塑性 淬硬后模具鋼的塑性較差,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。
斷面收縮率是指拉抻試棒經(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*表示。塑性材料拉斷以后有明顯的縮頸,所以*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,*值很小,說(shuō)明塑性很差。
(10)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,抗熱疲勞強(qiáng)度也越高。對(duì)于衡量模具脆斷傾向,沖擊韌性試驗(yàn)具有重要意義。
模具鋼的化學(xué)成分、晶粒度、純凈度、碳化物和夾雜物等的數(shù)量、形貌、尺寸大小及分布情況,以及模具鋼的熱處理制度和熱處理后得到的金相組織等因素,都對(duì)鋼的韌性帶來(lái)很大的影響。特別是鋼的純凈度和熱加工變形情況對(duì)于其橫向韌性的影響更為明顯,鋼的韌性、強(qiáng)度和耐磨性往往是相互矛盾的,通過(guò)合理地選擇鋼的化學(xué)成分并且采用合理的精練、熱加工和熱處理工藝,可以使模具材料的耐磨性、強(qiáng)度和韌性達(dá)到最佳的配合。
對(duì)于受強(qiáng)烈沖擊載荷的模具,如冷作模具的沖頭、錘用熱鍛模具、冷鐓模具、熱鍛模具等,模具鋼的韌性是十分重要的考慮因素;對(duì)于在高溫下工作的模具,還必須考慮其在高溫下的高溫韌性;而對(duì)于多向承受沖擊載荷作用的模具,還必須考慮其各向同性的影響。
沖擊韌性是表征材料在一次沖擊過(guò)程中試樣在整個(gè)斷裂過(guò)程中吸收的總能量。但是很多工具是在不同工作條件下疲勞斷裂的,因此,常規(guī)的沖擊韌性不能全面地反映模具鋼的斷裂性能。小能量多次沖擊斷裂功或多次斷裂壽命和疲勞壽命等試驗(yàn)技術(shù)正在被采用。
沖擊韌性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)以及艾氏沖擊試驗(yàn)。
影響沖擊韌性的因素很多。不同材質(zhì)的模具鋼沖擊韌性相差很大,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,沖擊韌性也不相同。通常是晶粒越粗大,碳化物偏析越嚴(yán)重(帶狀、網(wǎng)狀等)、鄧氏體組織越粗大等,這些都會(huì)促使鋼材變脆。一般情況是溫度越高沖擊韌性值越高,而有的鋼常溫下韌性很好,當(dāng)溫度下降到—20~—40℃時(shí)會(huì)變成脆性鋼。
(11)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熱穩(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鋼,可以根據(jù)熱穩(wěn)定性預(yù)測(cè)模具的壽命水平。
(12)回火穩(wěn)定性 回火穩(wěn)定性指鋼隨回火溫度升高,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。回火穩(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。
(13)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。
(14)抗咬合能力 咬合抗力實(shí)際就是發(fā)生“冷焊”時(shí)的抵抗力。該性能對(duì)于模具材料較為重要。試驗(yàn)時(shí)通常在干摩擦條件下,把被試驗(yàn)的工具鋼試樣與具有咬合傾向的材料(如奧氏體鋼)進(jìn)行恒速對(duì)偶摩擦運(yùn)動(dòng),以一定的速度逐漸增大,該載荷稱為“咬合臨界載荷”。
(15)抗軟化能力 抗軟化能力表征了模具在承載時(shí),因鋼的溫度升高對(duì)硬度、耐磨性的抵抗能力。
(16)抗壓屈服強(qiáng)度和抗壓彎曲強(qiáng)度 模具在使用過(guò)程中經(jīng)常受到強(qiáng)度較高的壓力和彎曲的作用,因此要求模具材料應(yīng)具有一定的抗壓強(qiáng)度和抗彎強(qiáng)度。在很多情況下,進(jìn)行抗壓試驗(yàn)和抗彎試驗(yàn)的條件接近于模具的實(shí)際工作條件。例如,所測(cè)得的模具鋼的抗壓屈服強(qiáng)度與沖頭工作時(shí)所表現(xiàn)出來(lái)的變形抗力較為吻合。抗彎試驗(yàn)的優(yōu)點(diǎn)是應(yīng)變量的絕對(duì)值大,能較靈敏地反映出不同鋼種之間以及在不同熱處理和組織狀態(tài)下變形抗力的差別。
(17)耐磨性 決定模具使用壽命最重要的因素往往是模具材料的耐磨性。模具在工作中承受相當(dāng)大的壓應(yīng)力和摩擦力,要求模具能夠在強(qiáng)烈摩擦狀況下仍保持其尺寸精度。模具的磨損形式主要有機(jī)械磨損、氧化磨損和熔融磨損三種類型。為了改善模具鋼的耐磨性,就是既保持模具鋼具有高的硬度,又要保證鋼中碳化物或其他硬化相的組成、形貌和分布比較合理。對(duì)于重載、高速磨損條件下服役的模具,要求模具鋼表面能形成薄而致密、黏附性好的氧化膜,保持潤(rùn)滑作用,減少模具和工件之間產(chǎn)生粘咬、焊合等熔融磨損,又能減少模具表面進(jìn)行氧化造成氧化磨損。所以模具的工作條件對(duì)鋼的磨損有較大的影響。
耐磨性可采用模擬的試驗(yàn)方法,測(cè)出相對(duì)的耐磨指數(shù)ε,作為表征不同化學(xué)成分及組織狀態(tài)下的耐磨性水平的參數(shù)。以呈現(xiàn)規(guī)定毛刺高度前的壽命,反映各種鋼的耐磨水平;試驗(yàn)是以Cr12MoV鋼為基準(zhǔn)(ε=1)進(jìn)行對(duì)比,反映工模具鋼在磨粒磨損條件下的耐磨性水平。
(18)抗熱疲勞能力及斷裂韌性 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。熱疲勞抗力通常以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。斷裂韌性則表征了裂紋失穩(wěn)擴(kuò)展抗力,斷裂韌性高,則裂紋不易發(fā)生失穩(wěn)擴(kuò)展。
除常規(guī)力學(xué)性能如沖擊韌性、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符合冷作模具實(shí)際使用狀態(tài)性能,作為模具材料的性能指標(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,是否把斷裂韌性作為冷作模具材料的一項(xiàng)重要性能指標(biāo),尚待研究和探討。熱作模具鋼在服役條件下除了承受載荷的周期性變化之外,還受到高溫及周期性的急冷急熱的作用,因此, 評(píng)價(jià)熱作模具鋼的斷裂抗力應(yīng)重視材料的熱機(jī)械疲勞斷裂性能。熱機(jī)械疲勞是一種綜合性能的指標(biāo),它包括抗熱疲勞性能、機(jī)械疲勞裂紋擴(kuò)展速率和斷裂韌性三個(gè)方面。
抗熱疲勞性能反映材料在熱疲勞裂紋萌生之前的工作壽命,抗熱疲勞性能高的材料,萌生熱疲勞裂紋的熱循環(huán)次數(shù)較多;機(jī)械疲勞裂紋擴(kuò)展速率反映材料在熱疲勞裂紋萌生之后,在鍛壓力的作用下裂紋向內(nèi)部擴(kuò)展時(shí),每一應(yīng)力循環(huán)的擴(kuò)展量;斷裂韌性反映材料對(duì)已存在的裂紋發(fā)和失穩(wěn)擴(kuò)展的抗力。斷裂韌性高的材料,其裂紋如要發(fā)生失穩(wěn)擴(kuò)展,必須在裂紋尖端具有足夠高的應(yīng)力強(qiáng)度因子,也就是必須有較大的裂紋長(zhǎng)度。在應(yīng)力恒定的前提下,在一種模具中已經(jīng)存在一條疲勞裂紋,如果模具材料的斷裂韌性值較高,則裂紋必須擴(kuò)展得更深,才能發(fā)生失穩(wěn)擴(kuò)展。
因此,抗熱疲勞性能決定了疲勞裂紋萌生前的那部分壽命;而機(jī)械疲勞裂紋擴(kuò)展速率和斷裂韌性,可以決定當(dāng)裂紋萌生后發(fā)生亞臨界擴(kuò)展的那部分壽命。因此,熱作模具如要獲得高的壽命,模具材料應(yīng)具備高的抗熱疲勞性能、低的機(jī)械疲勞裂紋擴(kuò)展速率和高的斷裂韌性值。
抗熱疲勞性能的指標(biāo)即可以用萌生熱疲勞裂紋的熱循環(huán)次數(shù)表示,也可以用經(jīng)過(guò)一定的熱循環(huán)后所出現(xiàn)的疲勞裂紋的條數(shù)及平均的深度或長(zhǎng)度來(lái)衡量。