)，模具钢中过多的碳化物无助于提高耐磨性，反而因冲击磨粒磨损，而降低耐磨性。 研究表明，在冲击磨粒磨损条件下，模具钢含碳量以O.6％为上限，冷镦模在冲击载荷条件下工作，如模具钢中碳化物过多，容易固冲击磨损而山现表面剥落。这些剥落的硬粒子将成为磨粒，加快磨损速度。热作模具的型腔表面，由于高温软化而使耐磨性降低，此外，氧化铁皮也起到磨料的作用，同时还有高温氧化腐蚀作用。 (3)疲劳失效。 疲劳失效的特征：模具某些部位经过一定的服役期，萌生了细小的裂纹，并逐渐向纵深扩展，扩展到一定尺寸时，严重削弱模具的承载能力而引起断裂。疲劳裂纹萌生于应力较大部位，特别是应力集中部位(尺寸过渡、缺口、刀痕、磨损裂纹等处)，疲劳断裂时断门分两部分，一部分为疲劳裂纹发展形成的疲劳处破裂断面，呈现贝壳状，疲劳源位于贝壳顶点。另一部分为突然断裂，呈现不平整粗糙断面。 使模具发生疲劳损伤的根本原因为特环载荷，凡可促使表面拉应力增大的因素均能加速疲劳裂纹的萌生。 冷作模具在高硬状态下工作时，模具钢具有很高的屈服强度和很低的断裂韧性。高的屈服强度有利于推迟疲劳裂纹的产生，但低的断裂韧性使疲劳裂纹的扩展速率加快和临界长度减小，使疲劳裂纹扩展循环数大大缩短，因此，冷作模具疲劳寿命主要取决于疲劳裂纹萌生时间。

压铸模具的失效分析

压铸模具的失效分析 随着铝合金压铸模具技术的日趋成熟，锌、铝、镁合金压铸越来越广泛应用于汽车、摩托车、柴油机、电子设备、家用电器等工业及民用产品配件的生产。然而，压铸模具的早期失效一直是困扰模具生产和使 用者的普遍问题，那么，该如何提高模具的使用寿命 呢？ 一、压铸模具的失效 压铸模的使用时急热急冷，条件极为恶劣。以铝压铸模为例，铝的熔点为580-740℃，使用时，铝液温度控制在650-720℃。在铝液注射时，型腔表面温度急剧上升，型腔表面承受极大的压应力。开模顶件、喷涂脱模亮剂时，型腔表面温度急剧下降承受极大的拉应力。由于交变温度影响模具型面压缩、拉伸的交变应力的反复作用从而使模具金属因热疲劳而产生龟裂缺陷。 开裂是由于模具的短时间的热应力或机械应力过载而引起的模具整体破损。模具的侵蚀主要分为三种： 1、腐蚀：金属熔液与铁互相扩散并形成金间化合物； 2、冲蚀：金属熔液在型腔中流动时所产生的热机械磨损； 3、粘著：金属熔液附着在模具型腔表面，顶出产品时带走型面表层金属。而压陷是因为模具强度不足或金属碎屑附着在模具型面，受到锁模力作用使模具产生的塑性变形。

。 二、影响压铸模具使用寿命的因素 1、钢材对模具寿命的影响 因压铸模具恶劣的使用环境，所以要求模具钢材必须具有优良的淬透性、良好的抗高温强度、高的耐磨性、好的韧度、好的抗热裂能力和高的耐熔损性能等。 ●化学成分 压铸模具钢的应用广泛和具有优良的特性主要由钢中的C、Cr、Mo、Si、V 等化学成分决定的。当然钢中杂质元素必须降低，有资料表明,当Rm在1550MPa 时，材料含硫量由0.03%降到0.003%，会使200℃左右时的冲击韧度提高约1-2倍。北美压铸学会（NADCA 207-2003）标准就规定:优级(premium)H13钢含硫量小于0.005%,而超级(superior) 的应小于0.003%S和0.015%P。 ●退火状态 均匀的球状珠光体 无晶界碳化物 ●钢材的纯净度 杂质是热龟裂发生的起源点

材料失效分析 教学大纲

《材料失效分析》教学大纲 制定依据：本大纲根据2014版本科人才培养方案制定。 课程编号：E0491144 学时数：48 学分数：3 适用专业：金属材料工程专业 先修课程：XXXX材料科学基础、现代材料检测技术、金属塑性成型原理等。 考核方式：考试 一、课程的性质和任务 性质：《材料失效分析》是金属材料工程专业的一门重要的专业课。当材料发生失效时，利用各种仪器和方法，从破损的形貌观察和破损成分分析，推断破损机制，并借此寻找原因。 任务：（1）掌握材料失效分析的基本概念；（２）掌握材料失效的基本形式；（3）了解材料失效分析的基本原理；（4）掌握分析实际材料失效的基本程序。 二、教学内容与要求 理论教学（44学时） 1、绪论（2学时） （1）本课程的性质和任务； （2）材料失效分析的相关概念； （3）典型的材料失效的案例分析。 2、机械零件失效形式及诊断（2学时） （1）材料失效形式的类型； （2）机械零件失效原因。 3、常见失效形式及特征和诊断（10学时） （1）常见失效形式：过量弹性变形失效、屈服失效、塑性断裂和脆性断裂失效、疲劳断裂失效、腐蚀失效和应力腐蚀失效、氢脆和腐蚀疲劳失效、磨损失效和蠕变失效基本概念； （2）失效形式产生的条件和发生的过程； （3）失效发生的原因和失效特征。 4、失效分析的思路与方法（2学时） （1）失效分析思路； （2）失效分析程序； （3）失效分析步骤方法。 5、裂纹与断口分析（4学时） （1）裂纹与断口的基本概念； （2）裂纹与断口的鉴别方法； （3）常见的几种断口的宏观与微观特征。

6、材料因素引起的失效（10学时） （1）材料因素引起失效的原因分析思路； （2）材料成分与失效的原因分析方法； （3）杂质元素偏聚与晶界脆化基本原理及其失效分析； （4）非金属夹杂物的形成及性质及其失效分析； （5）材料的显微组织特性及其失效分析。 7、疲劳破坏（4学时） （1）零件结构设计与材料失效的关系； （2）机械设计的内容。 （3）零件结构设计引起材料失效的原因、选材的思路和方法。 8、工艺因素引起的失效（10学时） （1）介绍工艺因素引起产品失效的分析思路； （2）介绍铸造缺陷、锻造缺陷、热处理缺陷、焊接缺陷、表面形变强化工艺、机械加工工艺及装配等影响因素； （3）分析各种工艺缺陷引起材料失效的原因。 实验（4学时） （一）实验目的 帮助学生进一步理解所学知识，加深对一般工程结构和机械零件失效分析的基础知识、基本方法和基本技能的掌握；能够利用所学的知识建立失效分析方法和思路（故障树）；熟悉判断失效零件裂纹源的方法；熟知各类断裂件的断口形貌及断裂机制，分析各种断裂类型、起裂点及断裂过程。 （二）基本要求 实验前学生应熟知与实验相关的课程知识，了解相关实验内容及目的。实验过程中学生应按照实验内容进行操作，严格按照仪器使用规程进行操作，严禁在不了解仪器性能及使用方法的情况下操作。注意安全。实验过程中，注意保护好断口，防止断口被污染或者腐蚀。描绘断口示意图必须用铅笔画在实验报告中。实验报告内容按要求撰写，内容齐全，文字通顺，绘图规范，格式统一。课后认真思考失效发生的过程。 （三）实验报告格式与内容 每个实验均应写实验报告。按统一格式，采用统一封面和报告纸。实验报告内容应包括实验名称、目的、内容和理论基础、实验设备（名称、规格及型号）及材料名称，实验步骤、实验结果、结果分析。任课教师对实验报告认真审阅，有错误或不妥之处要指明，最后要评定成绩，并签名、签日期。 1、失效分析基本方法的宏观分析方法（2学时） 通过实际失效件及其断口的宏观分析，掌握最初断裂件的判断、主裂纹（主断面）的判断方法，熟悉T型法、河流花样等方法，熟悉宏观断口上断裂源的判断。 2、失效实例分析（2学时） 轴、齿轮的失效分析。腐蚀构件的失效分析。磨损件的失效分析。可用于实例分析的构件有：柴油机曲轴断裂分析、扭力轴断裂分析、工、模具断裂分析、旋转弯曲轴件断裂分析、齿轮类零件失效分析、铸铁件开裂分析、有色金属件断裂分析、环境致脆断裂件分析、腐蚀、磨损件分析等。