熱鍛模失效的主要形式有破裂、磨損、熱疲勞裂紋(以下簡稱熱裂)和模具發生塑性變形(壓塌)等,其中磨損和熱裂屬正常失效,而破裂和模具發生塑性變形屬非正常失效。設計鍛模時,為提高使用壽命要同時考慮這四方面的因素,尤其對非正常失效,更應予以重視。下面對熱鍛模破裂失效的原因進行分析,圖1~圖4是熱鍛模常見的破裂形式。
圖1 模膛深處開裂
圖2 燕尾轉角處開裂
圖3 縱向裂紋
圖4 模膛轉角處開裂
從外因看,引起破裂的原因主要是:
1)在極高的載荷下由于應力值超過模具材料的強度極限所致。這時經一次模壓(打擊)或極少次數模壓(打擊),模具便產生破裂。
2)在較低的應力下,經多次反復模壓(打擊),由于疲勞而產生破裂,一般叫做疲勞破裂。
兩種破裂形式可以從斷口的特征加以區別。疲勞破裂斷口一般是分為兩部分(圖5),一部分是疲勞裂紋發展形成的疲勞破裂部分,這部分由于疲勞裂紋的時進時停常常呈現出貝殼形狀;另一部分是突然斷裂部分,呈凸凹不平的粗糙狀態。該部分的裂紋由于是急速發展的,所以破裂面不呈貝殼形狀。
圖5 疲勞破裂斷口
模具承受沖擊載荷時更易于破裂,這不僅是由于某些材料(例如高速鋼)對沖擊載荷具有敏感性,而主要是由模具承受沖擊載荷時的受力特點所決定的。例如在沖擊載荷下進行閉式模鍛時(圖6),在毛坯充滿模膛之后,如果錘頭還有多余的能量則必然還要繼續向下移動,多余的能量主要由模具及設備的彈性變形所吸收。當多余能量較大時,根據能量轉換原理可以算得此時的錘頭打擊力是很大的,它將遠遠超過鍛件變形所需的力量,模具常常因為承受不了這么大的應力而破壞,這尤其是在模具具有應力集中處時更是危險。
圖6 閉式鍛模
設備在模鍛時具有多余能量的現象常常是不可避免的,這不僅在閉式模鍛時有,開式模鍛時也有。
從產生上述破壞情況的內因來看可能是:
1)采用的模具材料沖擊韌度低。
2)模塊沒有鍛透,內部有缺陷,組織不均。
3)熱處理不當,有時效裂紋。
4)模塊內的纖維方向安排不當。
綜上所述,為了防止模具破裂,在設計時應當考慮以下幾點:
1)模鍛時,模具內的應力值應低于材料的允許強度極限。
2)盡量減少應力集中情況。
3)多余能量的吸收問題。
4)選用適當的模具材料,并對模坯的鍛造和纖維方向的排布提出要求。