模具材料及失效分析：第三章_模具失效形式及机理
模具寿命与失效2
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(二)粘着磨损
磨损失效的类型和机理
1.粘着磨损的形成和特征 工件与模具表面相对运动时，由于表 面凹凸不平，某些接触点局部应力超 过了材料的屈服强度发生粘合，粘合 的结点发生剪切断裂而拽开，使模具 表面材料转移到工件上或脱落的现象 称为粘着磨损。
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粘着磨损
从以上分析可知，各种机理都可以解释 部分磨损特征，但都不能解释所有的磨 粒磨损现象
所以磨粒磨损过程可能是这几种机理综 合作用的反映，而其中的某一种损害可 能起主要作用。
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磨粒磨损
3.影响磨粒磨损的因素
1）磨粒尺寸与几何形状 磨粒尺寸越大，金属表面的体积磨损量越大。 但当磨粒的尺寸超过一定值后，体积磨损量 增加的幅度明显减小。
然后又在其他地方形成 新的粘着点，然后再被 破坏，如此循环过程就 构成粘着磨损。
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粘着磨损
3.影响粘着磨损的因素
（1）材料性质 （2）材料硬度
（3）模具与工件表面压力
（4）滑动摩擦速度
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（三）疲劳磨损
磨损失效的类型和机理
1.疲劳磨损的形成与特征 两接触表面相互运动时，在循环应力的 作用下，使表层金属疲劳脱落的现象称 为疲劳磨损。
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疲劳磨损
疲劳磨损的种类 模具疲劳磨损的外载有机械载荷和热载 荷。因此疲劳磨损可分为：
机械疲劳磨损、
冷热疲劳磨损。
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第三章 模具失效形式及机理
本章学习目标：
1、掌握模具失效主要形式
2、掌握磨损失效形式、失效机理以及影 响因素 3、掌握断裂失效形式、失效机理以及影响 因素 4、掌握塑性变形失效失效机理以及多种失 效形式的交互作用
模具的主要失效形式：
1.磨损失效 2.断裂失效 3.塑性变形失效
失效几率
早期失效
随机失效
图1-1 寿命特性曲线
耗损失效 使用时间
第一节 磨损失效
磨损：由于表面的相对运动，从接触表面 逐渐失去物质的现象。
磨损失效： 模具在服役时，与成形坯料接 触，产生相对运动，造成磨损。当该磨损使 模具的尺寸发生变化，或改变了模具的表面 状态使之不能继续服役时。
磨损的分类：
1.磨粒磨损(particle wear) 2.粘着磨损(adhesive wear) 3.疲劳磨损(fatigue wear) 4.气蚀和冲蚀磨损(cavitation erosion and wash-out wear)
图3-9 压力对磨损量的影响
d.磨粒尺寸与工件厚度的比值
工件厚度越大，磨粒越易嵌入工件，嵌入 越深，对模具的磨损越小。
磨粒 工件
( a) dm<t (b) dm=t (c) dm>t
图3-10 磨粒尺寸与工件厚度相对比值对磨损量的影响
提高耐磨粒磨损的措施 ： a.提高模具材料的硬度 b.进行表面耐磨处理 c.采用防护措施
图3-8 相对硬度对磨损量的影响
当Hm=Ho时，如II区，为磨损软化状态， 此时的磨损率急剧增加，曲线上升很徒。
当Hm>Ho 时，如III区， 为严重磨损状 态，此时磨损 量较大，曲线 趋平。
图3-8 相对硬度对磨着模具与工件表面压力的增加，磨粒压入 模具的深度增加，磨损越严重。但当压力达到 一定值后，磨粒棱角变钝，磨损增加趋缓。
常见模具失效形式及机理
▪ 主要的失效形式是磨损失效、塑性变形失效、冷热疲劳断裂失效 等。
1、锤锻模（锤锻模的工作条件）
（1）模具的受力
①冲击力 ②压力 ③内应力
（2）模具的受热
①锻前预热 ②与坯料接触的热 ③变形热和摩擦热
（3）模具的冷却 为减轻锤锻模热负荷，在工作间歇，对模具进行冷却。 由于加热冷却作用，易于产生热疲劳。 （4）型腔表面摩擦
利用探伤手段测得裂纹尺寸后，利用公式根据材料性能，可求出 相应的临界应力
c K1C ac
▪ 估计模具剩余寿命
Ny
ac a0 (da/dN)
▪ 指导修模工艺
(四) 影响断裂失效的主要因素
▪ 模具表面形状
▪ 模具材料
3 模具的过量变形失效
1.过量弹性变形失效 模具在使用过程中，产生的弹性变形量超过模具匹配 所允许的数值，使得成型的工件尺寸或成型精度不能 满足要求而不能服役的现象。
流到高
局部气压低于蒸汽压形成气 压区 气泡
泡或液体中析出的气泡
破裂
产生高温和 反复作用 极大冲击力
形成泡沫海 绵状空穴
局部金属脱离表 扩展至表面 模具浅表层产生疲
面或气化
劳裂纹
容易发生气蚀磨损的模具：
注塑模、压铸模
固体表面
▪ 什么叫冲蚀磨损？
液体和固体微小颗粒高速落到模具表面，反复冲击模具表面，使模具表 面局部材料流失，形成麻点和凹坑的现象。
▪ 提高磨粒磨损的措施
●提高模具材料的硬度 ●进行表面耐磨处理 ●采用防护措施
(二) 粘着磨损（咬合磨损）
▪ 什么叫粘着磨损？
工件与模具表面相对运动时，由于表面凹凸不平，粘着的节点发生剪切 断裂，使模具表面材料转移到工件上或脱落的现象。
模具材料及模具失效分析课件
冷作模具 钢
高碳高合金钢
中碳合金钢
低碳合金钢
热作模具钢
高韧性热作模具钢
高耐热性热作模具钢
如3Cr2W8V、4Cr5MoSiV1等，适用 于制造高速锤锻模、热冲裁模等，具 有高耐热性和高硬度。
塑料模具 钢
预硬型塑料模具钢
如3Cr2Mo、P20等，适用于制造大型塑料模具，预硬处理后可直接进行机械加 工，提高了生产效率。
02
模具材料及失效分析在工业生产中的应用
03
新型模具材料发展趋势展望
高性能模具材料的研究与应用
1
绿色环保模具材料的推广
2
智能化模具材料的发展
3
THANKS
感谢观看
模具在使用过程中，由于应力集中、 材料疲劳等原因导致裂纹产生，严重 时会导致模具断裂。
粘着
模具在高温、高压下与材料接触，容 易发生粘着现象，导致产品表面质量 下降、模具失效。
模具失效原因
01
材料原因
02
设计原因
03
制造原因
04
使用原因
模具失效预防措施
合理选材
提高制造精度
优化设计 规范使用
模具材料检测方法
模具材料及模具失效分析课件
• 模具材料概述 • 常见模具材料介绍
• 模具失效分析案例分享 • 总结与展望
模具材料分 类
01
02
冷作模具材料
热作模具材料
03 塑料模具材料
模具材料性能要求
良好的切削加工性能
。
高强度和韧性
高耐磨性 良好的抗热疲劳性能
模具材料选用原则
根据模具工作条件和失效形式选用
易切削型塑料模具钢
模具材料及模具失效分析
模具材料及模具失效分析一、模具材料模具是工业生产过程中常见的一种工具，用于制造各种产品的零部件。
模具的材料选择非常重要，直接关系到模具的使用寿命和制造成本。
现代模具材料主要包括金属材料和非金属材料两大类。
1.金属材料金属材料通常具有良好的韧性和耐磨性，可以承受较大的应力和变形，常用的金属材料有：(1)工具钢：工具钢是最常见的模具材料之一，具有高硬度、耐磨性好、韧性适中等特点。
根据具体的工作条件和要求，可以选用热处理工具钢、非调质工具钢或高速钢等不同种类的工具钢。
(2)铸造钢：铸造钢适用于大型模具的制造，具有较高的强度和耐磨性。
根据具体需要，可以选择低合金铸造钢、合金钢或特殊耐磨铸造钢等。
(3)铝合金：铝合金具有良好的加工性能和寿命，适用于制造小型模具。
常用的铝合金有铝青铜、铝镁合金等。
2.非金属材料非金属材料通常具有良好的绝缘性能和耐腐蚀性能，可以避免产品受到外部环境的干扰，常用的非金属材料有：(1)塑料模具材料：塑料模具材料具有良好的耐腐蚀性和绝缘性能，适用于制造精密零件。
常用的塑料模具材料有聚丙烯、聚四氟乙烯、聚氨酯等。
(2)橡胶模具材料：橡胶模具材料具有良好的弹性和耐磨性，适用于制造高要求的橡胶制品。
常用的橡胶模具材料有丁腈橡胶、硅橡胶等。
模具失效是指模具在使用过程中出现的各种损坏、故障和失效现象。
模具失效会导致产品质量下降、生产效率降低等问题。
模具失效通常可以分为以下几个方面进行分析：1.磨损失效：模具在使用过程中，由于受到较大的力和摩擦作用，会产生磨损现象。
磨损主要分为表面磨损和体积磨损两种类型，可以通过表面硬度测试、磨损重量测量等方法进行分析。
2.疲劳失效：模具在长期使用过程中，由于频繁的应力变化和变形，会产生疲劳现象。
疲劳失效一般表现为裂纹、断裂等现象，可以通过金相组织观察、断口形貌分析等方法进行分析。
3.塑性变形失效：模具在使用过程中，由于受到较大的应力和变形，会产生塑性变形现象。
董斌—模具失效分析
模具失效分析目录1引言模具失效2模具失效形式案例分析及其改进2、1模具磨损失效2、2模具断裂失效2、3模具塑性变形失效3总结4参考文献1引言模具失效冲压模具就是冲压生产中必不可少的工艺装备,就是技术密集型产品。
冲压件的质量、生产效率以及生产成本等,与模具设计与制造有直接关系。
模具设计与制造技术水平的高低,就是衡量一个国家产品制造水平高低的重要标志之一,在很大程度上决定着产品的质量、效益与新产品的开发能力。
生产中的冲压模具经过一定时间使用后,由于种种原因不能再冲出合格的产品,同时又不能修复的现象称为冲压模具的失效。
由于冲压模具类型、结构、模具材料、工作条件的不同,所以冲压模失效的原因也各不相同。
一般为塑性变形、磨损、断裂或开裂、金属疲劳及腐蚀等等。
模具的失效也可分为:正常失效与早期失效模具模具在工作中,与成形坯料接触,并受到相互作用力产生一定的相对运动造成磨损。
当磨损使模具的尺寸、精度、表面质量等发生变化而不能冲出合格的产品时,称为磨损失效,磨损失效就是模具的主要失效形式,为冲模的正常失效形式,不可避免。
按磨损机理,模具磨损可分为磨粒磨损、黏着磨损、疲劳磨损、腐蚀磨损。
①磨粒磨损硬质颗粒存在于坯料与模具接触表面之间,或坯料表面的硬突出物,刮擦模具表面引起材料脱落的现象称为磨粒磨损。
②黏着磨损坯料与模具表面相对运动,由于表面凹凸不平,黏着部分发生剪切断裂,使模具表面材料转移或脱落的现象称为黏着磨损。
③疲劳磨损坯料与模具表面相对运动,在循环应力的作用下,使表面材料疲劳脱落的现象称为疲劳磨损。
④腐蚀磨损在摩擦过程中,模具表面与周围介质发生化学或电化学反应,引起表层材料脱落的现象称为腐蚀磨损。
在模具与坯料相对运动过程中,实际磨损情况非常复杂。
工作中可能出现多种磨损形式,它们相互促进,最后以一种磨损形式失效。
冲裁模的工作条件冲裁模具主要用于各种板料的冲切。
从冲裁工艺分析中我们已经得知,板料的冲裁过程可以分为三个阶段:弹性变形阶段塑性变形阶段剪裂阶段对于薄板冲裁模,由于模具受到的冲击载荷不大,在正常的使用过程中,模具因摩擦产生的刃口磨损就是主要的失效形式磨损过程可分为初期磨损,正常磨损与急剧磨损三个阶段初期磨损阶段模具刃口与板料相碰时接触面积很小,刃口的单位压力很大,造成了刃口端面的塑性变形,一般称为塌陷磨损, 其磨损速度较快、正常磨损阶段当初期磨损达到一定程度后,刃口部位的单位压力逐渐减轻,同时刃口表面因应力集中产生应变硬化。
常见模具失效形式及机理讲解57页PPT
6
、
露
凝
无
游
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，
天
高
风
景
澈
。
7、翩翩新 来燕，双双入我庐 ，先巢故尚在，相 将还旧居。
8
、
吁
嗟
身
后
名
，
于
我
若
浮
烟
。
9、 陶渊 明（ 约 365年 —427年 ），字 元亮， （又 一说名 潜，字 渊明 ）号五 柳先生 ，私 谥“靖 节”， 东晋 末期南 朝宋初 期诗 人、文 学家、 辞赋 家、散
文 家 。汉 族 ，东 晋 浔阳 柴桑 人 （今 江西 九江 ） 。曾 做过 几 年小 官， 后辞 官 回家 ，从 此 隐居 ，田 园生 活 是陶 渊明 诗 的主 要题 材， 相 关作 品有 《饮 酒 》 、 《 归 园 田 居 》 、 《 桃花 源 记 》 、 《 五 柳先 生 传 》 、 《 归 去来 兮 辞 》 等 。
谢谢！
1
0
、
倚
南
窗
以
寄
傲
，
审
容
膝
之
易
安
。
61、奢侈是舒适的，否则就不是奢侈 。——CocoCha nel 62、少而好学，如日出之阳；壮而好学 ，如日 中之光 ；志而 好学， 如炳烛 之光。 ——刘 向 63、三军可夺帅也，匹夫不可夺志也。 ——孔 丘 64、人生就是学校。在那里，与其说好 的教师 是幸福 ，不如 说好的 教师是 不幸。 ——海 贝尔 65、接受挑战，就可以享受胜利的喜悦 。——杰纳勒 尔·乔治·S·巴顿
模具材料及模具失效分析
机械制造工程系 模具材料
武汉软件工程职业学院 模具材料与模具失效分析
成分及组织分析
①铬能提高钢的淬透性, 也是促成碳化物不均匀分布的 主要元素。
②加入钼、钒能进一步提高钢的淬透性,细化晶粒和共晶 碳化物,改善韧性,提高回火稳定性。
③Cr12MoV钢淬火后含有大量的残留奥氏体,热处理畸 变小。
④Cr12MoV钢属高碳高铬钢,耐磨性高,韧性差。组织中 含有大量的碳化物,碳化物偏析较严重,特别在模具尺寸较大 时导致锻造变形的方向性和强韧性降低。
机械制造工程系 模具材料
武汉软件工程职业学院 模具材料与模具失效分析
2. 模具的主要失效形式
➢ 模具失效 指模具工作部分发生严重磨损或损坏而不能用一般修
复方法（刃磨、抛磨）使其重新服役的现象。 模具的失效分：偶然失效 工作失效
➢ 模具寿命 指模具自正常服役至工作失效期间内所能完成制件
加工的次数。若模具在使用中需刃磨或翻修，则模具总 寿命为各次刃磨或翻修间隔内完成制件加工次数的总和。
武汉软件工程职业学院 模具材料与模具失效分析
3.模具失效分析 模具失效分析的步骤一般是：
生产现场 调查
模具用材 和制造工 艺调查
对模具进行 失效分析
机械制造工程系 模具材料
武汉软件工程职业学院 模具材料与模具失效分析
外观 断口
综 合 分
综合各方面的
分析结果，可判 断模具失效的原 因以及影响失效
金相
1. 模具的服役条件 ➢ 了解模具的服役条件，对正确选用模具材料及 热处理工艺相当重要。 ➢ 对模具服役条件的掌握也是对模具进行失效 分析的前提。 ➢ 一般情况下，模具的服役条件与安装模具的机 床类型、吨位、精度、行程次数、生产效率、被加 工件大小、尺寸、材质、变形抗力以及工件加热条 件、锻造成形温度、冷却及润滑条件等等都有关系， 因而模具服役条件也就会有很大的不同。
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磨损的结果:(1)模具尺寸发生变化；(2)模具表面状 态发生变化，如粗糙度增加、产生划痕等。
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第三章 模具失效形式及机理
一、磨损分类 根据模具的成形坯料、使用状况，其磨损机理可以
分为：磨粒磨损、粘着磨损、疲劳磨损、气蚀和冲蚀磨 损、腐蚀磨损。
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第三章 模具失效形式及机理
二、磨粒磨损 (二) 影响磨粒磨损的因素 ① 磨粒大小与形状 ② 磨粒硬度和模具材料硬度 ③ 模具与工件表面压力 ④ 磨粒尺寸与工件厚度的相
对比值
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第三章 模具失效形式及机理
二、磨粒磨损 (三) 提高耐磨粒磨损的措施 ① 提高模具材料的硬度 ② 进行表面耐磨处理 ③ 采用防护措施
多相的金属比单相的金属粘着倾向小；
互溶性大的材料(包括相同金属或相同晶格类型 的金属)所组成的摩擦副粘着倾向大；互溶性小的材 料(异种金属或晶格结构不相近的金属)组成的摩擦副 粘着倾向小。
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第三章 模具失效形式及机理
（三）影响粘着磨损的因素 ③ 材料硬度
模具材料和工件材料的硬度相差越大，磨损越小； 反之，磨损越大。
第三章 模具失效形式及机理
模具因类型不同、生产的产品不同，失效的形式也不同。 如：锻模失效主要因为尺寸不符合要求或锻模破裂；塑 料模具常常因表面光洁度不够而失效。 综合来讲，模具失效形式主要有三类：磨损、断裂、塑 性变形。
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第三章 模具失效形式及机理
第一节 磨损失效
磨损的概念：由于表面的相对运动，从接触表面逐渐 失去物质的现象称为磨损。
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第三章 模具失效形式及机理
(四) 提高耐粘着磨损性能的措施
① 合理选用模具材料 选与工件互溶性小的材料，减小亲合力，降低粘结
的可能性。
② 合理选用润滑剂和添加剂 润滑油膜一方面可防止金属表面直接接触，另一方面可 减小摩擦，成倍提高抗粘着磨损的能力。
③ 采用表面处理 采用表面处理改变摩擦表面金属组织结构，避免同
类金属表面接触。
Байду номын сангаас18
第三章 模具失效形式及机理
四、疲劳磨损 疲劳磨损的定义：工件与模具表面相对运动时，在循
环应力（机械应力与热应力）的作用下，使模具表层金 属材料疲劳脱落的现象。
接触疲劳磨损，主要特征为磨损表面有裂纹、小坑等， 磨损产物为块状或饼状。
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第三章 模具失效形式及机理
四、疲劳磨损
(一) 疲劳磨损的机理 在承受力和相对运动的情况下，模具表面及亚表面
3
第三章 模具失效形式及机理
二、磨粒磨损
磨粒磨损的定义: 在工件 和模具接触表面之间存在 外来硬质颗粒或者工件表 面的硬突出物，刮擦模具 表面，引起模具表面材料 脱落的现象叫磨粒磨损。
主要特征是模具表面有明显的划痕或犁沟，磨损物为条 状或切屑状。
4
第三章 模具失效形式及机理
二、磨粒磨损 (一) 磨粒磨损的机理（图3-1、图3-2）
13
第三章 模具失效形式及机理
（二）粘着磨损的分类 胶合（咬死）：粘结点强度远远高于模具和工件的强度 时发生。 摩擦副之间粘着面积较大，不能作相对运动 称咬死。剪切发生在模具或工件较深的地方。
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第三章 模具失效形式及机理
（三）影响粘着磨损的因素
① 表面压力
T1（接触压应力小于材料硬 度的1/3），磨损主要是通 过氧化碎屑的脱落而产生的， 属于轻微氧化磨损区； T1与T2之间为严重磨损区， 磨屑尺寸增大，加厚，且多 为金属屑； 当载荷继续增大超过T2后， 表面内摩擦增大而温度很高， 可能发生相变，并形成白层， 形成不易破碎的氧化膜，因 而耐磨。
（二）粘着磨损的分类 涂抹：粘结点强度介于模具和工件的强度之间时 发生。接点的剪切损坏发生在离粘着面不远的较 软金属的浅层内，使较软金属粘附并涂抹在较硬 金属表面上。
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第三章 模具失效形式及机理
（二）粘着磨损的分类 擦伤：粘结点强度高于模具和工件的强度时发生。接点 剪切损坏主要发生在较软金属的浅层内，有时硬金属表 面也有擦痕。转移到硬表面上的粘结物又擦削较软表面。 如铜与钢摩擦时，剪切大多发生在铜表层内，但钢表面 也残留少量的小坑；
载荷对碳钢表面磨损量的影响
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第三章 模具失效形式及机理
（三）影响粘着磨损的因素
② 材料性质 脆性材料比塑性材料粘着倾向小。塑性材料接点的断 裂常发生在离表面较深处，磨损下来的颗粒较大；而 脆性材料接点破坏处离表面较浅，磨屑呈细片状。
密排六方结构的金属材料粘着倾向小，面心立方 点阵的金属粘着倾向明显大于其他点阵的金属；
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第三章 模具失效形式及机理
（二）粘着磨损的分类 根据磨损程度，分为：轻微粘着磨损（氧化磨损）
和严重粘着磨损（涂抹、擦伤、胶合）。图3-6。 轻微粘着磨损（氧化磨损）：粘结点强度低于模具和工 件的强度时发生。接点的剪切损坏基本上发生在粘着面 上，表面材料的转移十分轻微。
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第三章 模具失效形式及机理
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第三章 模具失效形式及机理
三、粘着磨损 粘着磨损的定义：工件与模具表面相对运动时，由于
表面凹凸不平，粘着的结点发生剪切断裂，使模具表面 的材料转移到工件上或脱落的现象。
要特征是磨损产物多 为片状或小颗粒。
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第三章 模具失效形式及机理
(一)粘着磨损的机理 模具与工件表面的实际接触面积只有名义上的
不仅有多变的接触应力而且还有切应力，这些外力反复 作用一定周次后，模具表面就会产生局部塑性变形和加 工硬化。在某些组织不均匀处，由于应力集中，形成裂 纹源，并沿着切应力方向或夹杂物走向发展。当裂纹扩 展到表面时或与纵向裂纹相交时，形成磨损剥落。
磨料磨损时，作用在质点上的力分为垂直分力和水平分 力。 垂直分力使硬质点压入材料表面； 水平分力使硬质点与表面之间产生相对位移，硬质点与 材料相互作用的结果，使被磨损表面产生犁皱或切屑， 形成磨损或在表面留下沟槽。
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第三章 模具失效形式及机理
二、磨粒磨损 (一) 磨粒磨损的机理 （图3-1、图3-2）
0.01-0.1%，只有少数微观凸起处接触，压力很大， 引起塑性变形，加上表面因摩擦而温度升高，局部金 属软化或熔化，使表层的氧化膜破裂，使新鲜材料暴 露，造成工件与模具材料纯金属接触，分子间互相吸 引、渗透、粘着，使这些突起处联接起来。随着相对 运动的进行和接触部分的温度急剧下降，突起处相当 于进行了一次局部淬火，使粘着部分材料强度增加， 形成淬火裂纹，最后造成撕裂和剥落。图3-5为粘着 磨损过程。