模具材料講義

上海工程技術(shù)大學(xué)材料工程學(xué)院李名堯手機mail：ankesh@163.com模具材料1模具材料模具的分類模具材料的選用模具材料的熱處理模具的失效21.金屬材料的性能■金屬材料的性能包括使用性能和工藝性能。

1.使用性能是指為了保證零件的正常工作，材料應(yīng)具備的性能，它包括物理性能、化學(xué)性能和力學(xué)性能.1.1力學(xué)性能：強度、塑性、硬度、沖擊韌性、疲勞強度1.2物理性能：密度、熔點、導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性、熱膨脹性、磁性

1.3化學(xué)性能：耐腐蝕性、高熱抗氧化性2.工藝性能是指金屬材料在被加工過程中，適應(yīng)各種加工工藝方法的性能，如鑄造性能、焊接性能、熱處理性能和切削加工性能等。

2.1鑄造性能

2.2鍛造性能

2.3焊接性能

2.4熱處理性能

2.5切削加工性能

2.6沖壓性能31.1金屬材料的力學(xué)性能1.機械零件或其他結(jié)構(gòu)件在使用過程中，會受到各種外力的作用。金屬材料在外力作用下所表現(xiàn)出來的性能稱為力學(xué)性能，它是保證保證零件和構(gòu)件正常工作應(yīng)具備的主要性能。衡量金屬材料力學(xué)性能的指標主要有強度、塑性、硬度、沖擊韌性、疲勞強度等。力學(xué)性能不僅是機械零件設(shè)計、選材、驗收、鑒定的主要依據(jù)，也是對產(chǎn)品加工工程實行質(zhì)量控制的重要參數(shù)。2.金屬材料在加工和使用過程中所受到的外力成為載荷。1）靜載荷，是指在短時間內(nèi)以高速度作用于零件上的載荷。2）沖擊載荷，是指在短時間內(nèi)以高速度作用于零件上的荷重。3）交變載荷，是指大小、方向隨時間發(fā)生周期性變化的載荷。3.金屬材料在載荷作用下發(fā)生的尺寸和形狀的變化稱為變形。按去除載荷后變形是否能完全恢復(fù)的情況，變形可分為彈性變形和塑性變形。去除載荷后零件的變形能立即恢復(fù)原狀，即隨載荷的作用而產(chǎn)生，隨載荷的去除而消失的變形稱為彈性變形；若去除載荷后零件的變形不能完全消失而是保留一部分殘余變形，這種不能恢復(fù)的殘余變形稱為塑性變形，也稱為永久變形。根據(jù)載荷作用不同，變形又可分為拉伸、壓縮、剪切、扭轉(zhuǎn)和彎曲等五種變形方式。4.金屬材料在受外力作用時，為保持其不變形，在材料內(nèi)部作用著與外力相對抗的歷，稱為內(nèi)力。單位面積上的內(nèi)力叫做應(yīng)力。簡述材料受拉伸載荷或壓縮載荷時，其橫截面積上的應(yīng)力的計算公式。41.1.1強度定義：金屬材料在靜載荷作用下，抵抗塑性變形和斷裂的能力成為強度。金屬材料的強度越高，抵抗塑性變形和斷裂的能力，在工作中所能承受的載荷就越大。金屬材料的強度按受力類型分為抗拉強度、抗壓強度、抗剪強度、抗彎強度和抗扭強度五種。一般情況下多用抗拉強度作為衡量金屬材料強度的依據(jù)。金屬材料的抗拉強度是通過拉伸試驗測定的。1）拉伸試驗2）拉伸曲線在拉伸試驗過程中，試驗機自動以拉伸力F為縱坐標，以拉伸量ΔL為橫坐標，畫出一條拉伸力F與伸長量ΔL的關(guān)系曲線，稱為力-拉伸曲線或拉伸曲線。53）由拉伸曲線可以看出，低碳鋼試樣的拉伸過程可分為以下幾個階段：-彈性變形階段(op)：在拉伸試驗時，若施加在試樣上的載荷未超過Fp，那么在此階段試樣所發(fā)生的變形均為彈性變形，即載荷去除后試樣的形狀和尺寸可以恢復(fù)原狀。Fp為試樣能恢復(fù)到原始形狀和尺寸的最大載荷。-屈服階段(pe):若載荷超過Fp時，試樣開始出現(xiàn)微量的塑性變形，則卸除載荷后試樣的變形不能完全消失，即試樣的形狀和尺寸不能恢復(fù)原狀。當載荷達到Fe時，試樣開始發(fā)生明顯的塑性變形。-強化階段(e’m):當載荷超過Fe后，材料開始出現(xiàn)明顯的塑性變形，同時欲使試樣繼續(xù)伸長，載荷也必須不斷增加，即隨著塑性變形量的增加，試樣變形抗力也逐漸增加，這種現(xiàn)象稱為形變強化。Fm為試樣拉斷前所能承受的最大載荷。-頸縮階段(mz):當載荷增加到最大值Fm時，試樣開始局部截面積縮小，出現(xiàn)頸縮現(xiàn)象，變形主要集中在頸縮部位。61.1.2塑性定義：塑性是指金屬材料在外力作用下產(chǎn)生塑性變形而不斷裂的能力。塑性表示了金屬材料在斷裂前產(chǎn)生塑性變形的能力的大小。金屬材料的塑性也是通過拉伸試驗測定的，衡量指標有斷后伸長率和斷面收縮率兩種。材料具備一定的塑性才能進行各種成型加工，如冷沖壓、鍛造、軋制等。鋼的塑性較好，能通過鍛造成型。鑄鐵的斷后伸長率幾乎為零，塑性很差，所以不能進行塑性變形加工。另外，具有一定塑性的零件，偶爾過載也能由于發(fā)生一定量的塑性變形而不致立即斷裂，在一定程度上保證了零件的工作安全性，因此對于重要的結(jié)構(gòu)零件要求必須具備一定的塑性。塑性并不是越大越好，一般來說，各種零件對塑性的要求有一定的限度。鋼材的塑性過大，一般其強度會降低，這不但會降低鋼制零件的使用壽命，而且會加大零件的自身重量，浪費材料。定義：硬度是指金屬材料抵抗其他更硬物體壓入其表面的能力，是衡量金屬材料軟硬程度的指標。（1）布氏硬度(BH)（2）洛氏硬度(HR)（3）維氏硬度(HV)1.1.3硬度71.1.4沖擊韌性定義：金屬材料抵抗沖擊載荷作用而不被破壞的能力成為沖擊韌性。衡量指標是沖擊吸收功Ak81.1.5疲勞強度1）疲勞現(xiàn)象：實際生產(chǎn)中有許多機器零件，如齒輪、彈簧、衢州等，都是在交變載荷下工作的。承受交變載荷的零件，在工作應(yīng)力低于其屈服強度時，經(jīng)過較長時間的工作也會發(fā)生突然斷裂，這種現(xiàn)象稱為疲勞。疲勞斷裂是在實現(xiàn)無明顯塑性變形的情況下突然發(fā)生的，故其具有很大的危險性。2）疲勞強度金屬材料在無數(shù)次交變載荷的作用下而不發(fā)生斷裂的最大應(yīng)力，稱為疲勞強度，用δ-1表示。疲勞強度的數(shù)值越大，材料抵抗疲勞破壞的能力越強。3）提高疲勞強度的措施疲勞斷裂是在零件應(yīng)力集中的局部區(qū)域發(fā)生的，疲勞斷裂的宏觀斷口都有一個疲勞裂紋的策源地和裂紋擴展區(qū)。

因此疲勞強度除了與材料的屬性有關(guān)外，零件表面狀態(tài)和內(nèi)部缺陷對疲勞強度的影響也很大，如表面擦傷(刀痕、打記號、磨裂等)、表面粗糙度、加工紋路、腐蝕、內(nèi)部裂紋與夾雜等。表面很小的傷痕都會造成尖銳的缺口，產(chǎn)生盈利集中使δ-1大大下降。零件的疲勞強度除了與材料屬性有關(guān)之外，還可以采取下列措施來加以提高：改善零件的結(jié)構(gòu)形式，避免尖角、缺口、截面突變等，以避免應(yīng)力集中一起疲勞裂紋；采用化學(xué)熱處理、表面淬火、噴丸和滾壓等表面強化處理，提高其表面強度；降低零件表面粗糙度，提高表面加工質(zhì)量，盡可能減少可能成為疲勞源的表面損傷和缺陷等一系列措施均可提高零件的疲勞強度。91.2金屬材料的工藝性能

金屬材料的工藝性能是指在制造機械零件和工具的過程中，金屬材料適應(yīng)各種加工方法的性能。工藝性能標志著金屬材料制成成品的難易程度，直接影響到工件加工的質(zhì)量、生產(chǎn)效率和加工成本。工藝性能主要包括鑄造性能、鍛造性能、焊接性能、熱處理性能以及切削加工性能等。1.2.1鑄造性能鑄造是指將熔化后的金屬液澆入鑄模中，待凝固、冷卻后獲得所需形狀和性能的零件的成型方法。鑄造是獲得零件毛坯的主要方法之一。鑄造性能是指金屬的鑄造成形過程中獲得優(yōu)質(zhì)鑄件的能力。鑄造性能通常用金屬液的流動性、收縮性等表示。金屬的流動性越好，收縮率越小，則表明鑄造性能越好。1.2.2鍛造性能鍛造是指利用沖擊力或壓力使金屬產(chǎn)生變形的加工方法。鍛造性能是指金屬材料鍛造時會改變形狀而不產(chǎn)生裂紋的性能。鍛造性能好，表面金屬易于鍛造成形。鍛造性能與金屬的塑性和變性抗力有關(guān)，金屬的塑性越好，變性抗力越小，則鍛造性能越好。黃銅和鋁合金在室溫狀態(tài)下就有良好的鍛造性能；鋼在加熱狀態(tài)下鍛造性能較好，低碳鋼的鍛造性能比中碳鋼、高碳鋼，非合金鋼比相同含碳量的合金鋼好；鑄銅、鑄鋁和鑄鐵則不能進行鍛造。1.2.3焊接性能焊接性能是指在兩塊分離的金屬之間通過加熱或加壓，使其牢固地結(jié)合成一個整體的加工方法。焊接性能是指材料在限定的加工條件下，通過焊接方法獲得復(fù)合設(shè)計要求的焊接接頭的性能。焊接性一般根據(jù)焊接時產(chǎn)生的裂紋敏感性和焊縫區(qū)力學(xué)性能的變化來判斷。如低碳鋼和低碳合金鋼焊接性能良好，其焊接質(zhì)量容易保證，焊接工藝簡單；高碳鋼和高合金鋼焊接性能較差，焊接時需要采用預(yù)熱或氣體保護焊等，焊接工藝復(fù)雜。1.2.4熱處理性能熱處理是通過對固態(tài)下的材料進行加熱、保溫、冷卻，從而獲得所需要的組織和性能的工藝。鋼的熱處理性能包括淬透性、晶粒長大傾向、回火穩(wěn)定性、變形與開裂傾向等。1.2.5切削加工性能切削加工性能是金屬材料切削加工的難以程度。切削加工性能的好壞，直接影響零件的表面質(zhì)量、刀具的壽命、切削加工成本等。切削102.模具材料的選擇■模具的應(yīng)用：隨著現(xiàn)代工業(yè)技術(shù)的迅速發(fā)展，諸多產(chǎn)品零件廣泛采用各種先進的金屬無切削、少切削加工新工藝生產(chǎn)，如精密鍛造、精密鑄造、精密沖壓、恒溫超塑性成形等加工新技術(shù)。這些先進的加工技術(shù)是離不開與產(chǎn)品相適應(yīng)的模具的。模具加工有材料利用率高、生產(chǎn)效率高、產(chǎn)品質(zhì)量好、解決能源、生產(chǎn)成本低等優(yōu)點，因此，模具在現(xiàn)代機械制造業(yè)中日益廣泛得到應(yīng)用。模具的質(zhì)量和性能好壞、壽命的長短，直接關(guān)系到產(chǎn)品的質(zhì)量、壽命和經(jīng)濟效益。模具材料及熱處理以及表面強化工藝是影響模具質(zhì)量、性能及使用壽命諸多因素中的主要因素。為了提高模具的質(zhì)量和使用壽命，降低成本，增加效益，就要求合理選用模具材料，正確選擇熱處理及表面強化工藝，大力推廣應(yīng)用新材料、新工藝和新技術(shù)。

112.模具材料的選擇2.1.1模具的分類：1）按模具結(jié)構(gòu)形式分類：沖模中的單工序模(COVERMODULE)、復(fù)合模、級進模等(COREPLATE)；塑料成型模具中的壓縮模、注塑模(PLATE等)、擠出模(HOSEFEED).2）按模具使用對象分類：如電工模具、汽車模具、電視機模具等。3）按模具材料分類：如鋼模、鑄鐵模、硬質(zhì)合金模等。4）按工藝性質(zhì)分類：沖孔模、落料模、拉伸模、彎曲模、塑料成型模、吸塑模、吹塑模5）按模具服役條件分類：冷作模具、熱作模具、塑料模具、玻璃模具、陶瓷模具。6）按模具成型加工工藝性質(zhì)和使用對象為主的綜合分類：金屬板材成型模具、費金屬材料制品成型模具、金屬體積成型模具、簡易模具（通用模具與經(jīng)濟模具）等2.1模具及模具材料的分類：122.模具材料的選擇2.1.2模具材料的分類：

制造模具的材料一般可分為鋼鐵材料、非鐵金屬及其合金材料和費金屬材料三大類。應(yīng)用最多的是鋼鐵材料，其中主要的又是模具鋼。根據(jù)模具的服役條件，通常將模具鋼分為以下四種類型。1）冷作模具鋼：目前我國研制和應(yīng)用過的冷作模具鋼多達40多種。按鋼的化學(xué)成分、工藝性能極其承載能力，冷作模具鋼又可分為10類。2）熱作模具鋼：低耐熱高韌性熱作模具鋼、中耐熱韌性熱作模具鋼高耐熱行熱作模具鋼、特殊用途熱作模具鋼。3）塑料模具鋼：碳素塑料模具鋼、滲碳型塑料模具鋼、預(yù)硬型塑料模具鋼、時效硬化型塑料模具鋼、耐腐蝕型塑料模具鋼。4）其他模具材料：玻璃模具及陶瓷模具所用的材料。2.1模具及模具材料的分類：13Text.冷作模具142.模具材料的選擇2.1.2使用性能要求：

冷作模具在使用中受到較高的壓縮、拉伸、彎曲、沖擊、摩擦等機械力的作用。因此，對冷作模具鋼的使用性能要求有以下要求：1）具有高的耐磨性.硬度52~62HRC；模具熱處理后的組織為：細小針狀回火馬氏體(或下貝氏體)和分布均勻、細小的粒狀碳化物。2）具有高的強度：被加工材料的變形抗力較大，使模具受到強烈的擠壓、彎曲、剪切和摩擦力的綜合作用，所以應(yīng)具有高的強度。3）具有足夠的韌性。模具材料的韌性要根據(jù)模具的工作條件來決定，如沖厚板冷沖模，在工作時要承受較大的沖擊載荷，故應(yīng)選擇高韌性的冷作模具鋼；而沖薄板的冷沖模，通常受到的是小能量多次沖擊載荷的作用，模具常見的失效形式是疲勞斷裂，因此，韌性不比要求過高，可選擇強度和韌性配合較好的冷作模具鋼。4）具有較強的抗咬合性。咬合是指金屬材料在拉伸受力流動成形的過程中，潤滑油膜在高壓摩擦下被破壞，此時被拉伸件金屬”冷焊”在模具型腔表面出現(xiàn)金屬瘤的現(xiàn)象，繼續(xù)拉伸將增加成形工件的表面粗糙度值或出現(xiàn)劃痕，嚴重時無法繼續(xù)工作。影響咬合性的主要因素是成形材料的性質(zhì)，鎳基合金、奧氏體不銹鋼等有較強的咬合傾向。模具工作表面進行氮化或鍍硬鉻并拋光，可有效提高拉伸模具的抗咬合性。152.模具材料的選擇5）具有較高的疲勞抗力。冷作模具通常是在交變載荷作用下發(fā)生疲勞破壞的，因此冷作模具需要有較高的疲勞抗力。導(dǎo)致模具疲勞失效的因素有：模具表面有粗糙、有微笑刀痕，模具表面脫碳、鋼中有帶狀和網(wǎng)狀碳化物、晶體粗大等。2.工藝性能要求1）良好的可鍛性。鍛造不僅能減少模具材料的切削加工余量，節(jié)約鋼材，而且能改善鋼的組織狀態(tài)機減少鋼的內(nèi)部缺陷。為了獲得良好的鍛造質(zhì)量，模具材料應(yīng)具備熱鍛變形抗力小、鍛造溫度范圍寬、塑性好，鍛裂、冷裂及析出網(wǎng)狀碳化物的傾向小的優(yōu)點。2）良好的可切削加工性。3）良好的可磨削加工。通常為保證模具具有較小的表面粗糙度值和較高的尺寸精度，模具都需經(jīng)磨削加工。4）良好的熱處理工藝性。冷作模具一般都需要經(jīng)過淬火回火處理，因此模具材料應(yīng)具有良好的熱處理工藝性，主要包括淬透性、淬硬性、回火穩(wěn)定性、過熱敏感性、氧化脫碳敏感性、淬火變形和開裂傾向等。16冷作模具鋼及其熱處理冷作模具鋼的主要性能要求：高變形抗力、斷裂抗力、耐磨損、抗疲勞、抗黏著性能常用材料包括：碳素工具鋼，T10A，T12A低合金鋼，9Mn2V、CrWMn、9SiCr、GCr15高合金鋼，Cr12、Cr12MoV合金鋼主要特點：含C量高、含較多合金元素、合金元素降低鋼的馬氏體相變點Ms冷作模具主要用于金屬或非金屬材料的沖裁、拉伸、彎曲等工序。工作零件承受拉壓、彎曲、沖擊、疲勞、摩擦等多種機械力作用。主要失效形式：斷裂、堆塌、磨損、黏著（咬合）、啃傷、軟化等冷作模具鋼側(cè)重硬度、耐磨性。含碳量高，合金元素以增加淬透性，提高耐磨性為主。冷作模具鋼熱處理特點：加熱方式(預(yù)熱或階梯式升溫）、加熱介質(zhì)（采用控制氣氛爐、真空爐）、冷卻方式（較緩和的冷卻方式以減少變形）、表面處理（深冷處理、滲氮）、工序間防護（及時清理）碳素工具鋼的熱處理：用于要求不太高的小型簡單冷作模具工作零件，（T8A,T10A)，T10A應(yīng)用最普遍，強度和韌性較高。碳素工具鋼淬透性差，常規(guī)淬火后淬硬層1.5～3.0mm。低合金鋼的熱處理：俗稱油淬鋼，這類鋼一般淬火溫度較低，在油中冷卻，變形小，尺寸穩(wěn)定性好。主要有：鉻鎢錳鋼(CrWMn，9CrWMn)，錳釩鋼(9Mn2V)，高碳鉻鋼（Cr2），鉻硅鋼(9SiCr)高合金鋼的熱處理：主要是高鉻高碳鋼，淬透性極高，具有微變形性，也叫微變形鋼，是高級冷作鋼。代表鋼號Cr12，Cr12MoV，Cr12W，Cr5MoV等火焰淬火冷作模具鋼的熱處理：為簡化大型、特大型冷作模具的生產(chǎn)過程而專門研制的，其熱處理特點是：淬火溫度范圍很寬（880--1150℃），適合手工操作；淬透性很高，空冷后表面硬度高，芯部性能也好；淬火變形傾向性小。應(yīng)用較普遍的是：7CrSiMnMoV1718（日立金屬HITACHI）SKD11(56.00元/公斤)是一種耐磨性能較佳的通用冷作模具鋼.有著良好的淬火性,并且淬火變形量小。用途:此鋼易于車削,并宜制鋒利刀口,剪刀,圓鋸,冷或熱作修整模,滾簡邊,螺絲紋,線模,銑刀,沖壓模,圓形滾邊,制電力變壓器心沖模,切割鋼皮軋刀,鋼管成型滾簡,首筋匠滾簡,特殊成型滾簡,精密規(guī),形狀繁雜之冷壓工具,治金,錫作模,塑膠模,螺釘打頭模等.

冷作模具鋼與熱作模具鋼的區(qū)別：冷作模具鋼側(cè)重硬度、耐磨性。含碳量高，合金元素以增加淬透性，提高耐磨性為主。熱作模具鋼對硬度要求適當，側(cè)重于紅硬性，導(dǎo)熱性，耐磨性。因此含碳量低，合金元素以增加淬透性，提高耐磨性、紅硬性為主。19Text.熱作模具20熱作模具鋼及其熱處理熱作模具主要有鍛模、熱擠壓模、壓鑄模等主要失效形式：斷裂（開裂或機械疲