提高破坏抗力的韧性（Toughness）

韧性是与硬度和强度相对的性能。例如，玻璃及陶瓷的硬度可达3000HV以上，虽然是极硬材料，但摔落后却极易破裂。模具不仅需要具有强硬性，还要具备抗开裂、抗崩角的韧性。作为模具材料，也要同时具备强硬性和韧性。

那么，什么是韧性呢？韧性可以说是应变能和强度（弹性强度）的组合。其中，应变能是指材料断裂之前可变形的能力，分为弹性应变能和塑性应变能^[17]。弹性强度是可抵抗永久变形的强度。对模具来说，如果只考察其达到破坏前的塑性应变能，那么当弹性强度较低时，即使有一定的应变能，模具也会出现软化塌陷，不耐用。

因此，弹性强度较高，不易软化塌陷，且断裂前变形量较大的材料可称为富有韧性。仅对塑性变形范围的应变能进行评价时称为延展性，相当于拉伸试验中的伸长率和断面收缩率等。

典型的测量韧性的方法是夏比冲击试验，即求出冲击载荷时的冲击吸收能量的方法。该试验方法的详细内容将在本书第6章进行介绍。简而言之，它是将带U型或V型缺口的试样，利用落下的摆锤冲击来求得试样断裂前吸收能量的方法。对经过淬火和回火的高硬度状态的工模具钢来说，U型及V型缺口的冲击韧度较低，难以进行比较，所以一般多用带有10mm圆角的C型缓和缺口试样进行试验。将冲击吸收能量除以断面横截面积得到的数值用J/cm²单位来表示，即为冲击韧度。

冲击韧度是试样断裂前所吸收的累积能量。如果把应变仪贴到摆锤上测量试样受打击时的应力—应变曲线，还可将缺口出现裂纹之前的吸收能量与裂纹扩展时的吸收能量分别进行考察。这种方法被称为计测式夏比冲击试验。对模具来说，测得裂纹发生前的吸收能量十分重要。对于高硬度的模具材料，在裂纹发生前的吸收能量所占比例较大，并与总的吸收能量成正比，所以可用通用试验得到的冲击韧度进行定性比较。高强度钢和低强度钢的夏比冲击试验的冲击吸收能量曲线如图3-11所示。高强度冷作模具钢的冲击吸收能量曲线如图3-11a所示，几乎都是裂纹发生之前所消耗的能量。而低强度热作模具钢的冲击吸收能量曲线则接近于图3-11b，扩展能量也增大。

图3-11 高强度钢和低强度钢的夏比冲击试验的冲击吸收能量曲线

高硬度高强度材料的断裂多为不产生塑性变形的脆性断裂。表示此脆性断裂的特性是断裂韧性（Fracture Toughness）^[18]。其试验方法如图3-12所示。

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图3-12 断裂韧性试验方法

先在紧凑拉伸（Compact Tension，CT）试样或三点弯曲试样上用交变载荷开出极为尖锐的预裂纹，然后用加载断裂时的载荷和裂纹长度求出应力扩大系数K来表示断裂韧度。K值可表示为

式中 σ——应力；

a——裂纹长度；

F——与形状和裂纹长度相关的形状修正系数。

断裂韧度与冲击韧度不同，其特点是能计算出引起脆性断裂的允许缺陷尺寸，可反映到实际的模具设计当中。尤其是存在缺口和裂纹时，可用来判断裂纹扩展的可能性。但该试验花费时间较长，而且冲击韧度与断裂韧度有着较好的对应性，所以可用冲击韧度来对韧性做定性评价。

压缩试验是通过测量破裂前的压缩量来得出应变能的。静态弯曲试验可代替拉伸试验，广泛用于硬质工具钢的性能测试。此外，静态扭转试验是适用于测量韧性的方法。这些方法均可通过在试验时得到应力—应变曲线来求出屈服强度、弹性变形量、弹性应变能、塑性变形量和塑性应变能。弯曲试验和扭转试验也可用于考察工模具钢的强度和韧性^[19]。