第十八章塑料材料性能表征与测试-2ppt课件

1、第十八章 塑料性能表征与测试冲击韧性、疲劳、摩擦和磨损、蠕变 冲击吸收功冲击吸收功Ak，单位：，单位：J冲击韧性：材料在冲击载荷下吸收塑性变形功和冲击韧性：材料在冲击载荷下吸收塑性变形功和断裂功的能力。是材料强度和塑性的综合表现。断裂功的能力。是材料强度和塑性的综合表现。Fk：试样缺口处的横截面积：试样缺口处的横截面积冲击韧度冲击韧度ak (ak Ak/Fk，单位：，单位：J/cm2)衡量指标：衡量指标：或称为冲击强度或称为冲击强度1.1.材料的冲击韧性材料的冲击韧性2.2.冲击试验冲击试验不同材料或不同用途可选择不同的冲击试验不同材料或不同用途可选择不同的冲击试验方法，由于各种试验方法中试样

2、受力形式和方法，由于各种试验方法中试样受力形式和冲击物的几何形状不同，不同的试验方法所冲击物的几何形状不同，不同的试验方法所测得的冲击强度结果不能相互比较。测得的冲击强度结果不能相互比较。单次冲击不足以破坏材料。单次冲击不足以破坏材料。冲击疲劳、断裂冲击疲劳、断裂摆锤式弯曲冲击摆锤式弯曲冲击摆锤冲击试验中试样的安放方式摆锤冲击试验中试样的安放方式 （a简支梁型简支梁型（b悬臂梁型悬臂梁型冲击性能冲击性能l冲击性能实验是在冲击负荷的作用下冲击性能实验是在冲击负荷的作用下测定材料的冲击强度。测定材料的冲击强度。l在实验中，对试样施加一次冲击负荷在实验中，对试样施加一次冲击负荷使试样破坏，记录下试样

3、破坏时或过程使试样破坏，记录下试样破坏时或过程中试样单位截面积所吸收的能量，即得中试样单位截面积所吸收的能量，即得到冲击强度。到冲击强度。l在工程应用上，冲击强度是一项重要在工程应用上，冲击强度是一项重要的性能指标，通过抗冲击试验，可以评的性能指标，通过抗冲击试验，可以评价材料在高速冲击状态下抵抗冲击的能价材料在高速冲击状态下抵抗冲击的能力或判断材料的脆性和韧性程度。力或判断材料的脆性和韧性程度。 仪器：简支梁冲击试验机，对试样施仪器：简支梁冲击试验机，对试样施加一次冲击弯曲负荷使之破坏，并用试加一次冲击弯曲负荷使之破坏，并用试样破坏时单位面积所吸收的能量表征该样破坏时单位面积所吸收的能量表征

4、该材料的冲击韧性。材料的冲击韧性。简单易行，在控制产品质量、比较结简单易行，在控制产品质量、比较结构或制品的韧性时是一种经常使用的测构或制品的韧性时是一种经常使用的测试方法。试方法。简支梁式摆锤冲击试验方法简支梁式摆锤冲击试验方法 试样为矩形截面的长条形，分无缺口试祥和缺口试样试样为矩形截面的长条形，分无缺口试祥和缺口试样缺口试样要求切口平整、表面光洁、无杂质及气泡等缺陷缺口试样要求切口平整、表面光洁、无杂质及气泡等缺陷原理：试样被冲断过原理：试样被冲断过程中吸收的能量即冲程中吸收的能量即冲击吸收功击吸收功Ak ）等于）等于摆锤冲击试样前后的摆锤冲击试样前后的势能差。势能差。式中：式中：AK冲

5、击功，试样断裂前吸收的能量；冲击功，试样断裂前吸收的能量； Fk 缺口处截面面积；缺口处截面面积；G摆锤重量；摆锤重量； hh1冲断试样前后摆锤的高度差冲断试样前后摆锤的高度差计算公式：计算公式：Ak=Gh G h1 =Gh h1） = AK/Fk （KJ/m2）AK是一个由强度和塑性共同决定的综合性力是一个由强度和塑性共同决定的综合性力学性能指标，零件设计时，虽不能直接计算，学性能指标，零件设计时，虽不能直接计算，但它是一个重要参考。但它是一个重要参考。 评定材料对大能量冲击载荷的抵抗能力。评定材料对大能量冲击载荷的抵抗能力。 评定材料的低温脆性情况，可以测定材料的评定材料的低温脆性情况，可

6、以测定材料的韧脆转变温度范围。韧脆转变温度范围。3.3.冲击韧性的用途冲击韧性的用途4.4.低温脆性及韧脆转变温度低温脆性及韧脆转变温度（1 1低温脆性现象低温脆性现象 在低温下，材料的脆性急剧增加。在低温下，材料的脆性急剧增加。 对压力容器、桥梁、汽车、船舶的影对压力容器、桥梁、汽车、船舶的影响较大。响较大。实质为温度下降，屈服强度急剧增加实质为温度下降，屈服强度急剧增加TTk, 先达到先达到s，韧性断裂，韧性断裂 通过测定材料在不同温度下的冲击吸收功，就可测出某种材料冲击吸收功与温度的关系曲线。 不同温度下的冲击试验称为系列冲击试验系列冲击试验系列冲击试验奥氏体钢低强度铁素体钢高强度钢冲击

7、吸收功冲击吸收功 AkAk温度温度T TTkTkl 温度对材料的韧性影响很大，在某个温度对材料的韧性影响很大，在某个温度下，冲击吸收功发生急剧下降，试温度下，冲击吸收功发生急剧下降，试样断口由韧性断口过渡为脆性断口，材样断口由韧性断口过渡为脆性断口，材料由韧性状态转变为脆性状态，此温度料由韧性状态转变为脆性状态，此温度称为韧脆转变温度，称为韧脆转变温度，Tk。l Ak越高，越高，Tk越低，材料的韧性越好。越低，材料的韧性越好。l 材料的使用温度应高于材料的使用温度应高于Tk（2韧脆转变温度韧脆转变温度l Ak是对材料的成分和组织敏感的力是对材料的成分和组织敏感的力学性能指标。奥氏体钢韧性最高，

8、无明学性能指标。奥氏体钢韧性最高，无明显的显的Tk ，低温韧性好；低强度铁素体，低温韧性好；低强度铁素体钢韧性次之，有明显的钢韧性次之，有明显的Tk ，低温韧性，低温韧性差；高强度钢韧性最差，即使室温韧性差；高强度钢韧性最差，即使室温韧性也很低。也很低。1. 疲劳疲劳指在交变的周期性应力或频繁的重复应力指在交变的周期性应力或频繁的重复应力如振动作用下，塑料力学性能衰减以致如振动作用下，塑料力学性能衰减以致最终破坏的现象。最终破坏的现象。n引起疲劳的载荷形式可以是拉伸、弯曲、紧缩、扭转引起疲劳的载荷形式可以是拉伸、弯曲、紧缩、扭转等，最初在试样上产生微小疲劳裂纹，裂纹逐渐增大，等，最初在试样上产

9、生微小疲劳裂纹，裂纹逐渐增大，最终导致完全破坏。最终导致完全破坏。性能指标：疲劳极限强度疲劳寿命性能指标：疲劳极限强度疲劳寿命n材料在规定次数应力循环后仍不发生断裂时的最大材料在规定次数应力循环后仍不发生断裂时的最大应力称为疲劳极限。用应力称为疲劳极限。用 -1表示。表示。n钢铁材料规定次数为钢铁材料规定次数为107，有色金属合金为，有色金属合金为108。n 疲劳寿命：在某一给定的交变应力作用下，材料可疲劳寿命：在某一给定的交变应力作用下，材料可承受的应力次数。（图承受的应力次数。（图18-1） 塑料疲劳的根本原因是由于塑料的粘弹性，在交变应力作用塑料疲劳的根本原因是由于塑料的粘弹性，在交变应

10、力作用下，分子链变形总是滞后于应力，产生内摩擦，生成大量的下，分子链变形总是滞后于应力，产生内摩擦，生成大量的热，但导热不良又可以使热量积累导致升温，引起材料局部热，但导热不良又可以使热量积累导致升温，引起材料局部软化、熔融或引起结晶型塑料内部再结晶、相变、链折叠点软化、熔融或引起结晶型塑料内部再结晶、相变、链折叠点的断裂等产生缺陷。的断裂等产生缺陷。2. 疲劳断裂的特点疲劳断裂的特点 疲劳断裂是一种低应力脆断，断裂应力低于材料的屈疲劳断裂是一种低应力脆断，断裂应力低于材料的屈服强度，甚至低于材料的弹性极限服强度，甚至低于材料的弹性极限 断裂前没有明显的塑性变形，即使伸长率断裂前没有明显的塑性

11、变形，即使伸长率和断面收和断面收缩率缩率很高的塑性材料也是如此很高的塑性材料也是如此 疲劳断裂对材料的表面和内部缺陷非常敏感，疲劳裂疲劳断裂对材料的表面和内部缺陷非常敏感，疲劳裂纹常在表面缺口及孔洞等处形成；纹常在表面缺口及孔洞等处形成； 材料的材料的 结晶有利于改善疲劳强度，结晶度增大，晶结晶有利于改善疲劳强度，结晶度增大，晶粒越细，分子量越高，有利于提高抗疲劳性粒越细，分子量越高，有利于提高抗疲劳性 实验数据分散性较大实验数据分散性较大3.3.零件疲劳失效的过程零件疲劳失效的过程零件疲劳失效的过程可分为疲劳裂纹产零件疲劳失效的过程可分为疲劳裂纹产生、疲劳裂纹扩展和瞬时断裂三个阶段。生、疲劳

12、裂纹扩展和瞬时断裂三个阶段。 疲劳断口一般可明显地分成三个区域，疲劳断口一般可明显地分成三个区域，即疲劳源、疲劳裂纹扩展区和瞬时断裂即疲劳源、疲劳裂纹扩展区和瞬时断裂区。区。1-疲劳源疲劳源2-扩展区扩展区3-瞬时断裂瞬时断裂4. 不同形式的疲劳不同形式的疲劳 热疲劳：由周期变化的热应力或热应热疲劳：由周期变化的热应力或热应变引起的材料破坏，如热压辊，汽轮变引起的材料破坏，如热压辊，汽轮机叶片机叶片 冲击疲劳：由周期变化的热应力或热冲击疲劳：由周期变化的热应力或热应变引起的材料破坏，如小能量多次应变引起的材料破坏，如小能量多次冲击试验冲击试验 腐蚀疲劳：腐蚀性介质因使材料表面腐蚀疲劳：腐蚀性介

13、质因使材料表面腐蚀产生蚀坑而降低材料的疲劳强度腐蚀产生蚀坑而降低材料的疲劳强度18.2.4 材料的磨损性能材料的磨损性能 磨损的基本概念与类型磨损的基本概念与类型磨损过程磨损过程耐磨性及其测量方法耐磨性及其测量方法提高材料磨损性能的途径提高材料磨损性能的途径一、磨损的基本概念与类型一、磨损的基本概念与类型（1 1摩擦摩擦摩擦是接触物体间的一种阻碍运动的现象，摩擦是接触物体间的一种阻碍运动的现象，这种阻力为摩擦力。它同接触法向压力这种阻力为摩擦力。它同接触法向压力p p和摩擦系数和摩擦系数成正比。成正比。n1 1、摩擦与磨损的概念、摩擦与磨损的概念有动静区分，有动静区分，静静动。动。 金属材料：

14、金属材料： 与表面粗糙度、表面清洁度及与表面粗糙度、表面清洁度及润滑情况有关。润滑情况有关。塑料材料：塑料材料： 还与接触面压力、运动速度、还与接触面压力、运动速度、温度、湿度有关。温度、湿度有关。害处：使材料磨耗，发热，导致接触表害处：使材料磨耗，发热，导致接触表面瞬时温度面瞬时温度，工件的机械效率，工件的机械效率，材料，材料磨耗磨耗，故生产中总是力图减少摩擦，降，故生产中总是力图减少摩擦，降低摩擦系数。低摩擦系数。益处：某些情况需增大摩擦力，益处：某些情况需增大摩擦力，车辆制动器、摩擦离合器等。车辆制动器、摩擦离合器等。（2 2磨损磨损 磨损是在摩擦作用下物体相对运动时，表面逐渐分磨损是在

15、摩擦作用下物体相对运动时，表面逐渐分离出磨屑从而不断损伤的现象。磨屑的形成是材料离出磨屑从而不断损伤的现象。磨屑的形成是材料发生变形和断裂的结果。发生变形和断裂的结果。动态特征动态特征变形与断裂发生在材料表面的局部，反复进行。变形与断裂发生在材料表面的局部，反复进行。 材料表层组织经过每次循环后总要变到新的状态。材料表层组织经过每次循环后总要变到新的状态。 由常规试验得到材料力学性能不一定能如实反映出由常规试验得到材料力学性能不一定能如实反映出材料耐磨性的优劣。材料耐磨性的优劣。 机件正常运行的磨损过程分为机件正常运行的磨损过程分为3 3个阶段，个阶段，曲线上各点斜率即为磨损速率。曲线上各点斜

16、率即为磨损速率。磨损量与时间的关系图磨损曲线）磨损量与时间的关系图磨损曲线）(1) 跑合跑合(磨合磨合)阶段。随着表面被磨平，实际接触面阶段。随着表面被磨平，实际接触面积积，表层应变硬化，磨损速率，表层应变硬化，磨损速率。表面形成牢固的。表面形成牢固的氧化膜，也使该段的磨损速率氧化膜，也使该段的磨损速率。(2) 稳定磨损阶段。该段的斜率即磨损速率为一稳定稳定磨损阶段。该段的斜率即磨损速率为一稳定值。实验室的磨损试验就是根据该段经历的时间、值。实验室的磨损试验就是根据该段经历的时间、磨损速率或磨损量来评定材料耐磨性能的。大多数磨损速率或磨损量来评定材料耐磨性能的。大多数工件均在此阶段服役，磨合得

17、越好，该段磨损速率工件均在此阶段服役，磨合得越好，该段磨损速率就越低。就越低。(3) 剧烈磨损阶段。随磨损过程的剧烈磨损阶段。随磨损过程的，磨耗，磨耗，摩擦，摩擦副接触表面间隙副接触表面间隙，机件表面质量，机件表面质量，润滑膜被破坏，润滑膜被破坏，引起剧烈振动，磨损重新加剧，机件快速失效。引起剧烈振动，磨损重新加剧，机件快速失效。n2、磨损的基本类型、磨损的基本类型磨损是多种因素相互影响的复杂过程。根据磨损是多种因素相互影响的复杂过程。根据摩擦面损伤和破坏的形式，大致可分摩擦面损伤和破坏的形式，大致可分4类：类： 粘着磨损粘着磨损 磨粒磨损磨粒磨损 腐蚀磨损腐蚀磨损 麻点疲劳磨损麻点疲劳磨损(

18、接触疲劳接触疲劳) n1、粘着磨损、粘着磨损I又称咬合磨损又称咬合磨损I 因两种材料表面某些接触点局部压应力超过该处因两种材料表面某些接触点局部压应力超过该处材料屈服强度发生粘合，继续运动时会发生材料在材料屈服强度发生粘合，继续运动时会发生材料在表面间的转移、表面刮伤以至胶合表面间的转移、表面刮伤以至胶合I影响因素：材料的硬度、相对滑动速度、工作温影响因素：材料的硬度、相对滑动速度、工作温度及载荷大小。多发生在摩擦副相对滑动速度小，度及载荷大小。多发生在摩擦副相对滑动速度小，接触面氧化膜脆弱，润滑条件差，以及接触应力大接触面氧化膜脆弱，润滑条件差，以及接触应力大的滑动摩擦条件下的滑动摩擦条件下

19、I磨损表面特征：机件表面有大小不等的结疤磨损表面特征：机件表面有大小不等的结疤二、磨损过程二、磨损过程粘着磨损的过程就是粘着点不断形成粘着磨损的过程就是粘着点不断形成又不断被损坏并脱落的过程。又不断被损坏并脱落的过程。n2 2、磨粒磨损、磨粒磨损 又称磨料磨损或研磨磨损又称磨料磨损或研磨磨损 从外部进入摩擦面间的游离硬颗粒如空气中从外部进入摩擦面间的游离硬颗粒如空气中的尘土或磨损造成的金属微粒或硬的微凸体峰的尘土或磨损造成的金属微粒或硬的微凸体峰尖在较软材料的表面上犁刨出很多沟纹，被移去尖在较软材料的表面上犁刨出很多沟纹，被移去的材料一部分流动到沟纹两旁，一部分形成碎片，的材料一部分流动到沟纹

20、两旁，一部分形成碎片，脱落成为新的游离颗粒，这样的微切削过程叫磨脱落成为新的游离颗粒，这样的微切削过程叫磨粒磨损。粒磨损。 影响因素：材料的硬度和磨粒的尺寸与硬度，影响因素：材料的硬度和磨粒的尺寸与硬度，材料的硬度材料的硬度，耐磨性，耐磨性；磨粒平均尺寸；磨粒平均尺寸，磨，磨粒硬度粒硬度，磨损量，磨损量 。主要特征：摩擦面上有擦伤或因明显犁皱形成的主要特征：摩擦面上有擦伤或因明显犁皱形成的沟槽。可能是因磨粒对摩擦表面产生的微切削作沟槽。可能是因磨粒对摩擦表面产生的微切削作用、塑性变形、疲劳破坏或脆性断裂产生的，或用、塑性变形、疲劳破坏或脆性断裂产生的，或是它们综合作用的结果。是它们综合作用的结

21、果。n3 3、接触疲劳、接触疲劳在接触应力多次重复作用下，就会在零在接触应力多次重复作用下，就会在零件工作表面或表面下一定深度处形成疲劳件工作表面或表面下一定深度处形成疲劳裂纹，随着应力循环次数的增加，裂纹逐裂纹，随着应力循环次数的增加，裂纹逐步扩展进而表面材料脱落，致使表面上出步扩展进而表面材料脱落，致使表面上出现许多凹坑，这种现象叫疲劳磨损，又称现许多凹坑，这种现象叫疲劳磨损，又称“点蚀点蚀” 或麻点磨损。或麻点磨损。点蚀使零件不能正常工作而失效，是齿点蚀使零件不能正常工作而失效，是齿轮、滚动轴承等工件常见的磨损失效形式。轮、滚动轴承等工件常见的磨损失效形式。宏观形态特征：接触表面出现许多

22、痘状、贝宏观形态特征：接触表面出现许多痘状、贝壳状或不规则形状的凹坑壳状或不规则形状的凹坑( (麻坑麻坑) )，有的凹坑较，有的凹坑较深，底部有疲劳裂纹扩展线的痕迹。深，底部有疲劳裂纹扩展线的痕迹。耐磨性是指材料抵抗磨损的性能，迄今还没有一耐磨性是指材料抵抗磨损的性能，迄今还没有一个明确的统一指标，通常用磨损量表示。磨损量个明确的统一指标，通常用磨损量表示。磨损量，耐磨性，耐磨性。三、耐磨性及其测量方法三、耐磨性及其测量方法称重法称重法磨损磨损量的量的测量测量用精密分析天平称量试样试验用精密分析天平称量试样试验前后的质量变化确定磨损量前后的质量变化确定磨损量尺寸法尺寸法根据表面法向尺寸在试验前

23、根据表面法向尺寸在试验前后的变化确定磨损量后的变化确定磨损量常用磨损量的倒数或用相对耐磨性常用磨损量的倒数或用相对耐磨性()()表表征材料的耐磨性。即征材料的耐磨性。即1/1/：磨损系数。：磨损系数。大耐磨性好？大耐磨性好？小耐磨性好？小耐磨性好？聚合物材料聚合物材料硬度小，柔性大，抗划伤能力较高硬度小，柔性大，抗划伤能力较高聚合物的化学组成、结构与金属相差较大，两聚合物的化学组成、结构与金属相差较大，两者的粘着倾向很小，磨粒磨损时，聚合物对磨粒者的粘着倾向很小，磨粒磨损时，聚合物对磨粒具有良好的适应性、就范性和埋嵌性。其特有的具有良好的适应性、就范性和埋嵌性。其特有的高弹性又可在接触表面产生

24、变形面不发生切削犁高弹性又可在接触表面产生变形面不发生切削犁沟式损伤，表现出较好的抗磨损性能。沟式损伤，表现出较好的抗磨损性能。就耐磨性而言，聚合物与金属配对的摩擦副优就耐磨性而言，聚合物与金属配对的摩擦副优于金属与金属配对的摩擦副于金属与金属配对的摩擦副 PTFE：固体材料中摩擦系数最低：固体材料中摩擦系数最低 0.04在航天航空、能源和化工等工业领域，许在航天航空、能源和化工等工业领域，许多机件在高温下长期服役多机件在高温下长期服役18.2.5 蠕变蠕变 锅炉锅炉炼油设备炼油设备材料在高温下力学行为的一个重要特点材料在高温下力学行为的一个重要特点蠕变：材料在长时间的恒温、恒载荷作用下缓慢地

25、蠕变：材料在长时间的恒温、恒载荷作用下缓慢地产生塑性变形的现象。产生塑性变形的现象。蠕变断裂：由于蠕变而最后导致材料的断裂蠕变断裂：由于蠕变而最后导致材料的断裂蠕变可以发生在任何温度，高温时更明显蠕变可以发生在任何温度，高温时更明显n1、蠕变、蠕变可分为可分为3 3个阶段。个阶段。第第阶段：阶段：ABAB段，可逆形变阶段，普弹变形，应力和应变段，可逆形变阶段，普弹变形，应力和应变成正比；成正比；第第阶段：阶段：BCBC段，推迟弹性变形阶段，也称高弹性变形发段，推迟弹性变形阶段，也称高弹性变形发展阶段；展阶段；第第阶段：阶段：CDCD段，不可逆变形阶段，是以较小的恒定应变段，不可逆变形阶段，是以较小的恒定应变速率产生变形，到后期，会产生缩颈，发生蠕变断裂。速率产生变形，到后期，会产生缩颈，发生蠕变断裂。ABCDn2 2、蠕变的一般规律、蠕变的一般规律 弹性变形引起的蠕变，当载荷去除后，可以发生弹性变形引起的蠕变，当载荷去除后，可以发生回复，称为蠕变回复，这是高分子材料的蠕变与其回复，称为蠕变回复，这是高分子材料的蠕变与其他材料的不同之一。他材料的不同之一。 材料不同或试验条件不同时，蠕变曲线的材料不同或试验条件不同时，蠕变曲线的3 3个阶个阶段的相对比例会发生变化，但总的特征是相似的。段的相对比例会发生变化，但总的特征是相似的。ABCD粘弹性机理粘弹性机理高分子材料在恒定