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模具的力學(xué)性能要求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。

    沖壓模具鋼的性能應(yīng)該滿足某種模具完成額定工作量所具備的性能，但因各類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)成分和組織對各種性能的影響不同，即使同一牌號的鋼也不可能同時(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)到主要性能最優(yōu)，而其他性能損失最小的目的。

    對各類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。

模具的力學(xué)性能要求--硬度

    硬度表征了鋼對變形和接觸應(yīng)力的抗力。測硬度的試樣易于制備，車間、試驗(yàn)室一般都配備有硬度計(jì)，因此，硬度是很容易測定的一種性能，而且硬度與強(qiáng)度也有一 定關(guān)系，可通過硬度強(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，因此可用來制作硬度要求不同的冷、熱作模具。因而這類模具鋼可稱為冷作、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。

    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 度會增加，但淬火加熱溫度過高會使奧氏體晶粒增大，淬火后殘留奧氏體量增多，又會導(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。

    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。

    常用硬度測量方法有以下幾種：

    1.洛氏硬度（HR） 是最常用的一種硬度測量法，測量簡便、迅速，數(shù)值可以從表盤上直接選出。洛氏硬度常用三種刻度，即HRC、HRA、HRB。

    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。布氏硬度測試主要用于退火、正火、調(diào)質(zhì)等模具鋼的硬度測定。

    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。

    此法可以測試任何金屬材料的硬度，但最常用于測定顯微硬度，即金屬內(nèi)部不同組織的硬度。

    模具的力學(xué)性能要求--強(qiáng)度

    強(qiáng)度即鋼材在服役過程中，抵抗變形和斷裂的能力。對于模具來說則是整個(gè)型面或各個(gè)部位在服役過程中抵抗拉伸力、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，拉伸過程中在記錄紙上繪出拉伸力F與伸長量ΔL 之間的關(guān)系圖，即所謂的拉伸曲線圖，分析拉伸曲線圖就可以得出金屬的強(qiáng)度指標(biāo)。對于在壓縮條件下工作的模具，還經(jīng)常給出抗壓強(qiáng)度。

    對于模具鋼，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性能的影響。

    在拉伸曲線圖上有一個(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)生明顯伸長變形，這種現(xiàn)象稱為屈服。這時(shí)的應(yīng)力稱為這種材料的屈服 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，成為永久變形，稱為塑性變形。屈服點(diǎn)是衡量模具鋼塑性變形抗力的指標(biāo)，也是最常用的強(qiáng)度指 標(biāo)。對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，那么模具加工出來的零件尺寸和形狀就會發(fā)生變化，產(chǎn)生廢品，模具也就失效了。

模具的力學(xué)性能要求--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，通常采用斷后伸長率和斷面收縮率兩個(gè)指標(biāo)表示。

    斷后伸長率是指拉伸試樣拉斷以后長度增加的相對百分?jǐn)?shù)，以δ表示。斷后伸長率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，截面幾乎沒有縮小，即沒有縮頸產(chǎn)生，ψ值很小，說明塑性很差。

    模具的力學(xué)性能要求--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)（試樣開成U形缺口）、夏比V形缺口沖擊試驗(yàn)（試樣開成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)防止晶粒過于長大，冷卻速度不要過高，以防內(nèi)應(yīng)力產(chǎn)生。模具使用前或使用過程中應(yīng)采取一些措施減少內(nèi)應(yīng)力。

    模具的力學(xué)性能要求--特殊性能要求

    由于模具種類繁多，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得的數(shù)據(jù)也不一致。所以， 除測定材料的常規(guī)性能外，還必須根據(jù)所模擬的實(shí)際工況條件，對模具使用特性進(jìn)行測量，并對模具的特殊性能提出要求，建立起正確評價(jià)模具性能的體系。

    對熱作模具必須測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�，在室溫下測定的性能數(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。

    模具的力學(xué)性能要求--熱穩(wěn)定性

    熱穩(wěn)定性表征鋼在受熱過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)測模具的壽命水平。

    模具的力學(xué)性能要求--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，通常采用斷后伸長率和斷面收縮率兩個(gè)指標(biāo)表示。

    斷后伸長率是指拉伸試樣拉斷以后長度增加的相對百分?jǐn)?shù)，以δ表示。斷后伸長率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，截面幾乎沒有縮小，即沒有縮頸產(chǎn)生，ψ值很小，說明塑性很差。

    模具的力學(xué)性能要求--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)（試樣開成U形缺口）、夏比V形缺口沖擊試驗(yàn)（試樣開成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)防止晶粒過于長大，冷卻速度不要過高，以防內(nèi)應(yīng)力產(chǎn)生。模具使用前或使用過程中應(yīng)采取一些措施減少內(nèi)應(yīng)力。

    模具的力學(xué)性能要求--特殊性能要求

    由于模具種類繁多，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得的數(shù)據(jù)也不一致。所以， 除測定材料的常規(guī)性能外，還必須根據(jù)所模擬的實(shí)際工況條件，對模具使用特性進(jìn)行測量，并對模具的特殊性能提出要求，建立起正確評價(jià)模具性能的體系。

    對熱作模具必須測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。

    模具的力學(xué)性能要求--熱穩(wěn)定性

    熱穩(wěn)定性表征鋼在受熱過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)測模具的壽命水平。