模具鋼的力學(xué)性能要求你知道多少？

模具材料的性能是由模具材料的成分和熱處理后的組織所決定的。模具鋼的基本組織是由馬氏體基體以及在基體上分布著的碳化物和金屬間化合物等構(gòu)成。

模具鋼的性能應(yīng)該滿(mǎn)足某種模具完成額定工作量所具備的性能，但因各類(lèi)模具使用條件及所完成的額定工作量指標(biāo)均不相同，故對(duì)模具性能要求也不同。又因?yàn)椴煌摰幕瘜W(xué)成分和組織對(duì)各種性能的影響不同，即使同一牌號(hào)的鋼也不可能同時(shí)獲得各種性能的最佳值，一般某些性能的改善會(huì)損失其他的性能。因而，模具工作者常根據(jù)模具工作條件及工作定額要求選用模具鋼及最佳處理工藝，使之達(dá)到主要性能，而其他性能損失最小的目的。對(duì)各類(lèi)模具鋼提出的性能要求主要包括：硬度、強(qiáng)度、塑性和韌性等。

硬度

硬度表征了鋼對(duì)變形和接觸應(yīng)力的抗力。測(cè)硬度的試樣易于制備，車(chē)間、試驗(yàn)室一般都配備有硬度計(jì)，因此，硬度是很容易測(cè)定的一種性能，而且硬度與強(qiáng)度也有一定關(guān)系，可通過(guò)硬度強(qiáng)度換算關(guān)系得到材料硬度值。按硬度范圍劃定的模具類(lèi)別，如高硬度（52～60HRC），一般用于冷作模具，中等硬度（40～52HRC），一般用于熱作模具。

鋼的硬度與成分和組織均有密切關(guān)系，通過(guò)熱處理，可以獲得很寬的硬度變化范圍。如新型模具鋼012Al和CG－2可分別采用低溫回火處理后硬度為60～62HRC，采用高溫回火處理后硬度為50～52HRC，因此可用來(lái)制作硬度要求不同的冷、熱作模具。因而這類(lèi)模具鋼可稱(chēng)為冷作、熱作兼用型模具鋼。

模具鋼中除馬氏體基體外，還存在更高硬度的其他相，如碳化物、金屬間化合物等。表l為常見(jiàn)碳化物及合金相的硬度值。

各種相的硬度值

模具鋼的硬度主要取決于馬氏體中溶解的碳量（或含氮量），馬氏體中的含碳量取決于奧氏體化溫度和時(shí)間。當(dāng)溫度和時(shí)間增加時(shí)，馬氏體中的含碳量增多馬氏體硬度會(huì)增加，但淬火加熱溫度過(guò)高會(huì)使奧氏體晶粒增大，淬火后殘留奧氏體量增多，又會(huì)導(dǎo)致硬度下降。因此，為選擇最佳淬火溫度，通常要先作出該鋼的淬火溫度—晶粒度—硬度關(guān)系曲線(xiàn)。

馬氏體中的含碳量在一定程度上與鋼的合金化程度有關(guān)，尤其當(dāng)回火時(shí)表現(xiàn)更明顯。隨回火溫度的增高，馬氏體中的含碳量在減少，但當(dāng)鋼中合金含量越高時(shí)，由于獼散的合金碳化物折出及殘留奧氏體向馬氏體的轉(zhuǎn)變，所發(fā)生的二次硬化效應(yīng)越明顯，硬化峰值越高。

常用硬度測(cè)量方法有以下幾種：

1、洛氏硬度（HR）是的一種硬度測(cè)量法，測(cè)量簡(jiǎn)便、迅速，數(shù)值可以從表盤(pán)上直接選出。洛氏硬度常用三種刻度，即HRC、HRA、HRB。三種刻度所用壓頭、試驗(yàn)力及適用范圍見(jiàn)表。

洛氏硬度試驗(yàn)規(guī)范

2.布氏硬度（HB）用淬火鋼球作硬度頭，加上一定試驗(yàn)力壓人工件表面，試驗(yàn)力卸掉以后測(cè)量壓痕直徑大小，再查表或計(jì)算，使得出相應(yīng)的布氏硬度值HB。布氏硬度測(cè)試主要用于退火、正火、調(diào)質(zhì)等模具鋼的硬度測(cè)定。

3.維氏硬度（HV）采用的壓頭是具有正方形底面的金剛石角錐體，錐體相對(duì)兩面間的夾角為136°，硬度值等于試驗(yàn)力F與壓痕表面積之比值。此法可以測(cè)試任何金屬材料的硬度，但于測(cè)定顯微硬度，即金屬內(nèi)部不同組織的硬度。三種硬度大致有如下的關(guān)系：HRC≈1/10HB，HV≈HB（當(dāng)＜400HBS時(shí)）

強(qiáng)度 

強(qiáng)度即鋼材在服役過(guò)程中，抵抗變形和斷裂的能力。對(duì)于模具來(lái)說(shuō)則是整個(gè)型面或各個(gè)部位在服役過(guò)程中抵抗拉伸力、壓縮力、彎曲力、扭轉(zhuǎn)力或綜合力的能力。 衡量鋼材強(qiáng)度常用的方法是進(jìn)行拉伸試驗(yàn)。拉伸試驗(yàn)是在拉伸試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行的，試棒需按規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)制備，拉伸過(guò)程中在記錄紙上繪出拉伸力F與伸長(zhǎng)量ΔL之間的關(guān)系圖，即所謂的拉伸曲線(xiàn)圖，分析拉伸曲線(xiàn)圖就可以得出金屬的強(qiáng)度指標(biāo)。對(duì)于在壓縮條件下工作的模具，還經(jīng)常給出抗壓強(qiáng)度。 

對(duì)于模具鋼，特別是含碳量高的冷作模具鋼，因塑性很差，一般不用抗拉強(qiáng)度而是以抗彎強(qiáng)度作為實(shí)用指標(biāo)?？箯澰囼?yàn)甚至對(duì)極脆的材料也能反映出一定的塑性。而且，彎曲試驗(yàn)產(chǎn)生的應(yīng)力狀態(tài)與許多模具工作表面產(chǎn)生的應(yīng)力狀態(tài)極相似，能比較精確地反映出材料的成分及組織因素對(duì)性能的影響。 

在拉伸曲線(xiàn)圖上有一個(gè)特殊點(diǎn)，當(dāng)拉力到達(dá)這一點(diǎn)時(shí)，試棒在拉力不增加或有所下降情況下發(fā)生明顯伸長(zhǎng)變形，這種現(xiàn)象稱(chēng)為屈服。這時(shí)的應(yīng)力稱(chēng)為這種材料的屈服點(diǎn)。而當(dāng)外力去除后不能恢復(fù)原狀的變形，這部分變形被保留下來(lái)，稱(chēng)為塑性變形。屈服點(diǎn)是衡量模具鋼塑性變形抗力的指標(biāo)，也是強(qiáng)度指標(biāo)。對(duì)模具材料要求具有高的屈服強(qiáng)度，如果模具產(chǎn)生了塑性變形，那么模具加工出來(lái)的零件尺寸和形狀就會(huì)發(fā)生變化，產(chǎn)生廢品，模具也就失效了。

塑性

淬硬的模具鋼塑性較差，尤其是冷變形模具鋼，在很小的塑性變形時(shí)即發(fā)生脆斷。衡量模具鋼塑性好壞，通常采用斷后伸長(zhǎng)率和斷面收縮率兩個(gè)指標(biāo)表示。 

斷后伸長(zhǎng)率是指拉伸試樣拉斷以后長(zhǎng)度增加的相對(duì)百分?jǐn)?shù)，以δ表示。斷后伸長(zhǎng)率δ數(shù)值越大，表明鋼材塑性越好。熱模鋼的塑性明顯高于冷模鋼。

斷面收縮率是指拉伸試棒經(jīng)拉伸變形和拉斷以后，斷裂部分截面的縮小量與原始截面之比，以ψ表示。塑性材料拉斷以后有明顯的縮頸，所以ψ值較大。而脆性材料拉斷后，截面幾乎沒(méi)有縮小，即沒(méi)有縮頸產(chǎn)生，ψ值很小，說(shuō)明塑性很差。

韌性 

韌性是模具鋼的一種重要性能指標(biāo)，韌性決定了材料在沖擊試驗(yàn)力作用下對(duì)破裂的抗斷能力。材料的韌性越高，脆斷的危險(xiǎn)性越小，熱疲勞強(qiáng)度也越高。對(duì)于衡量模具脆斷傾向，沖擊韌度試驗(yàn)具有重要意義。

沖擊韌度是指沖擊試樣缺口處截面積上的沖擊吸收功，而沖擊吸收功是指規(guī)定形狀和尺寸的試樣在沖擊試驗(yàn)力一次作用下折斷時(shí)所吸收的功。沖擊試驗(yàn)有夏比U形缺口沖擊試驗(yàn)（試樣開(kāi)成U形缺口）、夏比V形缺口沖擊試驗(yàn)（試樣開(kāi)成V形缺口）以及艾式?jīng)_擊試驗(yàn)。

影響沖擊韌度的因素很多。不同材質(zhì)的模具鋼沖擊韌度相差很大，即使同一種材料，因組織狀態(tài)不同、晶粒大小不同、內(nèi)應(yīng)力狀態(tài)不同沖擊韌度也不相同。通常是晶粒越粗大，碳化物偏析越嚴(yán)重（帶狀、網(wǎng)狀等），馬氏體組織越粗大等都會(huì)促使鋼材變脆。溫度不同，沖擊韌度也不相同。一般情況是溫度越高沖擊韌度值越高，而有的鋼常溫下韌性很好，當(dāng)溫度下降到零下20～40℃時(shí)會(huì)變成脆性鋼。

為了提高鋼的韌性，必須采取合理的鍛造及熱處理工藝。鍛造時(shí)應(yīng)使碳化物盡量打碎，并減少或消除碳化物偏析，熱處理淬火時(shí)防止晶粒過(guò)于長(zhǎng)大，冷卻速度不要過(guò)高，以防內(nèi)應(yīng)力產(chǎn)生。模具使用前或使用過(guò)程中應(yīng)采取一些措施減少內(nèi)應(yīng)力。

特殊性能要求

由于模具種類(lèi)繁多，工作條件差別很大，因此模具的常規(guī)性能及相互配合要求也各不相同，而且某種模具實(shí)際性能與試樣在特定條件下測(cè)得的數(shù)據(jù)也不一致。所以，除測(cè)定材料的常規(guī)性能外，還必須根據(jù)所模擬的實(shí)際工況條件，對(duì)模具使用特性進(jìn)行測(cè)量，并對(duì)模具的特殊性能提出要求，建立起正確評(píng)價(jià)模具性能的體系。

對(duì)熱作模具必須測(cè)試在高溫條件下的硬度、強(qiáng)度和沖擊韌度。因?yàn)闊嶙髂＞呤窃谀骋惶囟囟认路郏谑覝叵聹y(cè)定的性能數(shù)據(jù)，當(dāng)溫度升高時(shí)要發(fā)生變化。性能變化趨勢(shì)和速率相差也很大，如A種材料在室溫下硬度雖比材料B高，但隨溫度上升，硬度下降顯著，到達(dá)—定溫度后，硬度值反而會(huì)低于材料B。那么，當(dāng)在較高溫度工作條件下要求耐磨性高時(shí)，就不能選用A種材料，而需選用室溫下硬度值雖較低但隨溫度上升，硬度下降緩慢的材料B。

對(duì)熱作模具除要求室主高溫條件下的硬度、強(qiáng)度、韌性外，還要求具有某些特殊性能。

熱穩(wěn)定性

熱穩(wěn)定性表征鋼在受熱過(guò)程中保持金相組織和性能的穩(wěn)定能力。通常，鋼的熱穩(wěn)定性用回火保溫4h，硬度降到45HRC時(shí)的最高加熱溫度表示。這種方法與材料的原始硬度有關(guān)，有資料將達(dá)到預(yù)定強(qiáng)度級(jí)別的鋼加熱，保溫2h，使硬度降到一般熱鍛模失效硬度35HRC的最高加熱溫度定為該鋼穩(wěn)定性指標(biāo)。對(duì)于因耐熱性不足而堆積塌陷失效的熱作模具，可以根據(jù)熱穩(wěn)定性預(yù)測(cè)模具的壽命水平。

回火穩(wěn)定性

回火穩(wěn)定性指隨回火溫度升高，材料的強(qiáng)度和硬度下降快慢的程度，也稱(chēng)回火抗力或抗回火軟化能力。通常以鋼的回火溫度-硬度曲線(xiàn)來(lái)表示，硬度下降慢則表示回火穩(wěn)定性高或回火抗力大?；鼗鸱€(wěn)定性也是與回火時(shí)組織變化相聯(lián)系的，它與鋼的熱穩(wěn)定性共同表征鋼在高溫下的組織穩(wěn)定性程度，表征模具在高溫下的變形抗力。

熱疲勞抗力及斷裂韌度 

熱疲勞抗力表征了材料熱疲勞裂紋萌生前的工作壽命和萌生后的擴(kuò)展速率。熱疲勞通常以20℃—750℃條件下反復(fù)加熱冷卻時(shí)所發(fā)生裂紋的循環(huán)次數(shù)或當(dāng)循環(huán)一定次數(shù)后測(cè)定裂紋長(zhǎng)度來(lái)確定。熱疲勞抗力高的材料不易發(fā)生熱疲勞裂紋，或當(dāng)裂紋萌生后，擴(kuò)展量小、擴(kuò)展緩慢。斷裂韌度則表征了裂紋失穩(wěn)擴(kuò)展抗力，斷裂韌度高，則裂紋不易發(fā)生失穩(wěn)擴(kuò)展。

高溫磨損與抗氧化性能 

高溫磨損是熱作模具主要失效形式之一，正常情況下，絕大多數(shù)錘鍛模及壓力機(jī)模具都因磨損而失效。抗熱磨損是對(duì)熱作模具的使用性能的要求，是多種高溫力學(xué)性能的綜合體現(xiàn)。現(xiàn)在國(guó)內(nèi)已有單位在自制的熱磨損機(jī)上進(jìn)行模具熱磨損試驗(yàn)，收到較理想的試驗(yàn)效果。 

實(shí)際使用表明，模具材料抗氧化性能的優(yōu)劣，對(duì)模具使用壽命影響很大。因氧化會(huì)加劇模具工作過(guò)程中的磨損，導(dǎo)致模具型腔尺寸超差而報(bào)廢。氧化還會(huì)使模具表面產(chǎn)生腐蝕溝，成為熱疲勞裂紋起源．加劇模具熱疲勞裂紋的萌生與擴(kuò)展。因此，要求模具具備一定的抗氧化性能。

對(duì)冷作模具鋼除常規(guī)力學(xué)性能外，還常要求具有下列性能：耐磨性能，斷裂抗力，抗咬合計(jì)抗氧化能力。

耐磨損性能 

冷作模具服役時(shí)，被成形的坯料會(huì)沿著模具表面既滑動(dòng)又流動(dòng)，在模具與坯料間產(chǎn)生很大摩擦力。這種摩擦力使模具表面受到切應(yīng)力作用，在其表面劃刻出凹凸痕跡，這些痕跡與坯料不平整表面相咬合，逐漸在模具表面造成機(jī)械破損即磨損。冷作模具，特別是正常失效的冷作模具，多數(shù)因磨損而報(bào)廢。因此，對(duì)冷作模具最基本的要求之一就是耐磨性。一般條件下材料硬度越高，耐磨性越好。但耐磨性與在軟基體上存在的硬質(zhì)點(diǎn)的形狀、分布也有很大關(guān)系。冷作模具的磨損包括磨料磨損、粘著磨損、腐蝕磨損與疲勞磨損。

斷裂抗力

除常規(guī)力學(xué)性能如沖擊韌度、抗壓強(qiáng)度、抗彎強(qiáng)度等一次性斷裂抗力指標(biāo)外，小能量多次沖擊斷裂抗力更切合冷作模具實(shí)際使用狀態(tài)性能。作為模具材料性能指標(biāo)還包括抗壓疲勞強(qiáng)度、接觸疲勞強(qiáng)度等。這種疲勞斷裂抗力指標(biāo)是由在一定循環(huán)應(yīng)力下測(cè)得的斷裂循環(huán)次數(shù)，或在一定循環(huán)次數(shù)下導(dǎo)致斷裂的載荷來(lái)表征的。關(guān)于是否把斷裂韌度作為冷作模具材料的一項(xiàng)重要處能指標(biāo)，尚待研究和探討。

抗咬合能力及抗軟化能力 

抗咬合及抗軟化能力分別表征了模具對(duì)發(fā)生“冷焊"及承載時(shí)因溫度升高對(duì)硬度、耐磨性助抵抗能力。