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模具的力学性能要求

    模具的力学性能要求模具材料的性能是由模具材料的成分和热处理后的组织所决定的。模具钢的基本组织是由马氏体基体以及在基体上分布着的碳化物和金属间化合物等构成。
    模具钢的性能应该满足某种模具完成额定工作量所具备的性能，但因各类模具使用条件及所完成的额定工作量指标均不相同，故对模具性能要求也不同。又因为不同钢的化学成分和组织对各种性能的影响不同，即使同一牌号的钢也不可能同时获得各种性能的最佳值，一般某些性能的改善会损失其他的性能。因而，模具工作者常根据模具工作条件及工作定额要求选用模具钢及最佳处理工艺，使之达到主要性能最优，而其他性能损失最小的目的。
    对各类模具钢提出的性能要求主要包括：硬度、强度、塑性和韧性等。
模具的力学性能要求--硬度
    硬度表征了钢对变形和接触应力的抗力。测硬度的试样易于制备，车间、试验室一般都配备有硬度计，因此，硬度是很容易测定的一种性能，而且硬度与强度也有一 定关系，可通过硬度强度换算关系得到材料硬度值。按硬度范围划定的模具类别，如高硬度（52～60HRC），一般用于冷作模具，中等硬度 （40～52HRC），一般用于热作模具。
    钢的硬度与成分和组织均有密切关系，通过热处理，可以获得很宽的硬度变化范围。如新型模具钢012Al和CG－2可分别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、热作模具。因而这类模具钢可称为冷作、热作兼用型模具 钢。
    模具钢中除马氏体基体外，还存在更高硬度的其他相，如碳化物、金属间化合物等。
    模具钢的硬度主要取决于马氏体中溶解的碳量（或含氮量），马氏体中的含碳量取决于奥氏体化温度和时间。当温度和时间增加时，马氏体中的含碳量增多马氏体硬 度会增加，但淬火加热温度过高会使奥氏体晶粒增大，淬火后残留奥氏体量增多，又会导致硬度下降。因此，为选择最佳淬火温度，通常要先作出该钢的淬火温度— 晶粒度—硬度关系曲线。
    马氏体中的含碳量在一定程度上与钢的合金化程度有关，尤其当回火时表现更明显。随回火温度的增高，马氏体中的含碳量在减少，但当钢中合金含量越高时，由于猕散的合金碳化物折出及残留奥氏体向马氏体的转变，所发生的二次硬化效应越明显，硬化峰值越高。
    常用硬度测量方法有以下几种：
    1.洛氏硬度（HR） 是最常用的一种硬度测量法，测量简便、迅速，数值可以从表盘上直接选出。洛氏硬度常用三种刻度，即HRC、HRA、HRB。
    2.布氏硬度（HB） 用淬火钢球作硬度头，加上一定试验力压人工件表面，试验力卸掉以后测量压痕直径大小，再查表或计算，使得出相应的布氏硬度值HB。布氏硬度测试主要用于退火、正火、调质等模具钢的硬度测定。
    3.维氏硬度（HV） 采用的压头是具有正方形底面的金刚石角锥体，锥体相对两面间的夹角为136°，硬度值等于试验力F与压痕表面积之比值。
    此法可以测试任何金属材料的硬度，但最常用于测定显微硬度，即金属内部不同组织的硬度。
    模具的力学性能要求--强度
    强度即钢材在服役过程中，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。
    衡量钢材强度常用的方法是进行拉伸试验。拉伸试验是在拉伸试验机上进行的，试棒需按规定的标准制备，拉伸过程中在记录纸上绘出拉伸力F与伸长量ΔL 之间的关系图，即所谓的拉伸曲线图，分析拉伸曲线图就可以得出金属的强度指标。对于在压缩条件下工作的模具，还经常给出抗压强度。
    对于模具钢，特别是含碳量高的冷作模具钢，因塑性很差，一般不用抗拉强度而是以抗弯强度作为实用指标。抗弯试验甚至对极脆的材料也能反映出一定的塑性。而 且，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。
    在拉伸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原状的变形，这部分变形被保留下来，成为永久变形，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。对模具材料要求具有高的屈服强度，如果模具产生了塑性变形，那么模具加工出来的零件尺寸和形状就会发生变化，产生废品，模具也就失效了。
模具的力学性能要求--塑性
    淬硬的模具钢塑性较差，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。
    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。
    模具的力学性能要求--韧性
    韧性是模具钢的一种重要性能指标，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。
    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。温度不同，冲击韧度也不相同。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，当温度下降到零下20～40℃时会变成脆性钢。
    为了提高钢的韧性，必须采取合理的锻造及热处理工艺。锻造时应使碳化物尽量打碎，并减少或消除碳化物偏析，热处理淬火时防止晶粒过于长大，冷却速度不要过高，以防内应力产生。模具使用前或使用过程中应采取一些措施减少内应力。
    模具的力学性能要求--特殊性能要求
    由于模具种类繁多，工作条件差别很大，因此模具的常规性能及相互配合要求也各不相同，而且某种模具实际性能与试样在特定条件下测得的数据也不一致。所以， 除测定材料的常规性能外，还必须根据所模拟的实际工况条件，对模具使用特性进行测量，并对模具的特殊性能提出要求，建立起正确评价模具性能的体系。
    对热作模具必须测试在高温条件下的硬度、强度和冲击韧度。因为热作模具是在某一特定温度下服役，在室温下测定的性能数据，当温度升高时要发生变化。性能变 化趋势和速率相差也很大，如A种材料在室温下硬度虽比材料B高，但随温度上升，硬度下降显著，到达—定温度后，硬度值反而会低于材料B。那么，当在较高温 度工作条件下要求耐磨性高时，就不能选用A种材料，而需选用室温下硬度值虽较低但随温度上升，硬度下降缓慢的材料B。
    对热作模具除要求室主高温条件下的硬度、强度、韧性外，还要求具有某些特殊性能。
    模具的力学性能要求--热稳定性
    热稳定性表征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，有资料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。
    模具的力学性能要求--塑性
    淬硬的模具钢塑性较差，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。
    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。
    模具的力学性能要求--韧性
    韧性是模具钢的一种重要性能指标，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。
    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。温度不同，冲击韧度也不相同。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，当温度下降到零下20～40℃时会变成脆性钢。
    为了提高钢的韧性，必须采取合理的锻造及热处理工艺。锻造时应使碳化物尽量打碎，并减少或消除碳化物偏析，热处理淬火时防止晶粒过于长大，冷却速度不要过高，以防内应力产生。模具使用前或使用过程中应采取一些措施减少内应力。
    模具的力学性能要求--特殊性能要求
    由于模具种类繁多，工作条件差别很大，因此模具的常规性能及相互配合要求也各不相同，而且某种模具实际性能与试样在特定条件下测得的数据也不一致。所以， 除测定材料的常规性能外，还必须根据所模拟的实际工况条件，对模具使用特性进行测量，并对模具的特殊性能提出要求，建立起正确评价模具性能的体系。
    对热作模具必须测试在高温条件下的硬度、强度和冲击韧度。因为热作模具是在某一特定温度下服役，在室温下测定的性能数据，当温度升高时要发生变化。性能变 化趋势和速率相差也很大，如A种材料在室温下硬度虽比材料B高，但随温度上升，硬度下降显著，到达—定温度后，硬度值反而会低于材料B。那么，当在较高温 度工作条件下要求耐磨性高时，就不能选用A种材料，而需选用室温下硬度值虽较低但随温度上升，硬度下降缓慢的材料B。
    对热作模具除要求室主高温条件下的硬度、强度、韧性外，还要求具有某些特殊性能。
    模具的力学性能要求--热稳定性
    热稳定性表征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，有资料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。