《材料科学与工程基础》教案.doc

四 川 大 学 教 案【理、工科】周 次第 10 周， 第 10 次课备 注章 节名 称第四章 材料的性能；第一节 固体材料的力学性能Chapter 7断裂及强度的定义，英文概念应掌握授 课方 式理论课（）；实践课（ ）；实习（ ）教 学时 数3教学目的及要求1、 掌握强度的概念及测试方法和计算公式2、 了解脆性断裂和韧性断裂的机制及相互转变因素3、 了解理论断裂强度和脆性断裂理论的推导过程，及裂纹在脆性断裂中的重要作用4、 了解塑性变形机制，掌握断裂的计算；了解断裂韧性的类型，掌握断裂韧性的计算5、 掌握粘合摩擦和磨损机制；掌握疲劳的概念，了解疲劳寿命曲线与疲劳强度，疲劳断裂机制，提高材料耐疲劳性的途径6、 了解硬度的概念、布氏硬度、洛氏和维氏硬度的测试技术及区别。教 学 内 容 提 要时 间分 配学时14-1-5 强度、断裂及断裂韧性Strength, Fracture and Fracture Toughness of Materials Strength stress(tensile,compression and shear) flexural, torsional and impactFracture Brittle Fracture, Theoretical fracture strength Ductile Fracture with a plastic deformation Transition of Brittle and Ductilty Fracture Toughness5分4.1.5.1 强度1、强度的定义和分类 强度（Strength）：材料抵抗形变和断裂的能力。材料的内部应力分为：拉伸、压缩、剪切 强度分为：拉伸强度、压缩强度、剪切强度加载特征分为：弯曲、扭曲、冲击、疲劳2、屈服强度和压缩时，未到破坏强度，产生屈曲而失去承载能力（断裂、屈服、屈曲） 材料在拉伸材料未达到破坏强度，但发生屈服而失去承载能力。3、断裂强度和压缩时，未到破坏强度，产生屈曲而失去承载能力（断裂、屈服、屈曲）(1) 抗张强度 Tensile strength抗张强度亦称拉伸强度。 规定的温度、湿度和加载速度条件，标准试样上沿轴向施加拉伸力直到试样被拉断为止，计算断裂前试样所承受的最大载荷F max 与试样截面积之比。金属关心抵抗塑性变形的屈服强度，而不是断裂强度。压缩强度向试样施加单向压缩载荷。高分子材料的拉伸强度一般低于金属材料，但树脂基复合材料由于树脂与纤维的共同作用拉伸强度高于钢等金属材料。-尤其突出的是树脂基复合材料的比强度和比模量很高。碳纤维增强环氧树脂的比强度是钢的七倍，比模量比钢大三倍。25分表4-2Figure 7.10屈服强度、断裂强度概念；为重点掌握Figure 7.13表4-3表4-4理解并掌握基本概念(2) 弯曲强度 Flexural strength 抗弯强度亦称挠曲强度， s t =1.5 F max l0 / (b.d2) 弯曲试验的加载方式有两种 三点弯曲四点弯曲，可较好地反映材料全面的品质。这种试验的特点有：第一， 适用于A测定加工不方便的脆性材料，如铸铁、工具钢、硬质合金乃至陶瓷材料的断裂强度和塑性。B对于高分子材料，常用于筛选配方或控制产品质量。第二， 可较灵敏地反映材料的缺陷，以鉴别诸如渗钢、表面淬火等热处理零件的质量。一般而言，抗张强度大，则抗弯强度也大。(3) 抗冲强度 Impact strength材料的抗冲强度是A材料在高速冲击状态下的韧性或对断裂抵抗能力的量度。B指某一标准试样在断裂时单位面积上所需要的能量，而不是通常所指的“断裂应力”。 C其值与高速拉伸应力 应变曲线下的面积成正比。D不是材料的基本参数，而是一定几何形状的试样在特定试验条件下韧性的一个指标。最重要的冲击实验仪是摆锤式试验仪，按照矩形试条固定的方法分成 卡毕（Charpy）型 伊佐德（Izod）型原理：摆锤损失的能量就是材料冲击强度（IS）的度量。通常把抗试样冲强度引述为断裂能量 /断裂面积，单位为KJ /m2。冲击破坏是塑料构件一种常见的破坏形式。表4-4理解图4-26表4-5高分子材料的冲击韧性存在一定规律。 拉伸时呈脆性高聚物，如聚苯乙烯、有机玻璃等，它们的冲击值小于0.03 KJ /m 。 既强又韧的高聚物、如聚碳酸酯等，冲击值一般都大于0.10KJ /m。 可通过以下途径改善脆性高聚物的冲击强度：增大材料的断裂伸长而增大s e 曲线下的面积；共混可将橡胶机械分散在脆性高聚物中，组成软、硬相间两相体系；提高材料的抗张强度、增加s e 曲线下的面积，如将高强度纤维和高聚物组成两相体系的复合材料。在提高抗冲强度方面，聚合物共混具有特别重要的实际意义。金属，摆锤式冲击试验测定试样冲断的冲击吸收功，试样 夏比（Charpy）V型缺口夏比U型缺口。冲击韧性值，冲击吸收功除以缺口底部横截面积得到的商值。金属韧脆转变冲击韧性随温度的下降、显著降低。冷脆转变曲线，韧脆转变温度。(4) 抗扭强度 Torsional strength抗扭强度表征材料抵抗扭曲的能力。扭转试验机上测定。A在一定的扭矩M作用下，产生扭转角j，B扭矩M和扭转角j之间的关系曲线。C材料的抗扭强度t b =M b /W 表4-5图4-27例题From the tensile stressstrain behavior for the brass specimen shown in Figure7.12, determine the following:(a) The modulus of elasticity.(b) The yield strength at a strain offset of 0.002.(c) The maximum load that can be sustained by a cylindrical specimen having an original diameter of 12.8 mm (d) The change in length of a specimen originally 250 mm long that issubjected to a tensile stress of 345 MPa.SOLUTION(a) The modulus of elasticity is the slope of the elastic or initial linear portion of the stressstrain curve. In as much as the line segment passes through the origin, it is convenient to take both as zero. If is arbitrarily taken as 150 MPa, then will have a value of 0.0016. Therefore,which is very close to the value of 97 GPa (14 106 psi) given for brass in Table 7.1.(b) The 0.002 strain offset line is constructed as shown in the inset; its intersection with the stressstrain curve is at approximately 250 MPa, which is the yield strength of the brass.(c) The maximum load is calculated by using Equation 7.1, in which is taken to be the tensile strength, from Figure 7.12, 450 MPa. Solving for F, the maximum load, yields(d) In Equation 7.2, it is first necessary to determine the strain that is produced by a stress of 345 MPa. This is accomplished by locating the stress point on the stressstrain curve, point A, and reading the corresponding strain which is approximately 0.06. Inasmuch as l0 =250 mm, we have对应中文书例题4-4例题类型的计算是重点4.5.1.2 断裂 Fracture1、断裂和韧性 Fracture and toughness 断裂是主要破坏形式，韧性是材料抵抗断裂的能力。 延性断裂（韧性）：明显塑性变形 脆性断裂（脆断）：突然韧性又分断裂韧性和冲击韧性两大类。断裂韧性表征材料抵抗其内部裂纹扩展能力的性能指标；冲击韧性对材料在高速冲击负荷下韧性的度量。二者间存在着某种内在联系。实际应用中，材料的屈服和断裂是最值得引起注意的两个问题。通常用拉应力下获得的应力-应变实验曲线了解材料受力后变形、屈服直至断裂的全貌。从而评价材料的弹性、塑性、韧性、强度。断裂是构件失效(Failure)的主要形式之一，比塑性失稳、磨损和腐蚀等，更具有危险性。It is a measure of the degree of plastic deformation that has been sustained at fracture.A material that experience very little or no plastic deformation upon fracture is termed brittle断裂常根据断裂前是否发生明显的宏观塑性变形，或断裂前是否明显地吸收能量，把断裂分成：脆性断裂 brittle fracture，和韧性断裂（或延性断裂）。按照断裂机制分类：解离断裂、沿晶断裂微孔聚合型的延性断裂。按裂纹的走向分，穿晶断裂沿晶断裂。按裂纹的取向分，正断，正断时断裂面与最大主应力方向垂直切断。切断时断裂面与最大切应力方向一致，而与最大主应力方向成45度角。1、 脆性断裂Brittle fracture脆性断裂的宏观特征是A断裂前无明显的塑性变形（永久变形），吸收的能量很少，B裂纹的扩展速度往往很快，几近音速。C脆性断裂无明显的征兆可寻，断裂是突然发生的。D脆性断裂的宏观断口往往呈结晶状或颗粒状15分Chapter 7, and 9Figure 7-13断裂概念掌握内容脆性断裂危害大，充分理解2、脆性断裂（brittle fracture）常见的脆性断裂有解理断裂、晶间断裂A大多数情况下，解理断裂、晶间断裂是脆性断裂；个别情况下，它们也可能是韧性断裂，即断裂前有一定量的塑性变形。B脆性断裂与解理断裂、晶间断裂并不是同义词，前者是指宏观状态，后者是指断裂的微观机制。 解理断裂解理断裂是A拉应力作用，B原子间结合键遭到破坏，C严格地沿一定的结晶学平面（即所谓“理解面”）劈开。解理面：表面能最小的晶面，低指数晶面。解理断裂沿一族相互平行的的晶面（均为解理面）解理。平行解理面之间形成解理台阶，汇合形成河流状花样。另一特征是舌状花样解理裂纹沿孪晶界扩展而留下的舌状凸台或凹坑.面心立方金属不出现解理断裂滑移系较多和塑性好 准解理断裂马氏体回火中细小的碳化物质点影响裂纹的产生和扩展。有明显的撕裂棱，河流花样不十分明显。 晶间断裂晶间断裂裂纹沿晶界扩展的一种脆性断裂。裂纹扩展沿着消耗能量最小，即原子结合力最弱的区域进行。晶界不会开裂。发生晶间断裂势必由于某种原因降低了晶界结合强度。几种类型应了解图4-28，图4-29图4-30学时23、延性断裂(Ductile fracture)延性断裂：断裂前产生明显的永久变形，并且经常有缩颈现象发生。脆性断裂：断裂前没有或只有微量的永久变形，也没有缩颈现象，断裂是突然发生的。-低碳钢延性断裂；-铸铁脆性断裂。多数金属和合金通常是延性材料，大多数陶瓷、玻璃、云母和灰口铁，在室温下一般表现为脆性断裂。 延性断裂的特征及过程微观特征是韧窝形貌。过程可以概括为“微孔成核、微孔长大和微孔聚合”。在拉伸过程中，先有明显的塑性变形，然后经历下列所示的各阶段，再发生断裂。a. 形成缩颈。b. 微孔成核。c. 微孔逐渐长大。d. 裂纹沿垂直于拉力作用的方向往外扩展。e. 微孔聚合，直到最后断裂。 微孔成核、长大和聚合的机理微孔成核长大的机理： 位错； 变形的不协调两种聚合模式。正常的聚合“几何软化”。裂纹尖端与微孔、或微孔与微孔之间局部滑移，应变量大，快速剪切裂开。 影响延性断裂扩展的因素第二相粒子。第二相粒子的存在、体积分数、种类、形状基体的形变强化。 材料延性大小的表征（拉伸）15分Figure 7.25Figure 7.11Figure 9.1理解内容图4-31理解图4-32图4-33Figure 9.3断裂延伸率 percent elongation （percentage of plastic strain at fracture） %EL=(lf - l0 ) / l0 100 lf -the fracture length lo -the original gauge length横截面积减少率 Percent reduction in area %EL=(A0 - Af ) / A0 100 A0 - original cross-sectional area Af - cross-sectional area at the point of fracture 真实应力-应变曲线 TRUE STRESS AND STRAIN 拉伸 塑性形变 颈缩 试样横截面减小例题：EXAMPLE PROBLEM 7.4A cylindrical specimen of steel having an original diameter of 12.8 mm (0.505 in.) is tensile tested to fracture and found to have an engineering fracture strength of 460 MPa (67,000 psi). If its cross-sectional diameter at fracture is 10.7 mm (0.422 in.), determine:(a) The ductility in terms of percent reduction in area.(b) The true stress at fracture.SOLUTION(a) Ductility is computed using Equation 7.12, as(b) True stress is defined by Equation 7.15, where in this case the area is takenas the fracture area Af . However, the load at fracture must first be computedfrom the fracture strength asThus, the true stress is calculated as计算公式掌握难点Figure 7.16Figure 7.17理解英文书Example Problem 7.4该类型的题目计算为重点掌握内容4、脆性韧性转变ductile-to-brittle transition材料的断裂属延性还是脆性还与材料或构件的工作环境和受载方式等外部因素有关，如应力状态、温度、加载速率等。脆性状态或韧性状态。 温度和加载速率的影响温度对韧脆性转变影响显著对正断强度影响不大，对屈服强度影响很大。脆性转折温度急剧脆化。与材料的成分、纯度、晶粒大小、组织状态晶体结构等因素有关。加载速率提高，形成裂纹，增加了脆性倾向。 影响脆性韧性转变的微观结构因素第一、 晶格类型的影响 A面心立方晶格金属的塑性、韧性好，如铜、铝、奥氏体钢，一般不出现解理断裂，也没有韧-脆性转变温度。B体心立方和密排六方金属的塑性、韧性较差，如体心立方晶格的铁、铬、钨和普通钢材，韧脆转变受温度及加载速率的影响较大。C微量的氧、氮及间隙原子溶于体心立方晶格中会阻碍滑移，促进其脆性。第二、 成分的影响 A钢中含碳量增加，塑性抗力增加，韧脆性转变温度明显提高，转变的温度范围也加宽。B钢中的氧、氮、磷、硫、砷、锑和锡等杂质对钢的韧性也是不利的。C镍、锰以固溶状态存在，降低韧脆转变温度。D钢中形成化合物的合金元素，如铬、钼、钛等，是通过细化晶粒和形成第二相质点来影响韧脆性转变温度的。第三、 晶粒大小的影响 A晶粒细，屈服应力低于断裂抗力，是先屈服后断裂，断裂前有较大的塑性应变，是韧性断裂。B当晶粒尺寸大于某一数值时，断裂前不再有屈服，是脆性断裂。第二相粒子的影响 细小的第二相粒子有利于降低韧-脆性转变温度。15分图4-34 应力状态及其柔度系数切应力促进塑性变形，对韧性有利；拉应力促进断裂，不利于韧性。 柔度系数（也叫软性系数）a =t max / S max a 值愈大，愈易处于韧性状态。 a 值愈小，相反，愈易倾向脆性断裂。 单向拉伸，a =0.5； 三向不等拉伸，a 2。 例如，灰口铸铁在单向拉伸（a =0.5）时表现为脆性，而在测布氏硬度（侧压，a 2）时，可以压出一个很大的坑而不开裂。4.1.5.3、 理论断裂强度和脆断强度理论 1、理论断裂强度 (Theoretical fracture strength)正应力作用故称拉断。 根据原子键合的能量关系，估算理论解理强度。具体推导见教材。E= 10 2 GPa，g s =1J /m 2 ，a 0 =310-10 m，s m =18.3 GPa，其值大约为E/7。如金属铁，E= 200GPa，g s = 2 J /m 2 ，a 0 =2.510-10m，s m =40GMPa，约为E/5。脆性材料用弯曲试验，以表面上的最大应力来评价实际解理强度。约为E/1000，可见它要比理论解理强度（E/7）小得多。因为实际材料中存在着缺陷。高聚物的强度（断裂强度）。理论强度假定材料完全规整，根据原子间和分子间的内聚力以及单位面积的分子链数目求得的。聚乙烯理论拉伸强度为2030GPa 。高度取向，实际拉伸强度最大值为1.2GPa，未取向，实际强度比理论值小100倍以上。2、 Griffith（格列菲斯理论） 解释玻璃、陶瓷等脆性材料的实际断裂强度和理论断裂强度之间的巨大差异。15分难点公式的推导理解图4-35理论：A脆性材料发生断裂所需的能量在材料中的分布是不均匀的；B当名义应力还很低时，局部应力集中已经达到很高的数值，从而使裂纹快速扩展，并导致脆性断裂。C裂纹尖端局部区域的材料强度可以达到其理论强度值。D倘若应力集中超过材料的理论强度值，则裂纹扩展，引起材料的断裂。具体推导见教材中的公式 f =. E.s / (4a.a0 )1/2 c =2Es / (a)1/2需要强调：Griffith理论的前提是材料中存在着裂纹，但不涉及裂纹的来源。3、脆性断裂的位错理论Griffith理论基于实际晶体材料存在裂纹。晶体原无裂纹，在应力作用下，材料发生解理断裂的的理论位错理论。著名的理论有：Zener-Stroh位错塞积理论、Cottrell位错反应理论Smith碳化物开裂理论等等。这些理论都解释了脆性裂纹的成核和长大问题。4、永久变形的影响计算值显著低于实验值。其原因是裂纹前沿扩展所需的永久变形功上。c = 2E ( s +p ) / ( a)1/2图4-36图4-37例题： EXAMPLE PROBLEM 9.1A relatively large plate of a glass is subjected to a tensile stress of 40 MPa. If the specific surface energy and modulus of elasticity for this glass are 0.3 J/m2 and 69 GPa, respectively, determine the maximum length of a surface flaw that is possible without fracture.SOLUTIONTo solve this problem it is necessary to employ Equation 9.3. Rearrangement of this expression such that a is the dependent variable, and realizing that =40 MPa, s=0.3 J/m2，an E=69Gpa leads to裂纹失稳状态的临界应力，临界半裂纹长度。讲授计算的例题。对应中文例题4-6学时34.1.5.4 断裂韧性 Fracture toughness1、断裂韧性的提出提出实际裂纹考虑 强度、脆性断裂二者均表示断裂韧性2、裂纹体的三种变形模式含有裂纹的构件在外力作用下，裂纹扩展一般有三种。3、应力强度因子（KI）和断裂韧性指标（KIC）临界应力强度因子KcYsf(p.a)1/2sf改为外加应力 则KcKiKi的临界值KIC（断裂韧性）例题：Solution: KIC =Y. s c .（.a）1/2 =1.01000(3.140.7510-3)1/2 =27.4 Mpa m1/24、断裂韧性指标的测定5、影响断裂韧性指标的因素组织结构：晶粒尺寸、夹杂的第二相、组织构成马氏体、奥氏贝氏体、温度、加载速度6、材料的强化（断裂）消除（表面）微裂纹 形变 （取向） 复合化 细晶化15分图4-38表4-6 一些工程材料常温下断裂韧性指标树脂4.1.6 硬度硬度的概念，分类及测定方法。硬度Hardness表面硬度同材料的抗拉强度、抗压强度和弹性模量等性质有关，但硬度又同它们是完全不同的一种性质。材料的硬度在材料的机械加工，材料的摩擦、磨损方面是很重要。测定方法不同结果不同。常用的方法有三种：（1） 压痕(压力)硬度法主要表征材料对变形的抗力；（2） 回跳硬度法表征材料弹性变形功的大小；（3） 刻痕（刻划）硬度法（非金属矿物，10-金刚石）。表征材料对破裂的抗力。压痕法应用最广泛，分为布氏硬度、洛氏硬度维氏硬度。显微硬度：测定小载荷。回跳硬度：肖氏硬度法。硬度：材料抵抗表面形变的能力，抵抗外物压入。 Comparison of several hardness scales 布氏硬度布氏硬度是应用最广泛的压痕型硬度试验法之一。(1) 测定原理和方法是用一定的压力将淬火钢球或硬质合金球压入试样表面，保持规定的时间后卸除压力，于是在试件表面留下压痕。单位压痕表面积S上所承受的平均压力，定义为布氏硬度值。HB=P/S=P/ p. h. D =2P/ p. D. D- (D 2 d 2 ) 1/2 当压力和压头一定，即P/D2一定时，压痕直径越大，则布氏硬度越低，材料的变形抗力越小；反之，布氏硬度值越高，材料的变形抗力越大。(2) 优缺点和适用范围主要优点：数值统一，分散性小而重复性好。20分4-1-6本节主要是了解硬度分类了解Table 7.4Figure 7.30图4-39能较好地反映出较大范围内材料各组成相的综合平均性能。 对有较大晶粒或组成相的材料仍能适用。试样过薄以及要求大量快速检测、弹性变形较大时受到限制。洛氏硬度洛氏硬度也是一种压痕法测定硬度的方法，对布氏硬度有一定的改进。(1) 测定原理和方法洛氏硬度试验是用压痕深度t来表征材料的硬度。压头有两种：圆锥角是120度的金刚石圆锥体。 直径D=1.588mm的淬火钢球。洛氏硬度以M标尺和B标尺表示。HR=K- t/ 0.002 式中K为常数，采用金刚石圆锥头时K=100，采用钢球压头时K=130。洛氏硬度读数表直接读数。 九种标尺：(2) 优缺点和适用性优点：检测上限高于布氏硬度； 压痕小，不损伤零件的表面。 操作迅速，直接读数，效率很高。 适用于大量生产中的工序控制和成品检测。缺点：压痕小可使所测数据缺乏代表性。 不同标尺的洛氏硬度值是不可比的。维氏硬度布氏硬度测定要求满足P / D 2 为定值才能使其硬度值统一。洛氏硬度的各种标尺不能统一。维氏硬度是针对这两个方面的缺点而设计的， (1) 测定原理和方法维氏硬度和布氏硬度类似，也是用单位压痕面积上承受的名义应力值来计算硬度，但采用的压头不同。压头：金刚石的四方角锥体，四方角锥体两相对面间的夹角为136图4-40图4-41HV=2Psin(136/ 2 ) / d 2 =1.8544P / d 2 载荷有5，10，20，30，50和100kgf等6种。 (2) 优缺点及其适用范围优点：负荷可以任意选择。硬度值不受布氏法载荷和压头规定条件的约束。不存在洛氏硬度法不同标尺的硬度无法统一。维氏硬度法测量范围较宽，软硬材料都可测试。比洛氏硬度法能更好地测定薄件或薄层的硬度。维氏硬度的压痕轮廓清晰，测量精度较布氏法高。材料的硬度小于450HV时，维氏硬度值与布氏硬度值大致相同。维氏硬度法常用来测定表面硬化层以及仪表零件的硬度。缺点：效率较洛氏法低，但随自动维氏硬度机的发展，这一缺点将不复存在。显微硬度布氏、洛氏及维氏硬度三种硬度试验法测定载荷较大，只能测材料组织的平均硬度值。不能测定极小范围内物质的硬度或者研究扩散层组织、偏析相，硬化层深度以及极薄件等，也不能测定像陶瓷这样的脆性材料的硬度，此时就需要显微硬度。 (1) 维氏显微硬度是小载荷的维氏硬度，其测试原理和维氏硬度试验相同，硬度值同样用式4-57计算，并仍用符号HV表示。测试结果必须注明载荷大小。维氏显微硬度的表示如340HV0.1，它表示用0.1kgf的载荷测得的维氏显微硬度为340。 (2) 努氏硬度努氏硬度是维氏硬度试验方法的发展。压头：金刚石长棱形压头，两长棱夹角为172.5 ，两短棱夹角为130。压痕：长对角线L比短对角线W大7倍的压痕。努氏硬度值的定义与维氏硬度的不同，它是用单位压痕投影面积上所承受的力来定义的。 (3) 显微硬度的试验特点及应用特点：载荷小，压痕极小，灵敏度高。应用：特别适合于评定细线材的加工硬化程度，研究磨削时烧伤情况和由于摩擦、磨损或者由于辐照、磁场和环境介质而引起的材料表面层性质的变化，检查材料化学结构和组织结构上的不均匀性。显微硬度还可用于测定疲劳裂纹尖端塑性区的变化。肖氏硬度肖氏硬度又叫回跳硬度。测定原理：具有金刚石圆头或钢球的标准冲头从一定高度h 0 自由落体，然后由于试件的弹性变形回跳到某一高度h 。HS = K. h / h 0 C型肖氏硬度计，K=10 4 /65，对于D型硬度计，K=140。硬度值取决于材料的弹性性质。弹性模量不同的材料，其结果不能相互比较，如钢和橡胶的肖氏硬度值就不能比较。优点：具有操作简便，测量迅速，压痕小，携带方便，可到现场进行测试等特点。缺点：测定结果的精度较低，重复性差。应用：主要用于检测轧辊的质量和一些大型工件如机床床面、导轨、曲轴、大齿轮等的硬度。材料的硬度陶瓷 高硬度金属 原子结构、成分 硬度变化大高分子 低硬度橡胶硬度常用邵式硬度计测量。橡胶制品的硬度范围一般为A40-90。塑料的硬度可以用布氏硬度或洛氏硬度法测定。材料硬度是材料的固有本性所决定的与材料的组成和结构有着密切的关系。从化学键的角度讲，化学键强，材料的硬度一般就高，对于一价的键材料硬度按如下顺序共价键 离子键 金属键 氢键 范氏键完全由共价键组成的材料，其硬度最高。结构愈密，分子间作用力愈强的材料其硬度愈高，如具有高度交联网状结构的热固性塑料的硬度比未交联的要高得多。温度也有较大影响。向低温偏离玻璃化转变温度越远，材料的硬度越高。图4-424-1-7 摩擦和磨损 Friction and Wear是机器工作效率和准确度降低，甚至导致机器报废的一个重要原因。摩擦和磨损也增加了材料的消耗。1. 摩擦与磨损的概念摩擦：两个相互接触的物体相对运动，或有相对运动趋势在接触表面上的阻碍作用。摩擦力：阻碍物体之间、或物体与介质之间相对运动的阻力。 方向沿接触面切线方向，跟物体相对运动方向相反。摩擦系数：摩擦力与施加在摩擦面上的法向压力之比，以u表示。按两接触面运动方式，分为：滑动摩擦，滚动摩擦。滑动摩擦：滑动时产生的摩擦，如内燃机活塞在汽缸中的摩擦等。滚动摩擦：滚动时的摩擦，如滚动轴承的摩擦、齿轮之间的摩擦等。摩擦是磨损的原因，而磨损是摩擦的必然结果。磨损：A摩擦时，由于力学（有时还有温度、介质等物理、化学因素）作用，材料从自身表面以各种形式剥落的有害现象。B将给摩擦面带来多种型式的损伤和破坏。磨损分类 流体磨损 按环境和介质分类 湿磨损 干磨损。 金属-流体磨损 按表面接触性质 金属-金属磨损金属-磨料磨损（如金属-高分子磨损）10分掌握摩擦的概念了解摩擦的分类表4-8 咬合磨损 磨料磨损 目前常用的基于磨损的破坏机制分类 腐蚀磨损微动磨损表面疲劳磨损（接触疲劳）磨损机制：在磨损过程中材料是如何从表面破坏和脱落的，这里包括了磨损过程中接触表面发生的物理、化学和力学方面的变化、力的分布、大小和方向及其在表层和次表层发生的作用、同时还包括磨屑是怎样形成和如何从接触面脱落的。按磨损机制分类有利于根据不同破坏类型采取相应的对策。不同的外部条件，与不同材料磨擦时，损伤类型会发生转化。2. 摩擦克服摩擦力所作的功将转化为热能， 生产中总是力图减小摩擦系数，降低摩擦力；某些情况下却要求尽可能地增大摩擦力，如车辆的制动器、摩擦离合器、轮胎、鞋底材料摩擦系数相差很大。聚四氟乙烯的摩擦系数最小，橡胶具有高的摩擦系数。摩擦系数主要由材料的结构和组成所决定，界面分子的粘附是产生摩擦的重要原因。影响摩擦系数的因素： A两材料表面的相对硬度 B两表面的凹凸不平程度 C环境温度 D滑动速度 E高聚物的极性。滑动摩擦系数为：u = F / P 摩擦系数表4-8粘合摩擦系数：u = S / P m S材料的剪切强度，P m材料塑性流动的抗压强度。常用塑料，除PTEE以外，在无油润滑时与钢摩擦的摩擦系数均在0.30.5之间。弹性摩擦系数：u = K. S. P X-1. E - X E 杨氏模量；K 与实际接触面积的分布、形状和大小相关的常数；X 1。弹性摩擦系数的主要控制因素： A剪切强度 B弹性模量对具有粘弹性的高分子材料，部分高聚物在玻璃化转变温度以上的摩擦系数取决于滑动速度并一个最大值其形变并非完全塑性的，在剪切过程中所消耗的能量（摩擦力）在很大程度上与温度和滑动速率相关。硬质高分子材料（塑料）的摩擦系数随着温度的上升而增大；橡胶的摩擦系数随着温度的升高而降低。高分子材料的低摩擦系数与分子结构相关，如聚四氟乙烯的内聚能很低，显示出极低的剪切强度。当与金属相接触摩擦时，形成PTFE /PTFE的摩擦，表现出极低的摩擦阻力。3. 磨损机制及影响因素 咬合磨损粘合、分开反复进行很多次，便导致材料表面的损伤。粘合磨损量W = K. p. L / HB为减少咬合摩擦，合理选择摩擦副材料非常重要。热磨损是一种非常严重的咬合磨损根本原因是摩擦热 磨料磨损硬的磨粒或凸出物与零件表面摩擦过程中，使材料表面发生磨耗磨料磨损量A与接触压力、滑动距离成正比，B与材料的硬度成反比C与磨料或硬材料凸出部分尖端形状有关。公式4-68难点掌握粘合摩擦原因、摩擦系数公式4-70图4-43掌握磨损机制主要类型图4-44图4-45磨料磨损的影响因素： A材料的硬度 B材料的显微组织 基体组织 第二相 加工硬化 腐蚀磨损腐蚀磨损是摩擦面和周围介质发生化学或电化学反应形成的腐蚀产物，在摩擦过程中被剥离出来而造成的磨损。腐蚀