第四章第一节后部分

1、Hardness Friction and Wear Fatigue 4-1-6、4-1-7和和 4-1-8 材料的其他力学性能材料的其他力学性能 4-1-6 硬度硬度(hardness) 材料抵抗外物压入材料抵抗外物压入,抵抗表面形变的能力抵抗表面形变的能力. 表面硬度同材料的抗张强度、抗压强度和弹性模量等性质有 关 测定测定方法： （1）压痕压痕(压力)硬度法主要表征材料对变形的抗力；表征材料对变形的抗力； 布氏布氏硬度、 洛氏洛氏硬度、 维氏维氏硬度。 （2）回跳回跳硬度法表征材料弹性变形功表征材料弹性变形功的大小； 肖氏肖氏硬度 （3）刻痕刻痕（刻划）硬度法（非金属矿物，10-金刚石）

2、。表征材表征材 料对破裂的抗力料对破裂的抗力。显微显微硬度 滑石(talc)1（硬度最小），石膏(gypsum)2，方解石(calcite)3，萤石(fluorite)4，磷灰 石(apatite)5，正长石(feldspar;orthoclase;periclase)6，石英(quartz)7，黄玉(topaz)8， 刚玉(corundum)9，金刚石(diamond)10。 1、布氏硬度、布氏硬度 单位压痕表面积单位压痕表面积S上所承受的平均压力上所承受的平均压力 HB=P/S=P/ . h. D =2P/ . D. D- (D 2 d 2 ) 1/2 主要优点优点： 数值统一，分散性小而

3、重 复性好。 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。 缺点：缺点：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。 P / D 2 为定值为定值 2、洛氏硬度、洛氏硬度 HR=K- t/ 0.002 K 为常数, 100, 130 t 为压痕深度 优点优点：检测上限高于上限高于 布氏硬度； 压痕小压痕小，不损伤零 件的表面。 操作迅速操作迅速，直接读 数，效率很高。 适用于大量生产生产中 的工序控制和成品检 测。 缺点缺点：压痕小可使所 测数据缺乏代表性代表性。 不同标尺不同标尺的洛氏硬 度值是不可比的。 压头有两种：圆锥角是

4、120度的金刚石圆锥体。 直径D=1.588mm的淬火钢球。 九种标尺九种标尺 M 60 kg 0.635mm 高硬度 R 100 kg 1.27mm 低硬度 3. 维氏硬度维氏硬度 单位压痕面积上承受的名义应力值单位压痕面积上承受的名义应力值 HV=2Psin(136/ 2 ) / d 2 =1.8544P / d 2 金刚石的四方金刚石的四方 角锥体角锥体，四方 角锥体两相对 面间的夹角为 136 ， 针对布氏硬度和 洛氏硬度两方面 的缺点而设计的 测量范围较宽 4. 显微硬度（陶瓷）显微硬度（陶瓷） 5. 肖氏硬度肖氏硬度 HS = K. h / h 0 橡胶橡胶硬度常用邵式硬度计邵式硬

5、度计测量。橡胶制品的硬度范围一 般为A40-90。 塑料塑料的硬度可以用布氏硬度或洛氏硬度布氏硬度或洛氏硬度法测定。 硬度值取决于材料的弹性性质 材料弹性模量相同时可比较 操作简便，测量迅速，压痕小 塑性形变塑性形变 吸收能量吸收能量 6、材料的硬度、材料的硬度 及影响因素及影响因素 陶瓷陶瓷 高硬度 金属金属 原子结构、成分 硬度变化大 高分子高分子 低硬度 决定于材料的固有本性材料的固有本性 化学键强化学键强，材料的硬度一般就高， 共价键 离子键 金属键 氢键 范氏键 结构愈密结构愈密，分子间作用力愈强的材料其硬度愈高， 晶体类型、结晶与非晶 低温低温, 材料的硬度越高 表表4-1-7 一

6、些材料的硬度数据一些材料的硬度数据 材料 布 氏 硬度值 硬 度 P / D 2 洛 氏 P =100kg M 1/16 硬 度 P =60kg M 1/8 钢及铸铁 140 140 10 30 钢及其合金 130 5 10 15 轻金属及其合金 80 1.25，2.5 5，10，15 10，15 铅、锡 1，1.25 高压聚乙烯 40-70 -25 10 低压聚乙烯 - 20 聚氯乙烯 14-17 60 130 聚丙烯 - 80-95 聚苯乙烯 66 124 酚醛塑料（填充） 30 116 - 尼龙66 108 ABS 8-10 70 101-118 聚甲醛 10-11 94 120 聚碳酸

7、酯 9-10 75 118 聚砜 10-13 69 120 聚四氟乙烯 10-13 78 118 聚甲基丙烯酸甲酯 10-13 72 125 聚酯树脂 72 124 聚偏二氯乙烯 - 92 醋酸纤维 25 115 4-1-7 摩擦和磨损摩擦和磨损(friction and Wear) 机器工作效率和准确度降低 1. 摩擦与磨损的概念摩擦与磨损的概念 摩擦 摩擦力 摩擦系数 滑动摩擦 滚动摩擦 磨损 磨损机制(表4-8) 2. 摩擦摩擦 定义：两个相互接触的物体或物体与介质之间在外力作用下，定义：两个相互接触的物体或物体与介质之间在外力作用下， 发生相对运动或运动趋势，在接触表面上所产生的阻碍作

8、用。发生相对运动或运动趋势，在接触表面上所产生的阻碍作用。 根据阿蒙顿定律根据阿蒙顿定律,滑动摩擦系数滑动摩擦系数为： u = F / P 阿蒙顿定律未考虑实际接触面积 粘合摩擦系数粘合摩擦系数：摩擦力为剪断粘接点所需的功。 F= A r . S 如果接触点的形变是属于塑性的 （如塑料） A r = P / P m u = S / P m 材料的剪切强度越低材料的剪切强度越低,抗压强度越高抗压强度越高,摩擦系数越小。摩擦系数越小。 A r 实际接触面积实际接触面积； S 材料的剪切强度剪切强度。 P m材料塑性流动的抗压强度塑性流动的抗压强度 根据接触面运动方式不用，可以将摩擦分为滚动摩擦和滑

9、 动摩擦。 摩擦和磨损是物体相互接触并作相对运动时伴生的两种现 象。摩擦是磨损的原因，磨损是摩擦的必然结果摩擦是磨损的原因，磨损是摩擦的必然结果。 磨损：磨损：磨损是两 材料表面摩擦时，由于力学（有时还有温 度等环境因素）作用，材料从自身表面以各种形式剥落的 有害现象。 根据磨损机制可分为：咬合磨损，磨料磨损，腐蚀磨损， 微动磨损。表面疲劳磨损 如果接触点的形变是属于弹性的（如橡胶）如果接触点的形变是属于弹性的（如橡胶） Ar=K（P/E）x 弹性摩擦系数弹性摩擦系数： 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。 橡胶

10、等弹性材料的剪切强度和弹性模量是摩擦阻力橡胶等弹性材料的剪切强度和弹性模量是摩擦阻力 的主要控制因素，的主要控制因素，材料的剪切强度越小，弹性模量材料的剪切强度越小，弹性模量 越高，则摩擦系数越小。越高，则摩擦系数越小。 影响摩擦系数的因素：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 高聚物的组成与结构。 常用塑料塑料，除PTFE以外，在无油无油润滑时与钢与钢摩擦的摩擦摩擦 系数系数均在0.30.5之间。 高分子材料高分子材料的低摩擦系数与分子结构分子结构相关 硬质硬质高分子材料（塑料塑料）的摩擦系数随着温度温度的上升而增大 橡胶橡

11、胶的摩擦系数随着温度温度的升高而降低。 表表4-1-9 材料的摩擦系数材料的摩擦系数 高分子材料 高分子对金属高分子对金属 高分子对高分子高分子对高分子 聚氯乙烯 0.4 0.9 聚苯乙烯 0.4 0.5 改性聚苯乙烯 0.38 聚甲基丙烯酸甲 酯 0.25 0.4 0.5 0.4 0.4 0.6 尼龙66 0.3（0.36） 尼龙6 0.39 低密度聚乙烯 0.33 0.6 0.6 0.8 0.33 0.6 0.1 高密度聚乙烯 0.23 聚偏氯乙烯 0.68 1.8 聚氟化乙烯 聚三氟氯乙烯 0.58 聚四氟乙烯 0.04 0.10 0.10 0.15 0.04 酚醛树脂 0.61 橡胶

12、0.3 2.5 钢钢-钢钢 1.2 铜铜-铜铜 1.6 软钢软钢-软钢软钢 0.3 石墨石墨-石墨石墨 0.1 木材木材-钢钢 0.45 塑料塑料 1.0 3、磨损机制及影响因素、磨损机制及影响因素 磨料磨损磨料磨损 咬合磨损咬合磨损 腐蚀磨损腐蚀磨损 微动磨损微动磨损 疲劳磨损疲劳磨损 1.磨粒磨损（磨料磨损）磨粒磨损（磨料磨损） 由于摩擦表面上的硬质突出物或从外部进入摩擦表面的 硬质颗粒，对摩擦表面起到切削或刮擦作用，从而引起表层 材料脱落的现象，称为磨粒磨损。 减轻磨粒磨损：满足润滑条件，合理地选择摩擦副的材 料、降低表面粗糙度值以及加装防护密封装置等。 按照磨损的机理以及零件表面磨损状

13、态的不同把磨损分 为： 2.（咬合磨损）（咬合磨损）粘着磨损粘着磨损 粘着作用引起的磨损，称为粘着磨损。 粘着磨损按程度不同可分为五级：轻微磨损、涂抹、擦 伤、撕脱、咬死。 涂抹、擦伤、撕脱又称为胶合，往往发生于高速、重载 的场合。 合理地选择配对材料，采用表面处理，限制摩擦表面的 温度，控制压强及采用含有油性极压添加剂的润滑剂等， 都可减轻粘着磨损。 粘着粘着剪断剪断再粘着再粘着再剪断再剪断- 3. .微动磨损微动磨损 两接触表面小幅度的相对切向运动称为微动，压紧的 表面之间由于微动而发生的磨损称为微动磨损。微动磨损 是粘合、磨料、腐蚀和表面疲劳的复合磨损过程。 合理地选择材料及材料的硬度，

14、选择粘度高的润滑油， 加入极压添加剂或及减小摩擦面的粗糙度值等，可以提抗 疲劳磨损的能力。 4. .腐蚀磨损腐蚀磨损 在摩擦过程中，摩擦面与周围介质发生化学或电化学 反应而产生物质损失的现象，称为腐蚀磨损。 实际上大多数磨损是以上述四种磨损形式的复合形式实际上大多数磨损是以上述四种磨损形式的复合形式 出现的。出现的。 影响磨损性能的因素影响磨损性能的因素 A 弹性体与硬物弹性体与硬物表面接触，局部产生高速大变形， 导致弹性体局部韧性恶化而被撕裂 B 硬质材料与软材料硬质材料与软材料摩擦时，前者表面上的凸峰 嵌入后者的表面造成梨沟或划痕 C 材料的硬度材料的硬度 D 抗张强度抗张强度 E 撕裂强

15、度撕裂强度 F 疲劳强度疲劳强度 G 温度特性温度特性 耐磨性改善方法耐磨性改善方法： 塑料中加入减磨填料。 常用减磨填料减磨填料 A 软金属软金属，如铜、铅、铝、锌等； B 无机填料无机填料如石墨、二硫化钼、滑石、云母等； C 一些软的非极性的热塑性塑料软的非极性的热塑性塑料如聚四氟乙烯、聚 乙烯。 4、耐磨性评价及磨损试验方法、耐磨性评价及磨损试验方法 磨损量:失重法和尺寸法失重法和尺寸法 跑合阶段跑合阶段 稳定磨损阶段稳定磨损阶段 剧烈磨损阶段剧烈磨损阶段 此阶段的特征是磨 损速度及磨损率都 急剧增大。 在跑合阶段结束后 应清洗零件，更换 润滑油。 磨损的试验方法: 零件磨损试验 以实际

16、零件试验，不易进行单因素考察 试样磨损试验 材料加工成试样试验，多用于研究性试验 磨损试验机及特点： a. 圆盘-销式磨损试验机：摩擦速度可调，试验精度较高； b. 滚子式磨损试验机：测定材料在滑动摩擦、滚动摩擦、 滚动和滑动复合摩擦及间歇接触摩擦情况下的磨损量； c. 往复运动式磨损试验机：适用于试验导轨、缸套、活塞 环一类往复运动零件耐磨性 d. 砂纸磨损试验机：对磨材料为砂纸，该法简单易行； e. 切入式磨损试验机: 能较好地测定材料及处理工艺的耐磨 性。 表表4-1-10 塑料的摩擦系数与重量磨耗塑料的摩擦系数与重量磨耗 塑 料 动摩擦系数 摩耗损失（克） 常用的酚醛树脂 0.61 0

17、.057 尼龙6 0.39 0.015 尼龙66 0.36 0.025 聚三氟氯乙烯 0.56 0.159 改性聚苯乙烯 0.38 0.0016 高密度聚乙烯 0.23 0.0016 表表4-1-11 一些工程塑料与轴承合金的摩擦、磨损特性对比一些工程塑料与轴承合金的摩擦、磨损特性对比 材料名称 负荷 （kg） 时间 （min ） 摩擦系数 u 磨痕宽度 （mm） 磨损量 （mm2） POM 30 180 0.31 5.5 4.9 POM+25份Pb+5份 PTFE 30 180 0.22 2.9 0.71 MO尼龙 30 120 0.45 4.5 2.67 PI 30 120 0.34 4.

18、0 1.87 PI+20份PTFE+5份石 墨 30 180 0.17 2.5 0.46 PTFE 23 60 0.13 18.4 195 PTFE+20%铜粉+20% 玻纤+5%石墨 23 180 0.13 4.5 2.67 锡基巴氏合金（含 Sn91%） 30 60 0.800.95 (不稳定) 18.9 212 铅青铜 30 30 0.310.48 (不稳定) 19.3 227 高铅磷青铜 30 120 0.250.32 (不稳定) 16.6 144 锡铝锑合金（含Sn5% ） 23 180 0.330.49 (不稳定) 24.0 457 锡铝镁合金 23 180 0.320.48 (不

19、稳定) 14.5 92 高锡铝合金（含 Sn20%） 23 180 0.25 12.0 52 4-1-8 失效失效 Failure 材料在使用过程中，结构（形变）和性能随时间变化 至破坏 1.疲劳疲劳(fatigue） cyclic stresses （1）疲劳及疲劳强度疲劳及疲劳强度 疲劳：疲劳： 工程构件在服役过程 中，由于承受变动载荷变动载荷或 反复承受应力和应变，即 使应力低于屈服强度应力低于屈服强度，也会导致裂纹萌生和扩展裂纹萌生和扩展，以至构件 材料断裂断裂而失效，或使其力学性质变坏。 疲劳寿命疲劳寿命：特定振动下使材料破坏必需的周期数周期数。 疲劳寿命曲线疲劳寿命曲线 低循环疲劳区 （短寿命疲劳） 高循环疲劳区 （长寿命疲劳） 安全区（无限寿命区） 疲劳极限一条疲劳极限一条 水平渐进线，水平渐进线， 其高度其高度 ac 疲劳极限和疲劳强度疲劳极限和疲劳强度(fatigue strength) 疲劳强度疲劳强度用疲劳极限表示。MPa 工程实践中，疲劳极限疲劳极限定义为：在指定的疲劳寿命 下，上限应力幅值。 疲劳寿命疲劳寿命 通常取 N f =10 7 cycles （2）材料的耐疲劳性）材料的耐疲劳性 组成和结构组成和结构 陶瓷陶瓷 不好（脆，表面缺陷或裂纹） 金