模具失效形式机理：分析及预防措施

一、磨损失效

由于表面的相对运动，从接触表面逐渐失去物质的现象叫做磨损。模具与成型坯料接触，产生相对运动，造成磨损，使模具的尺寸发生变化或者改变了模具的表面状态使之不能服役，称为磨损失效。

模具成型的产品不同，工作状况不同，磨损情况不同。按磨损机理分为磨粒磨损、黏着磨损、疲劳磨损、气蚀和冲蚀磨损、腐蚀磨损、微动磨损。

1. 磨粒磨损

工件表面的硬突出物或外来硬质颗粒存在于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叫做磨粒磨损。主要特征为摩擦表面上有擦伤、划痕或形成犁皱的沟痕，磨损物为条状或切屑状，如图1-2 所示。

图1-2　表面沟槽微观形貌

（1）磨粒磨损的主要微观机理 有微观切削磨损机理、多次塑变磨损机理、疲劳磨损机理、微观断裂磨损机理。

①微观切削磨损机理。磨粒与工件和模具表面接触，作用在磨粒上的作用力可分为垂直于表面和平行于表面的两个分力，如图1-3 所示。垂直分力使磨粒压入金属表面，平行分力使磨粒与金属表面产生相对切向运动。第一阶段磨粒与材料表面作用力的垂直分力使磨粒压入金属表面，第二阶段平行分力使压入金属表面的磨粒与金属表面产生相对切向运动。两个阶段综合形成完整的磨粒磨损过程。

在模具成型产品时，通常模具比产品硬度高。磨粒首先被压入较软的产品内，在模具与产品相对运动时刮擦模具，从模具表面切下细小的碎片。当模具表面存在沟槽、凹坑时，磨粒不易从凹坑中出来或黏结在模具表面上随产品一起运动，磨粒将耕犁或犁皱产品，如图1-4 所示。

②多次塑变磨损机理。当磨粒的棱角不太尖锐时，磨粒使金属表面产生表面塑性变形，反复塑变使金属表面产生加工硬化，最终剥落形成磨屑。

③疲劳磨损机理。反复塑变使金属表面分离出磨屑，也有可能是因为材料表层的微观组织受磨粒作用应力超过材料的疲劳极限而产生。

④微观断裂磨损机理。脆性材料磨粒磨损会使横向裂纹互相交叉或扩散到材料表面，使材料脱落。

图1-3　微观切削磨损机理示意

图1-4　磨粒耕犁与犁皱

（2）影响磨粒磨损的主要因素 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；磨粒的棱角越尖锐、越呈多棱形，磨损量越大。

磨粒硬度H m与模具材料的硬度H 0之间的相对值对磨损有很大影响。当H m＜H 0时，如图1-5 中Ⅰ区，模具产生轻微磨损，磨损率小，曲线平缓上升；当H m = H 0时，如图1-5 中Ⅱ区，磨损呈软化状态，磨损率急剧增加，曲线上升很陡；当H m＞H 0时，如图1-5 中Ⅲ区，严重磨损状态，磨损量较大，曲线趋平。由此可见，要减少磨粒磨损，模具材料硬度H 0 应比磨粒的硬度H m 高。

随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。

工件厚度越大，磨粒越易嵌入工件，嵌入深度越深，对模具的磨损越小，如图1-6 所示。

图1-5　模具材料相对硬度与磨损量的关系

图1-6　工件厚度与磨粒尺寸相对比值对磨损的影响

（3）提高耐磨粒磨损的措施 有以下几点：

①表面耐磨处理。模具服役条件恶劣，承受一定的冲击载荷，模具的整体必须具有一定的韧性。而韧性并不能保证模具的耐磨性。因此，模具表面的耐磨处理，是在保证不破坏整体韧性的前提下，提高模具耐磨性。

②提高模具材料的硬度。通常，模具材料硬度越高，抗磨粒压入的能力越强，耐磨损性越好。

③采用防护措施。在模具工作过程中，需及时清理模具表面与毛坯上存在的磨粒，防止磨粒侵入，提高耐磨性。

2. 黏着磨损

工件与模具表面相对运动时，由于表面凹凸不平，接触点局部应力超过了材料的屈服强度发生黏合，黏合的节点发生剪切断裂而拽开，使模具表面材料转移到工件或者脱落的现象。其主要特征是模具表面有细的划痕或大小不等的结疤，摩擦副之间有金属转移，磨损产物多为片状或小颗粒。

微观上，模具表面凹凸不平。模具与工件表面实际接触面积只有名义上的0.01%～0.10% ，只有少数微观凸体的峰顶接触，峰点压力很大，足够引起塑性变形。并且，表面温度因摩擦发热很高，严重时甚至可使表面局部金属软化或熔化，因而破坏了表层的氧化膜和润滑膜，使新的金属材料暴露，造成了材料分子之间相互吸引、相互渗透、相互黏着和咬着的条件，于是它们就连接起来，这一过程一般只有几毫秒。随着相对运动的进行和接触部分温度急剧下降，峰顶相当于一次局部淬火，使黏着部分的材料强度增加，并形成淬火裂纹，最后造成撕裂和剥落。黏着磨损过程，如图1-7 所示。

①微凸体开始接触，在接触峰顶产生弹塑性变形；

②微凸体接触点产生黏着，形成黏结点；

③黏结点附近产生裂纹；

④黏结点在裂纹处被剪切，使微凸体分离；

⑤微凸体附近弹性恢复，完成一个黏着磨损过程。

按照磨损严重程度，黏着磨损可分为轻微黏着磨损和严重黏着磨损。

图1-7　黏着磨损微观模型

（1）轻微黏着磨损 黏结点强度低于模具和工件的强度时发生。接点的剪切损坏基本上发生在黏着面上，表面材料的转移十分轻微，如图1-8 所示。这种磨损只发生在工具与模具表面的氧化膜内，又称为氧化磨损。

（2）严重黏着磨损 当黏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。分为3 种情况：

①涂抹：黏结点强度介于模具和工件的强度之间。接点的剪切损坏发生在离黏着面不远的较软模具金属的浅层内，使软金属黏附并涂抹在较硬金属表面上，如图1-9 所示。

图1-8　轻微黏着磨损模型

图1-9　涂抹模型

②擦伤：黏结点强度高于模具和工件的强度。接点剪切损坏主要发生在较软金属的浅层内，有时硬金属表面也有擦痕。转移到硬表面上的黏结物又擦削较软表面，如图1-10所示。

图1-10　擦伤模型

图1-11　胶合（咬死）模型

③胶合（咬死）：当黏结点强度远远高于模具和工件的强度时发生。摩擦副之间黏着面积较大，不能相对运动。剪切发生在模具或工件较深的地方，如图1-11 所示。

（3）影响黏着磨损的因素 主要包括：

①材料性质。根据强度理论，脆性材料的破坏取决于正应力，塑性材料的破坏由切应力引起。表面接触中，最大正应力作用在表面，最大切应力出现在离表面一定深度。所以，脆性材料比塑性材料黏着倾向小，材料塑性越高，黏着磨损越严重。塑性材料接点的断裂发生在离表面较深处，磨损下来的颗粒较大；脆性材料接点破坏处离表面较浅，磨屑呈细片状。

相同金属或互溶性较大的材料组成的摩擦副，黏着效应较强，容易发生黏着磨损。异性金属或者互溶性较小的材料组成的摩擦副，不易产生黏着磨损。

从晶体结构来看，密排立方结构比面心立方结构的金属抗黏着磨损的性能好。从材料的相组织结构来看，多相金属比单相金属的抗黏着磨损能力高。

②表面压力。当平均压力小于材料硬度的1/3 时，磨损量与载荷成正比，且不大；当压力超过临界值时，磨损量急剧上升；当压力很大时，接触表面处于很高温度，黏结点不易冷却，剪切面多发生在接触面，磨损转向下降。随着表面压力由小增大，磨损形式即由氧化磨损转变为严重磨损，再转化为氧化磨损，如图1-12 所示。

③材料硬度。两材料硬度相近时，黏结点强度一般高于两金属材料，剪切会同时发生在两材料的较深的部位，磨损严重；两材料硬度相差较大时，剪切只发生在软金属的浅表层，磨损不大。

（4）提高耐黏着磨损性能的措施 主要措

施有：

图1-12　w（c）为0.52%的碳钢的磨损行为转变

负载：x 为10 N o 为100 N

①合理选用模具材料。选与工件互溶性小的材料，可减小亲和力，降低黏结的可能性。

②合理选用润滑剂和添加剂。润滑油膜可以防止金属表面直接接触，成倍地提高抗黏着磨损的能力。

③采用表面处理。采用多种表面热处理方法，改变摩擦表面的互溶性质和表层金属的组织结构，避免同类金属相互摩擦能降低黏着磨损。

3. 疲劳磨损

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，表层金属疲劳脱落的现象称为疲劳磨损。微观表面特征为磨损表面有裂纹、小坑（豆状、贝壳状或不规则形状）等，磨损产物为块状或饼状。

摩擦副为线、面接触，承受力和相对运动时，表面及亚表面不仅有多变的接触压力还有切应力，这些外力反复作用一定次数后，表面就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。当裂纹扩展到表面时或与纵向裂纹相交时，形成磨损剥落。

模具疲劳磨损的外载荷有机械载荷、热载荷，对应产生机械疲劳磨损、冷热疲劳磨损。

（1）影响疲劳磨损的因素 主要包括：

①材料冶金质量。钢材中的气体含量，非金属夹杂物的类型、大小、形状和分布状态，是影响疲劳磨损的重要因素，特别是脆性和带有棱角状的非金属夹杂物，破坏了基体的连续性，在循环应力的作用下，夹杂物的尖角部位产生应力集中，并由于塑性变形加工硬化而引起显微裂纹。

②材料的硬度。一般来讲，硬度增加，材料的抗疲劳能力增加，但过高的硬度有可能导致裂纹的扩展速度快，抗疲劳磨损的能力降低。

③表面粗糙度。粗糙度值越小，表面接触面积越大，接触应力变小，抗疲劳能力增强。

（2）提高耐疲劳磨损性能的措施 主要包括：

①合理选择润滑剂。润滑剂可避免模具与工件直接接触、均化接触应力、缓冲冲击、充填粗糙表面的低洼处，从而降低疲劳磨损。润滑剂黏度越高越好，固体润滑剂比液体润滑剂好。

②表面强化处理。采用喷丸、滚压等方法使模具工作表面金属受压缩产生塑性变形，并产生一定的宏观残余压缩应力，有利于提高抗疲劳磨损的能力。

4. 气蚀磨损和冲蚀磨掼(www.xing528.com)

（1）气蚀磨损 金属表面的气泡破裂，产生瞬间的冲击和高温，使模具表面形成微小麻点和凹坑的现象，叫做气蚀磨损，如图1-13 所示。

当模具表面与液体接触并相对运动时，在液体与模具接触处的局部压力比其蒸发压力低的情况下，形成气泡。溶解在液体中的气体也可能析出形成气泡。如果这些气泡流到高压区，当承受压力超过气泡内压力时，气泡便会破裂，瞬间产生极大的冲击力和高温，作用于模具局部表面。在这种气泡的形成和破裂的反复作用下，模具浅表面萌生疲劳裂纹，最后扩展至表面，局部金属脱离表面或气化，形成泡沫海绵状空穴。注塑模、压铸模易发生气蚀磨损。

图1-13　气蚀机制示意

（2）冲蚀磨损 液体和固体微小颗粒高速落到模具表面，反复冲击模具表面，使模具表面局部材料流失，形成麻点和凹坑的现象叫做冲蚀磨损，如图1-14 所示。

小滴液体高速（100 m/s）落到模具表面上，产生很高的应力，一般可以超过金属材料的屈服强度，甚至造成局部材料断裂。但速度不高的反复冲击会萌生疲劳裂纹，形成麻点和凹坑。

图1-14　冲蚀磨损机制示意

（3）提高抗气蚀磨损和冲蚀磨损的措施

①合理选择材料，若材料具有较好的抗疲劳性和抗腐蚀性，又有较高的强度和韧性，则抗气蚀和冲蚀磨损的性能就好。

②降低流体对模具表面的冲击速度，避免涡流，消除产生气蚀的条件。

图1-15　微动磨损机制示意

5. 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，再加上摩擦力机械作用，引起表层材料脱落的现象叫做腐蚀磨损，是腐蚀和磨损共同作用的结果。

腐蚀磨损常发生在高温或潮湿环境中，尤其在有酸、碱、盐等特殊条件下最易发生。其主要特征为磨损表面有化学反应膜或小麻点，但麻点比较光滑。磨损物为薄的碎片或粉末。典型工件如汽缸与活塞、船舶外壳、水力发电的水轮机叶片等。

微观机制分3 个阶段，第一阶段在摩擦面发生化学反应，形成反应产物；第二阶段反应产物在摩擦副的相对运动中被磨掉；第三阶段未反应表面暴露，重复第一阶段。

模具常见的腐蚀磨损有氧化腐蚀磨损和特殊介质腐蚀磨损。

（1）氧化磨损 在摩擦过程中，由于金属表层凸峰的塑性变形，促使原有的氧化膜破裂，新的材料暴露，于是又与氧结合形成脆而硬的氧化膜。新生成的氧化膜因摩擦作用而剥落，由此造成的磨损称为氧化磨损。模具服役时一般都会出现氧化磨损。

氧化磨损的速度与氧化膜的性质有关。若氧化物密度与原金属差不多，氧化膜能牢固地覆盖在金属表面上，磨损小；若氧化物密度比原金属密度大，氧化膜中易出现拉应力，使膜破裂或出现多孔疏松的膜；若氧化物的密度小于原金属的密度，随着氧化膜的生长，膜的体积不断膨胀，在膜内形成平行于表面的压应力和垂直于表面使膜脱离表面的拉应力，膜愈厚，内应力愈大，会使表面氧化膜形成裂纹或从表面脱落。如果氧化膜与金属基体膨胀系数不同，当表面温度发生变化时，也会因产生内应力而脱落。

（2）特殊介质腐蚀磨损 在摩擦力的作用下，金属表面与酸、碱、盐等特殊介质发生化学反应，形成化合物脱落的现象。

6. 微动磨损

模具工作过程中，在轴类零件与孔类零件装配的接触开始处产生轻微循环往复运动产生的磨损，如图1 -15 所示，兼有氧化磨损、磨粒磨损和黏着磨损的特征。

7. 磨损的交互作用

在模具的实际工作中，模具与工件（或坯料）相对运动时，摩擦磨损情况很复杂，磨损一般不只是以一种形式存在，往往是多种形式并存，并相互促进。图1-16 表示了模具磨损几种形式之间的关系。

图1-16　磨损的交互作用

模具与坯料表面产生黏着磨损后，部分材料脱落形成磨粒，进而产生磨粒磨损。磨粒磨损出现后，模具表面变得更粗糙，又进一步加重黏着磨损。

模具出现疲劳磨损后，出现磨损后的磨粒，造成磨粒磨损。磨粒磨损使得模具表面出现沟痕、粗化，加重了黏着磨损和疲劳磨损。

模具出现腐蚀磨损后，将产生磨粒磨损，进而产生黏着磨损和疲劳磨损。

二、断裂失效

模具在工作中出现较大裂纹或分离为两部分或数部分而丧失正常服役能力的现象，称为断裂失效。模具断裂表现为局部掉块和整个模具断裂成几大块，如图1-17 所示。

图1-17　断裂的常见表现形式

1. 断裂分类及其特征

断裂对模具来说是最严重的失效形式，它是各种因素产生的裂纹扩展的结果。根据不同的出发点，断裂有如下几种分类方法。

①按断裂性质分：塑性断裂、脆性断裂。

②按断裂路径分：沿晶断裂、穿晶断裂、混晶断裂。

③按断裂机理分：一次性断裂、疲劳断裂。

还有其他分类方法，见表1-2。

模具材料多为中、高强度钢，断裂的性质多为脆性断裂。本节将按第一种分类方法，讨论模具的脆性断裂。

脆性断裂是指断裂时不发生或发生较小的宏观塑性变形（小于2%～5%）的断裂。断裂前的变形量较小，没有明显的塑性变形，断裂过程中吸收能量小。脆性断裂一般发生在高强度或低延展性、低韧性的金属和合金上；低温、厚截面、高应变率（如冲击），或有缺陷、较好延展性的金属也会发生脆性断裂。脆性断裂包括一次性断裂和疲劳断裂。

表1-2　断裂分类及其特征

（1）一次性断裂 一次性断裂是指在承受很大变形力或在冲击载荷的作用下，裂纹产生并迅速扩展所造成的断裂。其断口为结晶状。

按裂纹扩展路径的走向，一次性脆性断裂可分为穿晶断裂和沿晶断裂两种类型。

①穿晶断裂。穿晶断裂是一种因拉应力作用而引起的解理断裂。所谓解理断裂是指沿特定晶面的断裂。解理断裂通常是宏观脆性断裂，裂纹发展十分迅速，常常造成零件或构件灾难性的总崩溃。当模具材料韧性差，存在表面缺陷和应力集中、承受高的冲击载荷时，易发生穿晶断裂。断口特征为河流花样，每条支流对应一个不同高度的相互平行的解理面之间的台阶。扩展过程中，众多台阶相互汇合，形成河流花样，如图1-18 所示。

图1-18　穿晶断裂断口特征

②沿晶断裂。裂纹沿晶界界面扩展造成的脆断，称为沿晶断裂。一般，晶界键合力高于晶内，只有晶界被弱化时才会产生沿晶断裂。造成晶界弱化的基本原因有3 个，一是晶界上有脆性沉淀相，AlN 粒子在钢的晶界面上的分布，奥氏体Ni-Cr 钢中形成的连续网状碳化物；二是晶界有使其弱化的夹杂物，钢中晶界上存在P、S、As、Sb、Sn 等元素；三是环境因素与晶界相互作用造成的晶界弱化或脆化。

沿晶脆性断裂断口宏观形貌有两类：一是晶粒特别粗大时，形成石块或冰糖状断口；二是晶粒较细时，形成结晶状断口。沿晶断裂的结晶状断口比解理断裂的结晶状断口反光能力稍差，颜色黯淡。

③预防措施。提高材料的纯净度，减少有害杂质元素的沿晶分布；严格控制热加工质量和环境温度，防止过热、过烧及高温氧化；减少晶界与环境因素间的交互作用；降低金属表面的残余拉应力，以防止局部3 向拉应力状态的产生。

（2）疲劳断裂 疲劳断裂是指模具在循环载荷下服役一段时间后，裂纹缓慢扩展后发生的断裂，其产生的条件为循环应力超出材料的疲劳极限。疲劳断口为

图1-19　疲劳断口示意

纤维状，分为3 个区，即粗糙区、光亮区和疲劳源，如图1-19 所示。

疲劳断裂的产生包括两个阶段，一是裂纹萌生，二是裂纹扩展。

①疲劳裂纹萌生。疲劳裂纹总是在应力最高、强度最弱的部位形成，模具的疲劳裂纹萌生于外表面、次表面，但裂纹产生方式各种各样。疲劳裂纹萌生的途径有3 种，一是表面不均匀变形萌生裂纹。模具在刀痕、磨损沟痕和尺寸过渡等处易产生应力集中，在载荷的作用下当这些地方的应力超过材料的屈服强度时，就会产生滑移。单调应力下出现的滑移带分布均匀密集，而在循环应力的作用下，滑移带分布极不均匀，且粗大。由于滑移，模具表面形成挤出峰和挤入槽，在峰槽相交处，形成疲劳裂纹的源，在循环应力的连续作用下形成显微裂纹。二是沿晶界萌生裂纹。在高温下，金属晶界强度常常低于晶内强度，在循环应力作用下，滑移带晶界上引起的应变不断增加，在晶界造成位错塞积，促使应力集中，当晶界处应力峰值达到断裂强度时，晶界开裂并形成微裂纹，材料的晶粒尺寸越大，晶内可能形成的位错塞积越长，晶界上的应变量越大，越容易形成疲劳裂纹。三是沿夹杂和第二相微裂纹萌生。模具材料内不可避免存在非金属夹杂物。此外，为了强化金属材料，常常采用第二相。在循环应力作用下，夹杂物与基体之间一边的界面首先发生脱开，在一边界面脱开扩展的同时，另一边的界面也脱开，随后在基体中表面缺陷成核，形成疲劳裂纹。如果夹杂物与基体连接紧密，且易同时参与变形，则不易在界面形成裂纹。硬度高于基体的夹杂物、粗大质点的夹杂物，容易在夹杂物与基体界面上萌生裂纹。

②疲劳裂纹扩展。疲劳裂纹扩展分为两个阶段，如图1 -20 所示。第一阶段，裂纹萌生后，在循环载荷的作用下，沿滑移带的主滑移面向模具金属内部扩展，此滑移面的取向与拉应力轴呈45°，当裂纹遇到晶界时，其位向会稍有偏移，但就总的走向来说，仍保持与拉应力轴呈45°。第一阶段的扩展很浅，一般几微米到100 μm 左右。第二阶段，也是稳定扩展阶段，当裂纹扩展遇到障碍（如晶界夹杂），就转向朝垂直于拉应力轴的方向扩展。

2. 影响断裂失效的主要因素

模具的断裂由裂纹萌生及裂纹扩展两个过程产生，能影响这两个过程的因素，也是影响断裂失效的因素。

①模具表面形状。通常，模具零件存在截面突变凹槽、圆角半径及尖角。这些部位易产生应力集中，形成裂纹并导致断裂。适当增大圆角半径，减小凹模深度及截面突变，避免尖角，降低应力集中，减少断裂失效。

图1-20　疲劳裂纹扩展的两个阶段

②模具材料。模具材料的冶金质量及加工质量对断裂失效影响较大，减少夹杂物能减少断裂失效。模具材料的断裂韧性高，能有效防止裂纹的产生及降低裂纹的扩展速度，从而减少断裂失效。

改善材料形状结构、减少表面缺陷、提高表面光洁度、表面强化等可提高材料疲劳抗力。

三、塑性变形失效及多种失效形式的交互作用

1. 过量弹性变形失效

模具使用过程中，产生的弹性变形量超过模具匹配所允许的数值，使得成型的工件尺寸或形状精度不能满足要求而不能服役的现象。

2. 过量塑性变形失效

模具在使用过程中，由于发生塑性变形而改变几何形状或尺寸，因而不能通过修复继续服役的现象。塑性变形的失效形式表现为塌陷、弯曲、镦粗等，如图1-21 所示。

图1-21　模具塑性变形的失效形式

塑性变形的失效机理为，模具在服役时，承受很大的应力，而且一般不均匀。当模具的某个部位所受的应力超过了当时温度下模具材料的屈服强度，就会产生滑移、孪晶、晶界滑移等，进而产生塑性变形，造成模具失效。

在室温下工作的模具的塑性变形，是模具金属材料在室温下的屈服。塑性变形主要由机械负荷及模具的室温强度决定。在高温下服役的模具，其屈服过程在较高温度下进行，是否产生塑性变形，主要取决于模具的工作温度和模具材料的高温强度。

3. 多种失效形式的交互作用

实际工作中，模具的服役条件非常复杂恶劣，一副模具在使用过程中可能出现多种损伤形式，这些损伤相互促进，最后以一种形式失效。

（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，就会产生断裂。模具局部磨损后，会带来承载能力的下降以及偏载，造成另一部分承受过大的应力而产生塑性变形。

（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，进而促进磨损失效；同时，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。