材料性能要求与断裂失效关系探讨

模具断裂失效是模具的工作应力超过了模具材料的相应性能要求。模具承受的载荷或应力不同，对模具材料的性能要求也不同。

1. 一次断裂（快速断裂）对材料的性能要求

模具的快速断裂可分为脆性断裂和塑性断裂，在多种工作条件下都有可能发生，如静载荷或冲击载荷、高温或室温、表面光滑或有缺口或有裂纹、有腐蚀介质或无腐蚀介质等。模具的工作条件不同、快速断裂方式不同，对材料性能要求不同。

根据断裂面对应力的取向，将快速断裂分为正断和切断。断口的宏观表面平行于最大正应力或最大正应变方向的断裂，称为正断；断口的宏观表面平行于最大切应力方向的断裂称为切断。材料抵抗正断的能力叫做正断抗力，可以用Sk 表示；材料抵抗切断的能力叫做切断抗力，可以用Tk表示。材料抵抗塑性变形的能力，实质上是剪切屈服强度，可以用Ts 表示。在外载荷的作用下，模具危险点处的最大切应力用Tmax表示，最大正应力用σmax表示，并且随着外载荷的增加，也成比例地增加。那么，材料的断裂有下列3 种情况。

①当载荷增大，使得σmax ＞Sk，而自始至终Tmax ＜Ts 时，材料发生正断，断裂前无塑性变形，是脆性断裂。

②当载荷增大，先使Tmax ＞Ts，继而使Tmax ＞Tk，而自始至终σmax ＜Sk 时，材料先发生塑性变形，继而发生切断，是韧性断裂。

③当载荷增大，先使Tmax ＞Ts，继而使σmax ＞Sk，然而Tmax ＜Tk 时，材料先发生塑性变形，继而发生正断，这种正断是韧性断裂。

（1）脆性断裂对材料的性能要求 脆性断裂一般在应力较低的情况下突然发生，又称低应力脆断，事先没有明显的征兆，危害性最大。模具一般发生脆性断裂时，同时造成灾难性的破坏。脆性断裂对材料的性能要求如下：

①材料的性质和健全度。在单独增加载荷的作用下，材料还没有发生宏观的塑性变形就发生了正断，这种断裂就是脆性断裂。因而，当材料的正断抗力Sk 低而剪切屈服强度Ts高时，脆性断裂发生的倾向大；相反，则不易发生脆性断裂。

②应力状态的软性系数α。一般情况下，只有切应力才可能使金属材料产生塑性变形，而拉成力增大时则易使材料脆性断裂。根据应力状态理论和强度理论，求出受载模具任一危险点上的最大正应力σmax和最大切应力Tmax。因此，σmax和Tmax的相对大小α（α=σmax/Tmax，叫做应力状态的软性系数）体现使材料发生韧性断裂或脆性断裂的倾向性。α值越大，表示应力状态越软，使材料发生韧性断裂的倾向越大；反之，应力状态就越硬，使材料倾向于脆性断裂。

在单向压缩（α= 2），尤其是有侧压的情况（即3 向不等压缩）下，材料易于发生塑性变形。扭转（α= 0.8）时的脆性断裂倾向较小；单向拉伸（α= 0.5）次之；在材料承受3向不等拉伸时，发生脆性断裂的可能性最大。

在材料的各种缺陷部位、表面缺口处等，都会产生应力集中，并造成3 向不等拉伸使材料处于硬性应力状态，因而增大了脆性破坏的可能性。

③材料的冷脆。体心立方晶格的金属材料在工作温度降低过程中，存在一个韧脆转变温度，这时，材料处于脆性状态，在断裂以前不会产生塑性变形，产生低温脆性，称为冷脆现象。面心立方晶格的金属材料一般无冷脆现象。

（2）对无裂纹材料的性能要求 对于中、小截面尺寸的中、低强度材料，一般可以认为是均匀连续的，没有宏观裂纹存在，即使有微小裂纹，对断裂过程也不产生重要影响。这类材料只要合理选择材料的常规力学性能指标，并满足模具的工作要求即可。

模具在静载荷或冲击载荷的作用下，断裂失效的主要原因是材料的强度不足，同时与塑性和韧性有关。为了防止脆性断裂，必须根据模具的工作条件，尤其是危险截面处的应力状态，提出关于材料的强度和塑性、韧性的合理选用要求，并由此指导选材。实际上，材料的强度和塑性、韧性之间往往是相互矛盾的，如淬火回火的模具钢随着回火温度的变化，其强度和塑性、韧性的变化趋势相反。为了提高塑性、韧性，就得降低一部分强度。因而合理的强度、塑性、韧性配合，要根据经验，由模具的工作条件、结构特点等来决定。一般情况下，随着过载水平的降低、应力状态的变软、截面尺寸的减小、应力集中的缓和，材料抵抗断裂的性能要求为高强度；反之，则要求高塑性。显然，要求很高强度和很高韧性的模具只有采用昂贵的材料和复杂的强化工艺才能满足。

凸模在工作过程中主要承受压缩和弯曲载荷，所以凸模的材料性能要求是较高的抗压强度和抗弯强度。整体式成型凹模还受切向拉应力作用，其模具材料还要求有较高的抗拉强度。为了防止脆性断裂，除了上述的强度要求，材料还应具有一定的塑性和韧性。一般情况下，强度相同的材料，塑性和韧性越高，越不容易断裂。塑性低的模具材料，常采用弯曲试验测定的抗弯强度和挠度作为断裂的性能指标，抗弯强度和挠度越大，越不容易断裂。(www.xing528.com)

冲击韧度αk 值也是模具材料抵抗断裂的重要性能要求，不仅反映了材料断裂过程中吸收能量的大小，也包含了加载速度和缺口应力集中对材料抵抗断裂的影响。尤其对承受较大冲击载荷的模具，αk 值是定性地评价材料抵抗脆性断裂的性能要求。

（3）对含裂纹材料的性能要求 当材料内部已有裂纹存在时，抵抗快速断裂的能力取决于裂纹尖端附近的应力场强度和材料的断裂韧度。快速断裂往往是材料中宏观裂纹的快速扩展造成的，裂纹可能是在使用过程中形成的，可能是材料的冶金缺陷引起的，也可能在加工过程中产生。

模具材料的强度很高或模具的截面尺寸很大时，发生裂纹失稳扩展快速断裂的倾向较大。因为截面尺寸大，可能包含的裂纹缺陷就多，而且易造成硬性的平面应变状态，材料的塑性不能发挥作用，裂纹前沿的应力场强度大；材料的强度高，其塑性和断裂韧度往往较低，较小的裂纹尺寸就能导致快速断裂。因此，在这两种情况下，模具材料的性能要求还包括一定的断裂韧度。

（4）应力+腐蚀断裂对材料的性能要求 某些模具在工作中会和腐蚀介质接触，在拉应力和腐蚀介质的共同作用下，经过一段时间后可能会发生断裂。

金属材料仅在某些特定的腐蚀介质中才发生应力腐蚀断裂。对奥氏体不锈钢，其特定的腐蚀介质为氯化物溶液、H2 溶液、NaOH 溶液等；对马氏体不锈钢，为氯化物、工业大气、酸性硫化物等；对黄铜，为氨溶液等；对高强度钢，为氯化物溶液或水。

2. 疲劳断裂对材料的性能要求

通常情况下，模具是周期性重复工作的，其载荷是随时间而变化的变动载荷，模具承受循环应力的作用。

σb ≤1 300 MPa 的中低强度钢和铸铁材料，疲劳曲线出现水平线部分，当σmax低于一定值时，试样可以无限次运转而不发生断裂。这个一定的应力值，称作材料在对称循环应力作用下的疲劳极限或疲劳强度，记作σ-1。要减小疲劳断裂的倾向，就要求材料有较高的疲劳极限σ-1。

对钢，通常情况下，当其σb 低于某一值时，其疲劳极限σ-1 随σb 的提高而提高，并有以下经验关系：

① σb ≤1 300 MPa（硬度约小于40 HRC）的钢，σ-1 ≈0.5σb。

② σb ＞1 300 MPa 的钢，σ 1 不再与σb 保持线性关系，σ 1 ＜0.5σb 并且数值比较散乱。

③ σb ＞1 600 MPa（硬度约大于48 HRC）的高强度钢，塑性对疲劳强度显示较大作用，强度相同而塑性较高的钢，疲劳强度也高，经验公式为

式中，Ψ是材料的断面收缩率。

对于灰铸铁和球墨铸铁，σ 1 ≈0.5σb。

材料本身的化学成分、组织状态和内部缺陷，是影响材料疲劳强度的内因。在一定强度范围内，疲劳极限和抗拉强度关系较大，提高疲劳极限也可以用提高抗拉强度的合金化和热处理手段。对于高强钢，还需提高塑性才能继续提高疲劳极限。钢的合金化和热处理，本质上是通过改变钢的微观组织结构来提高疲劳强度。钢中的非金属夹杂物和锻造流线露头的地方，容易产生疲劳裂纹而降低疲劳强度。因此，需要较高疲劳强度的模具，需选用精炼的模具钢材并合理锻造。