机械负荷在热锻成型技术中产生的影响

机械负荷在热锻成型技术中产生的影响

刘志勇

刘志勇（华中科技大学文华学院材料成型及控制工程08级（1）班，湖北武汉430000）

摘要：热锻模的损坏失效与其所受负荷密切相关。热负荷不断恶化锻模材料的工作性能，破坏型腔表面的承载能力，机械负荷使业已恶化的型腔表面加速破坏，二者虽然性质不同，但由于同时作用在模具的工作表层上，故对锻模的损伤起到了相互促进的作用。其中热负荷不仅严重地影响到模具型腔部位的工作条件，而且还直接影响到模具的使用寿命。因此，要想提高锻模寿命，就必须了解作用在锻模上的各种负荷及其影响锻模寿命的机理。

关键词：热锻造；热负荷；温度场；应力场

1概述

热锻模在其工作过程中主要承受两种不同类型的动态负荷：热负荷和机械负荷，二者虽然性质不同，但由于它们同时作用在模具型腔表面上，故对锻模的损坏起到相互促进作用。

2热负荷及其产生的影响

热负荷来源于型腔表面与热锻件接触时的热传导和锻件沿型腔表面滑移时产生的摩擦热效应。其大小除与锻件的温度、变形强度、润滑等因素有关外，主要取决于型腔表面与锻件在高压下接触的持续时间。在锤或压力机上模锻时，锻模所受的热负荷按如下规律进行变化加载时，型腔表面的温度迅速上升到峰值。型腔表面在热负荷的反复作用下可能会发生四种不同形式的反应：热疲劳、相变、回火和塑性变形。它们都会在不同程度上加速锻模的损坏，使其使用寿命降低。

2.1热疲劳

在受高温影响的型腔表面层中，由于各点温度不同，形成了三维方向的温度梯度。随着型腔表面的骤热和骤冷，受其影响的各质点也将发生相应的膨胀和收缩，并承受因邻近各点约束而产生的应力。这里的应力分为拉应力和压应力。以型腔表面上某点为例：骤热时，承受由邻近各点阻碍其膨胀而产生的压应力；骤冷时，承受由邻近各点阻碍其收缩而产生的拉应力。这说明在一次热脉冲作用的过程中，型腔表面各点要承受一次方向相反的交变应力的作用。这个作用称为热冲击，相应的应力称为温度应力（热应力），因热冲击作用而引起的疲劳称为热疲劳。

热冲击的激烈程度与热脉冲循环的上、下限温度有关，即与型腔表面的峰值温度和模体温度有关。上、下限温度之差形成温度应力，它影响锻模的热疲劳寿命。其它诸如为了减少模具截面上的温度梯度而增大模具钢的热传导系数等方法，均因锻模的热脉冲过程极为短暂而难以受到明显的效果。

2.2相变

锻造时，型腔表面的峰值温度很高，但时间却很短，这意味着，峰值温度一经呈现，就立即被激冷。在这种情况下，如果型腔表面的峰值温度超过模体材料的奥氏体化温度，而模体温度有低于模具材料的马氏体相变温度（Ms）时，就会在型腔的高温表面层中发生相变，形成马氏体组织。马氏体组织的出现不但同时伴随着体积的增大，使型腔表面层中的应力状态更加复杂，还会使型腔表面脆化，冲击韧性降低。

2.3回火反应

型腔表面在热负荷的反复作用下，无论是否发生相变，都会产生回火反应。型腔表面发生回火反应后，其机械性能大大下降。回火反应的速度取决于型腔表面的峰值温度。峰值温度越高，回火速度越快，型腔表面层的机械性能恶化也越迅速。

3机械负荷及其产生的影响

设备施加在锻模上的负荷成为机械负荷。它是锻模在工作过程中所承受的各种机械应力的根源。锻模在机械负荷的作用下，可能会以脆性破裂、机械裂纹、机械磨损和塑性变形四种形式而损坏。

3.1脆性破裂

锻造过程中，设备故障、锻模安装不当、无锻件空击、锻造温度过低、锻模预热不良等原因，都会导致锻模产生脆性破裂。脆性破裂属于非正常损坏，在锻模使用中应该慎重对待，尽量避免。

3.2机械裂纹

机械负荷与热负荷一样，也以脉冲的方式周期性地作用在锻模上。锻模在这种脉冲式机械负荷作用下，可能产生机械疲劳破损。其过程为：加载时，型腔中的某（些）点要承受很高的脉冲机械应力的作用，并且逐渐疲劳。在此情况下，如果某瞬时的机械应力大于模具材料的疲劳极限时，就会产生裂纹胚，并随着机械负荷的反复进行而不断长大，形成机械疲劳裂纹。当该裂纹长大到某一极限尺寸时，某瞬间的峰值机械应力就会使锻模破裂。

3.3机械磨损

在一般情况下，机械磨损是锻模最普遍的损坏形式。对锻模而言，型腔表面上的摩擦和磨损状态主要取决于型腔各部位的受力状态。根据各部位所承受的负荷特征，可将型腔表面大致划分为三个区域：压力区、剪力区和过渡区。在压力区域中，锻件沿型腔表面基本不滑移，型腔表面主要承受压应力的作用。该压力的特点是在整个区域内分布不均匀，或由于锻件和型腔表面接触不均匀。结果，型腔表面不断糙化，逐渐变成点状的坑穴，最后扩展成网状的压痕。在剪切区域中锻件沿型腔表面滑移，由于摩擦的结果，型腔表面要承受剪切应力的作用。在这种情况下，该剪切应力就会将型腔表面拉伤，形成与锻件滑移方向一致的沟槽。

过渡区域一般位于压力区和剪切区之间。在这个区域中，型腔表面要同时承受压应力和剪切应力的双重作用。锻模结构形状不同，上述三个区域的分布情况及其磨损的程度均不相同。一般来讲，剪切区的磨损量最大，过渡区最小，压力区居中。

3.4塑性变形

锻模在负荷的作用下会发生塑性变形。其原理是在不破坏整体性条件下的不可回复的形状改变，是锻模中个别晶粒的原子群被迫产生的不可逆位移的结果。

总结

本章首先分析了热锻模工作过程中赝受的负荷，认为锻模的损坏是其型腔表面承受多次热冲击和机械冲击共同作用的结果。其次，对热锻模的温度场和应力场进行了介绍和分析，发现影响等效综合应力中起主要作用的热应力的因素，包括锻模材料物性参数和模锻的工艺参数。

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