文档介绍：模具失效的案例分析
班级： 材料11302班
组号： 第 07 组
组员：陈帅挥 徐文涵 张栋
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精选课件
H13钢汽车热锻模具失效机理分析
1）模具及材料基本概况
2）模具失效的分析手段
3）模具失效的分析及结论
4）解决措施
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精选课件
H13钢汽车热锻模具失效机理分析
1）模具及材料基本概况：
模具材料及模具加工方式：
目前，国内汽车热锻模具钢大都采用 H 系列钢，具有较高的高温强度和抗回火能力，红硬性好，且有良好的抗高温疲劳腐蚀性能。此次分析的热锻模材料均为 H13 模具钢 , 钢号 4Cr5MoSiV1 , 其标准材料的化学成分如表 1 所示 。热锻模具材料的热处理工艺流程为 : 去应力退火 →淬火 → 3 次回火,模具表面还进行了氮化处理 , 最终洛氏硬度 (HRC) 在 49 ～ 50.
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模具的工作环境及寿命
此次分析的汽车热锻模具应用于轴类毛坯件的粗锻阶段，胚料初始温度 1200～1300℃，由于热作模具的工作面往往与高温坯料直接触，模具型腔的瞬时温度可达 600～700 ℃。另外，模具工作 中需采用喷水冷却，持续时间大约在 0．2～0．4S，这样使得模具在工作中产生周期性的温度变化，冷热交替循环易引起热疲劳。模具使用寿命调查发现，使用寿命较短的热锻模 具在 1600~1800件，使用寿命较长的在 5500~7000 件，模具平均寿命在 4000~5000件，寿命很不稳定， 而国外同类模具使用寿命一般在 1万件以上。
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2）模具失效的分析手段
表面宏观分析
对失效热锻模工作面宏观形貌观察，大部分失效热锻模都是在表面出现了不同程度的损伤，表面的磨痕清晰可见：沟痕、划伤、粘着磨损现象。除磨损外，还有大量的冷热疲劳裂纹，呈网状 (龟裂状)或放射状分布。
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裂纹处的显微形貌 为进一步观察裂纹部位的细节，选取了具有典型裂纹的上模下端面的失效部位，用线切割机切割裂纹部位，进行取样分析，样件尺寸 10mmX 10mmX 6mm。通Philpsquant-200型扫描电子显微镜进行观测，得到了不同倍数的扫描电镜图片，可以看到，在失效模具表面边缘处出现大量的蚀点 ，边缘磨损严重，失去形状 。模具表面分布裂纹 ，裂纹深浅程度不一，主裂纹周围伴有大量细小裂纹 ，靠 近模具端部的细小裂纹已经纵横沟通，由边缘向内部延伸 。裂纹内有氧化物夹杂 ，并且模具端部裂纹表面有部分脱落 ，脱落部分面积大约有 200 mm x 80 mm大小。模具材料的表层组织发生变化 ，有表面氧化现象 。
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能谱分析
为了更深入地研究模具失效的原因，鉴定裂纹内外元素含量的变化及合金元素扩散的情况，进行了裂纹区域的能谱分析(EDS)。为便于比较，在试样上选取了位于裂纹处及基体上的A,B两个点进行扫描，利用GENESIS型能谱分析仪，从而得到了裂纹内及基体处的 EDS图谱。
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裂纹A与裂纹B处的元素情况
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3）模具失效的分析及结论
裂纹处的扫描图谱中没有发现合金元素 M n ，M o ，V ，Si，裂纹附近的合金元素也发生了变化 ——合金元素含量改变。
由此可知，在高温腐蚀的环境作用下，失效模具钢表面的合金元素进行了重新分布 ，裂纹处的合金元素 M n，M o，V ，Cr 的含量大幅降低 ，导致模具材料的局部强度下降 ，形成可能的裂纹萌生源 。这种初始裂纹在外载荷，尤其是强烈的冲击载荷和冷热交替循环产生的交变热应力作用下，极易增长。扩展的裂纹逐渐沟通融合 ，即可产生宏观裂纹 ，产生龟裂现象 。此外 ，在高温腐蚀下模具表面产生氧化物，脆性氧化物的脱落降低了模具表的耐磨性和抗氧化性 ，加速了表层磨损 ，最终导致模具失效。
对裂纹深处的进一步研究表明，穿过表层的裂纹内未见有脱碳 ，裂纹内部也未见氧化现象 ，所以，可以认为裂纹不是由热处理产生的。
裂纹内及裂纹附近均出现了氧元素，裂纹处的含量更高 ，模具钢表面发生了氧化腐蚀，且裂纹处氧化严重。
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显微硬度分析 利用 FM-300维氏显微硬度计测定了裂附近的显微硬度。从测量结果看 ，可以观察到失效模表面有一退化层 ，其深度在300～800m之间，退化层上分布有裂纹 ；越靠近材料表面硬度值越低 ，硬度值的变化范围在 195～455HV 之间，而H13 模具钢原始硬度应在 500 HV左右 。而且模具钢表面经过高温氧化腐蚀后 ，材料内化学元素含量的比例发生改变 ，合金元重新分布 ，且越靠近表面的部位合金