冷作模具多用於金屬或者是非金屬的冷成型，應具有較高的強度、剛性、硬度，另外還要擁有較好的耐磨性以及較高的淬透性、淬硬性和其他工藝性能。冷作模具在金屬加工、塑料、儀器儀表以及通訊、家電、汽車製造等領域的模具產品中扮演非常重要的角色[1]。由以往的實際使用記錄以及失效情況統計來看，模具的選材與工藝制定在很大程度上決定了模具的質量。本文重點討論分析不同熱處理工藝下冷作模具設計用鋼的失效形態及特徵。
1冷作模具材料以及性能要求
冷作模具是模具的一種，它包含冷擠壓模、冷沖模、冷鐓模、拉絲模、搓絲模和壓印模等。對比熱作模具來說，冷作模具的表面質量要求、尺寸精度高，工作載荷大，而且加工的批量較大，大多是最終產品。基於這種工況的要求，冷作模具多數採用高合金或高碳鋼製作。冷作模具鋼對硬度、韌度、強度、抗疲勞能力以及抗磨能力的要求較高，對一些會產生劇烈變形的模具對材料的抗斷裂和變形能力要求會更高。為了給選擇模具材料以及制定熱處理工藝提供一些參考，根據以往的研究者的文章整理了部分冷作模具鋼的典型熱處理工藝以及力學性能，列於表1[3]。
2冷作模具失效問題分析
表2為國內冷擠壓、冷沖、冷鐓模具的失效情況統計結果。可以看出，磨損失效和過載失效是冷作模具的主要失效類型，大約占總數的80%以上。而冷沖模具的失效類型主要是正常磨損，冷擠壓模具的主要失效類型是脆斷或者正常磨損，而冷鐓模具的主要失效類型是斷裂或者非正常磨損。
2.1冷作模具鋼的工作應力、硬度與壽命之間的關係經過統計調查知道，冷擠壓模具承受的平均工作應力最大，約2500MPa，冷鐓模具約1500MPa，而冷沖模具約是500MPa。另外，實際生產應用中還要承受10%~20%的隨機載荷，局部應力會更大。冷作模具鋼的工作壽命是受硬度等綜合作用影響的。圖1為不同W6Mo5Cr4V2鋼冷擠壓沖頭失效類型的使用壽命與硬度。可以看出，A+B和C是兩個低硬度和低壽命區域，在低壽命區，當硬度小於63HRC時失效以塑變為主，而當硬度大於64HRC時失效以脆斷為主。另外早期失效還應分析材料以及其他因素影響。
2.2冷作模具的主要失效形式疲勞失效、磨損失效以及過載失效等是冷作模具的主要失效形式。圖2為幾種冷作模具鋼的典型失效形態。過載失效包括強度不足（圖2a）和韌度不足（圖2b）兩大類失效，其中更應重視的韌度不足導致的脆斷失效，它在失效發生前沒有顯著的塑性變形，宏觀斷口也沒有剪切唇，會導致模具的永久失效。解決這類失效的早期經驗方法是變形失效增加硬度，脆斷失效減少硬度。磨損失效包括正常磨損（圖2c）與非正常磨損失效（圖2d）兩大類，正常磨損失效主要與模具表面的抗磨損能力有關，而非正常磨損失效容易發生在冷擠壓模具以及拉伸、彎曲模具中。疲勞失效與多衝疲勞失效（圖2e）類似，實驗結果顯示，其裂紋源在距表面約200μm處，而改善多衝疲勞抗力的有效方法是改善模具表面應力狀態。
2.3冷作模具的抗斷裂能力分析通常採用硬度、αK、σs、σb、σf等指標評價失效抗力或者承載能力，存在裂紋缺口的還有缺口強度、KIC和JIC等指標，主要是因為這些指標的重現性較好，通過實驗測得的數據比較穩定，可以較好的反映材料的失效抗力。圖3為常見工程材料的斷裂韌度分布圖。脆性失效時W6Mo5Cr4V2鋼冷擠壓沖頭模具所承受的工作應變能是斷裂消耗能的近千倍，基本上所有的能量都轉變成擴展動能，致使沖頭爆裂。在選取模具材料和制定合理的熱處理工藝方面，能夠減少冷作模具失效的途徑主要有：細化冷作模具鋼的晶粒、提高模具的表面質量、復相組織增韌增強、纖維增強、復合多層梯度材料，以及通過不同的加工、熱處理工藝改善模具抗力。
3結論
在低壽命區，當硬度小於63HRC時冷作模具的失效以塑變為主，而當硬度大於64HRC時冷作模具的失效以脆斷為主。疲勞失效、磨損失效以及過載失效等是冷作模具的主要失效形式。
作者：文學紅 單位：佛山職業技術學院 機械工程院
1冷作模具材料以及性能要求
冷作模具是模具的一種，它包含冷擠壓模、冷沖模、冷鐓模、拉絲模、搓絲模和壓印模等。對比熱作模具來說，冷作模具的表面質量要求、尺寸精度高，工作載荷大，而且加工的批量較大，大多是最終產品。基於這種工況的要求，冷作模具多數採用高合金或高碳鋼製作。冷作模具鋼對硬度、韌度、強度、抗疲勞能力以及抗磨能力的要求較高，對一些會產生劇烈變形的模具對材料的抗斷裂和變形能力要求會更高。為了給選擇模具材料以及制定熱處理工藝提供一些參考，根據以往的研究者的文章整理了部分冷作模具鋼的典型熱處理工藝以及力學性能，列於表1[3]。
2冷作模具失效問題分析
表2為國內冷擠壓、冷沖、冷鐓模具的失效情況統計結果。可以看出，磨損失效和過載失效是冷作模具的主要失效類型，大約占總數的80%以上。而冷沖模具的失效類型主要是正常磨損，冷擠壓模具的主要失效類型是脆斷或者正常磨損，而冷鐓模具的主要失效類型是斷裂或者非正常磨損。
2.1冷作模具鋼的工作應力、硬度與壽命之間的關係經過統計調查知道，冷擠壓模具承受的平均工作應力最大，約2500MPa，冷鐓模具約1500MPa，而冷沖模具約是500MPa。另外，實際生產應用中還要承受10%~20%的隨機載荷，局部應力會更大。冷作模具鋼的工作壽命是受硬度等綜合作用影響的。圖1為不同W6Mo5Cr4V2鋼冷擠壓沖頭失效類型的使用壽命與硬度。可以看出，A+B和C是兩個低硬度和低壽命區域，在低壽命區，當硬度小於63HRC時失效以塑變為主，而當硬度大於64HRC時失效以脆斷為主。另外早期失效還應分析材料以及其他因素影響。
2.2冷作模具的主要失效形式疲勞失效、磨損失效以及過載失效等是冷作模具的主要失效形式。圖2為幾種冷作模具鋼的典型失效形態。過載失效包括強度不足（圖2a）和韌度不足（圖2b）兩大類失效，其中更應重視的韌度不足導致的脆斷失效，它在失效發生前沒有顯著的塑性變形，宏觀斷口也沒有剪切唇，會導致模具的永久失效。解決這類失效的早期經驗方法是變形失效增加硬度，脆斷失效減少硬度。磨損失效包括正常磨損（圖2c）與非正常磨損失效（圖2d）兩大類，正常磨損失效主要與模具表面的抗磨損能力有關，而非正常磨損失效容易發生在冷擠壓模具以及拉伸、彎曲模具中。疲勞失效與多衝疲勞失效（圖2e）類似，實驗結果顯示，其裂紋源在距表面約200μm處，而改善多衝疲勞抗力的有效方法是改善模具表面應力狀態。
2.3冷作模具的抗斷裂能力分析通常採用硬度、αK、σs、σb、σf等指標評價失效抗力或者承載能力，存在裂紋缺口的還有缺口強度、KIC和JIC等指標，主要是因為這些指標的重現性較好，通過實驗測得的數據比較穩定，可以較好的反映材料的失效抗力。圖3為常見工程材料的斷裂韌度分布圖。脆性失效時W6Mo5Cr4V2鋼冷擠壓沖頭模具所承受的工作應變能是斷裂消耗能的近千倍，基本上所有的能量都轉變成擴展動能，致使沖頭爆裂。在選取模具材料和制定合理的熱處理工藝方面，能夠減少冷作模具失效的途徑主要有：細化冷作模具鋼的晶粒、提高模具的表面質量、復相組織增韌增強、纖維增強、復合多層梯度材料，以及通過不同的加工、熱處理工藝改善模具抗力。
3結論
在低壽命區，當硬度小於63HRC時冷作模具的失效以塑變為主，而當硬度大於64HRC時冷作模具的失效以脆斷為主。疲勞失效、磨損失效以及過載失效等是冷作模具的主要失效形式。
作者：文學紅 單位：佛山職業技術學院 機械工程院
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