模具材料的力学性能分析

模具材料的力学性能是零件设计和选材时的主要依据。外加载荷性质不同（例如拉伸、压缩、扭转、冲击、循环载荷等），对金属材料要求的力学性能也会不同。常规的力学性能指标包括：强度、塑性、弹性、刚度、硬度、冲击韧度、多次冲击抗力和疲劳极限等。

（1）强度 强度是指钢在服役过程中，抵抗变形和断裂的能力。对于模具来说则是整个成型面或各个部位在服役过程中抵抗拉伸力、压缩力、弯曲力、扭转力或综合力的能力。所以强度也分为抗拉强度、抗压强度、抗弯强度、抗剪强度等。各种强度之间具有一定的联系，模具在使用中一般以抗拉强度作为最基本的强度指标。

对于模具钢，特别是含碳量高的冷作模具钢，因为塑性很差，一般不用抗拉强度而是以抗弯强度作为实用指标。弯曲试验产生的应力状态与许多模具工作表面产生的应力状态极相似，能比较精确地反映出材料的成分及组织因素对性能的影响。抗弯试验甚至对极脆的材料也能反映出一定的塑性。

在力-伸长曲线图上有一个特殊点，当拉力到达这一点时，试棒在拉力不增加或有所下降情况下发生明显伸长变形，这种现象称为屈服。这时的应力称为这种材料的屈服点。而当外力去除后不能恢复并被保留下来的这部分变形，称为塑性变形。屈服点是衡量模具钢塑性变形抗力的指标，也是最常用的强度指标。模具材料要求具有高的屈服强度，模具产生塑性变形，就意味着失效。

（2）硬度 硬度是指金属表面局部体积内抵抗外物压入而引起的塑性变形的抗力。硬度值越高表明金属抵抗塑性变形的能力越强，金属产生塑性变形越困难。钢的硬度是模具钢的主要技术指标，为了保持模具形状尺寸稳定不变，模具在高应力的作用时，必须具有足够高的硬度。冷作模具钢一般应将硬度保持在60HRC左右，热作模具钢根据其工作条件，一般要求硬度保持在40～55HRC。对于同一钢种而言，在一定的硬度值范围，硬度与变形抗力成正比；但具有同一硬度值而成分及组织不同的钢种之间，其塑性变形抗力可能有明显的差别。

钢的硬度与化学成分和金相组织具有密切关系，通过热处理，可以获得很宽的硬度变化范围。模具钢的硬度主要取决于马氏体中溶解的含碳量或含氮量。如新型模具钢012Al和CG-2采用低温回火处理后硬度为60～62HRC，采用高温回火处理后硬度为50～52HRC，因此，可用来制作硬度要求不同的冷作或热作模具。

硬度试验方法简单易行，又无损于工件。实际常使用的硬度试验方法有：布氏硬度、洛氏硬度和维氏硬度三种。三种硬度试验值有大致的换算关系。

1）布氏硬度（HBW）。布氏硬度是用载荷为F的力把直径D的钢球压入金属表面，并保持一定的时间，测量金属表面上的压痕直径d，据此计算出压痕面积A_B，求出每单位面积所受力，用作金属的硬度值，称为布氏硬度。布氏硬度的使用上限是650HBW，适用于测定退火、正火、调质钢、铸铁及非铁金属的硬度。

2）洛氏硬度（HRA、HRC）。洛氏硬度是模具生产中最常用的硬度测量方法，因为操作简便、迅速，可以直接读出硬度值，不损伤工件表面，可测量的硬度范围较宽。但洛氏硬度也有一些缺点，如因压痕小，对材料有偏析及组织不均匀的情况，测量结果分离度大，再现性较差。洛氏硬度（HR）也是用压痕的方式试验硬度。它是用测量凹陷深度来表示硬度值。洛氏硬度试验用的压头分硬质和软质两种。硬质压头是顶角为120°的金刚石圆锥体，适用于淬火钢等硬的材料。HRA硬度有效范围是>70HRA，适用于硬质合金、表面淬火层及渗碳层；HRC硬度有效范围是20～68HRC（相当于230～700HBW、650～700HBW超出了布氏硬度的使用上限），适用于淬火钢及调质钢。

3）洛氏硬度（HRB）。洛氏硬度（HRB）的测量采用直径1.588mm（1/16in）的钢球，适用于退火钢、非铁金属等，硬度有效范围是25～100HRB（相当于60～230HBW）。

4）维氏硬度（HV）。维氏硬度也是利用压痕面积上单位应力作为硬度值计量。维氏硬度所使用的压头是锥面夹角为136°的金刚石四方锥体。试验时，在载荷F的作用下，在试样试验面上压出一个正方形压痕。测量压痕两对角线的平均长度d，借以计算压痕面积A_V，以F/A_V的数值表示试样的硬度。维氏硬度有一个连续一致的标度；试验载荷可任意选择，所得的硬度值相同。试验时加载的压力小，压入深度浅，对工件损伤小。特别适用于测量工件的表面淬硬层及经过表面化学处理的硬度，并且比布氏、洛氏硬度测量精确。但是维氏硬度的试验操作较麻烦，一般多用于实验室及科研方面，在生产上尽量少使用。

（3）耐磨性 模具在工作时，表面往往与工件产生多次反复强烈摩擦，这样便要求制作模具的材料能承受机械磨损，即使在承受重载荷和高速摩擦时，也不至于和加工工件的表面之间产生粘附、焊合，致使工件表面擦伤，使模具仍能保持其尺寸精度和表面粗糙度。

决定模具使用寿命最重要的因素往往是模具材料的耐磨性。模具在工作中承受相当大的压应力和摩擦力，要求模具能够在强烈摩擦状况下仍保持其尺寸精度。为了改善模具钢的耐磨性，就要既保持模具钢具有高的硬度，又要保证钢中碳化物或其他硬化相的组成、形态和分布比较合理。对于重载、高速磨损条件下服役的模具，要求模具钢表面既能形成薄而致密粘附性好的氧化膜，保持润滑作用，减少模具和工件之间产生粘咬、焊合等熔融磨损，又能减少模具表面由于氧化造成氧化磨损。

耐磨性可采用模拟的试验方法，测出相对的耐磨指数c，作为表征不同化学成分及组织状态下的耐磨性水平的参数。以呈现规定毛刺高度前的寿命，反映各种钢的耐磨水平；试验是以Cr12MoV钢为基准（c=1）进行对比，反映模具钢在磨粒磨损条件下的耐磨性水平。

冷作模具的常见磨损形式包括磨粒磨损、粘着磨损、腐蚀磨损与疲劳磨损。

（4）热硬性 在高温状态下工作的热作模具，要求保持其组织和性能的稳定性，从而保持足够高的硬度，这种性能称为热硬性。热硬性反映了材料保持其硬度和组织稳定性，抵抗软化的能力，是热作模具钢和部分重载荷冷作模具钢的重要性能指标。碳素工具钢、低合金工具钢通常能在180～250℃的温度范围内保持该性能，铬钼热作模具钢一般在550～600℃的温度范围内保持这种性能。钢的热硬性主要取决于钢的化学成分和所采取的热处理工艺。

（5）塑性 淬硬后模具钢的塑性较差，尤其是冷变形模具钢，在很小的塑性变形时即发生脆断。衡量模具钢塑性好坏，通常采用断后伸长率和断面收缩率两个指标表示。

断后伸长率是指拉伸试样拉断以后长度增加的相对百分数，以δ表示。断后伸长率δ数值越大，表明钢材塑性越好。热模钢的塑性明显高于冷模钢。(www.xing528.com)

断面收缩率是指拉伸试棒经拉伸变形和拉断以后，断裂部分截面的缩小量与原始截面之比，以ψ表示。塑性材料拉断以后有明显的缩颈，所以ψ值较大。而脆性材料拉断后，截面几乎没有缩小，即没有缩颈产生，ψ值很小，说明塑性很差。

（6）韧性 韧性是模具钢的一个重要性能指标，韧性决定了材料在冲击试验力作用下对破裂的抗断能力。材料的韧性越高，脆断的危险性越小，热疲劳强度也越高。对于衡量模具脆断倾向，冲击韧度试验具有重要意义。

模具钢的化学成分、晶粒度、纯净度、碳化物和夹杂物等的数量、形态、尺寸大小及分布情况，以及模具钢的热处理制度和热处理后得到的金相组织等因素，都对钢的韧性带来很大的影响。特别是钢的纯净度和热加工变形情况对于其横向韧性的影响更为明显，钢的韧性、强度和耐磨性往往是相互矛盾的，通过合理地选择钢的化学成分并且采用合理的精炼、热加工和热处理工艺，可以使模具材料的耐磨性、强度和韧性达到最佳的配合。

冲击韧度是指冲击试样缺口处截面积上的冲击吸收功，而冲击吸收功是指规定形状和尺寸的试样在冲击试验力一次作用下折断时所吸收的功。冲击试验有夏比U形缺口冲击试验（试样开成U形缺口）、夏比V形缺口冲击试验（试样开成V形缺口）以及艾式冲击试验。

影响冲击韧度的因素很多，不同材质的模具钢冲击韧度相差很大，即使同一种材料，因组织状态不同、晶粒大小不同、内应力状态不同冲击韧度也不相同。通常是晶粒越粗大，碳化物偏析越严重（带状、网状等），马氏体组织越粗大等都会促使钢材变脆。一般情况是温度越高冲击韧度值越高，而有的钢常温下韧性很好，当温度下降到-20～-40℃时会变成脆性钢。

由于很多模具是在不同工作条件下疲劳断裂的，常规的冲击韧度不能全面地反映模具钢的断裂性能，因而，小能量多次冲击断裂功或多次断裂寿命和疲劳寿命等试验技术正在被采用。

（7）热稳定性 热稳定性表示钢在受热过程中保持金相组织和性能的稳定能力。通常，钢的热稳定性用回火保温4h，硬度降到45HRC时的最高加热温度表示。这种方法与材料的原始硬度有关。在有些资料中，将达到预定强度级别的钢加热，保温2h，使硬度降到一般热锻模失效硬度35HRC的最高加热温度定为该钢稳定性指标。对于因耐热性不足而堆积塌陷失效的热作模具，可以根据热稳定性预测模具的寿命水平。

（8）抗热疲劳能力 热作模具钢在服役条件下除了承受载荷的周期性变化之外，还受到高温及周期性的急冷急热的作用，因此，评价热作模具钢的断裂抗力应重视材料的热机械疲劳断裂性能。热机械疲劳是一种综合性能的指标，它包括热疲劳性能、机械疲劳裂纹扩展速率和断裂韧度三个方面。

热疲劳性能反映材料在热疲劳裂纹萌生之前的工作寿命，抗热疲劳性能高的材料，萌生热疲劳裂纹的热循环次数较多；机械疲劳裂纹扩展速率反映材料在热疲劳裂纹萌生之后，在锻压力的作用下裂纹向内部扩展时，每一应力循环的扩展量；断裂韧度反映材料对已存在的裂纹发生失稳扩展的抗力。断裂韧度高的材料，其裂纹如要发生失稳扩展，必须在裂纹尖端具有足够高的应力强度因子，也就是必须有较大的裂纹长度。在应力恒定的前提下，在一种模具中已经存在一条疲劳裂纹，如果模具材料的断裂韧度值较高，则裂纹必须扩展得更深，才能发生失稳扩展。

因此，抗热疲劳性能决定了疲劳裂纹萌生前的那部分寿命；而裂纹扩展速率和断裂韧度，可以决定当裂纹萌生后发生亚临界扩展的那部分寿命。因此，热作模具如要获得高的寿命，模具材料应具备高的抗热疲劳性能、低的裂纹扩展速率和高的断裂韧度值。

抗热疲劳性能的指标既可以用萌生热疲劳裂纹的热循环次数表示，也可以用经过一定的热循环后所出现的疲劳裂纹的条数及平均的深度或长度来衡量。

（9）高温磨损与抗氧化性能 高温磨损是热作模具主要失效形式之一，正常情况下，绝大多数锤锻模及压力机模具都因磨损而失效。抗热磨损是对热作模具使用性能的要求，是多种高温力学性能的综合体现。现在国内已有单位在自制的热磨损机上进行模具热磨损试验，收到较理想的试验效果。

实践表明，模具材料抗氧化性能的优劣，对模具使用寿命影响很大。因氧化会加剧模具工作过程中的磨损，导致模具型腔尺寸超差而报废。氧化还会使模具表面产生腐蚀沟，成为热疲劳裂纹起源，加剧模具热疲劳裂纹的萌生与扩展。因此，要求模具具备一定的抗氧化性能。

（10）断裂抗力 除常规力学性能，如冲击韧度、抗压强度、抗弯强度等一次性断裂抗力指标外，小能量多次冲击断裂抗力更符合冷作模具实际使用状态性能，作为模具材料性能指标还包括抗压疲劳强度、接触疲劳强度等。这种疲劳断裂抗力指标是由在一定循环应力下测得的断裂循环次数，或在一定循环次数下导致断裂的载荷来表征的。

（11）抗咬合能力 咬合抗力实际就是发生“冷焊”时的抵抗力。该性能对于模具材料较为重要。试验时通常在干摩擦条件下，把被试验的模具钢试样与具有咬合倾向的材料（如奥氏体钢）进行恒速对偶摩擦运动，以一定的速度逐渐增大载荷，此时，转矩也相应增大，该载荷称为“咬合临界载荷”，临界载荷越高，标志着咬合抗力越强。

（12）抗软化能力 抗软化能力表征了模具在承载时，因钢的温度升高对硬度、耐磨性的抵抗能力。

（13）抗压屈服强度和抗压弯曲强度 模具在使用过程中经常受到强度较高的压力和弯曲力的作用，因此要求模具材料应具有一定的抗压强度和抗弯强度。在很多情况下，进行抗压试验和抗弯试验的条件接近于模具的实际工作条件，例如：所测得的模具钢的抗压屈服强度与冲头工作时所表现出来的变形抗力较为吻合。抗弯试验的优点是应变量的绝对值大，能较灵敏地反映出不同钢种之间以及在不同热处理和组织状态下变形抗力的差别。