第四章第一节后部分

HardnessFrictionandWearFatigue

4-1-6、4-1-7和4-1-8材料的其他力学性能4-1-6硬度(hardness)

材料抵抗外物压入,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

测定方法：（1）压痕(压力)硬度法——主要表征材料对变形的抗力；

布氏硬度、洛氏硬度、维氏硬度。（2）回跳硬度法——表征材料弹性变形功的大小；肖氏硬度（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。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、布氏硬度单位压痕表面积S上所承受的平均压力

HB=P/S=P/.

h.D=2P/{.D.[D-(D2–d2)1/2]}主要优点：数值统一，分散性小而重复性好。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：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/D2为定值

2、洛氏硬度HR=K-t/0.002K为常数,100,130t为压痕深度优点：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。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。九种标尺M60kg0.635mm高硬度R100kg1.27mm低硬度3.维氏硬度单位压痕面积上承受的名义应力值

HV=2Psin(136/2)/d2=1.8544P/d2金刚石的四方角锥体，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）5.肖氏硬度HS=K.h/h0

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。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

塑性形变吸收能量6、材料的硬度及影响因素

陶瓷高硬度

金属原子结构、成分硬度变化大

高分子低硬度决定于材料的固有本性

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，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,材料的硬度越高

表4-1-7一些材料的硬度数据

材料布氏硬度值硬度P/D2

洛氏P=100kgM1/16硬度P=60kgM1/8钢及铸铁<140140

1030

钢及其合金<3535~130>13051015

轻金属及其合金<3535~80>801.25，2.55，10，1510，15

铅、锡

1，1.25

高压聚乙烯40-70

-2510低压聚乙烯

-20聚氯乙烯14-17

60130聚丙烯

-80-95聚苯乙烯

66124酚醛塑料（填充）30

116-尼龙66

108ABS8-10

70101-118聚甲醛10-11

94120聚碳酸酯9-10

75118聚砜10-13

69120聚四氟乙烯10-13

78118聚甲基丙烯酸甲酯10-13

72125聚酯树脂

72124聚偏二氯乙烯

-92醋酸纤维

251154-1-7摩擦和磨损(frictionandWear)机器工作效率和准确度降低1.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

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用。

根据阿蒙顿定律,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：摩擦力为剪断粘接点所需的功。

F=Ar.S

如果接触点的形变是属于塑性的（如塑料）

Ar=P/Pm

u=S/Pm

材料的剪切强度越低,抗压强度越高,摩擦系数越小。

Ar

—实际接触面积；S

—材料的剪切强度。Pm—材料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。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）

Ar=K（P/E）x弹性摩擦系数：

u=K.S.PX-1.E-

XE—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，材料的剪切强度越小，弹性模量越高，则摩擦系数越小。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，除PTFE以外，在无油润滑时与钢摩擦的摩擦系数均在0.3~0.5之间。高分子材料的低摩擦系数与分子结构相关

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。表4-1-9材料的摩擦系数

高分子材料高分子对金属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0.250.4~0.50.40.4~0.6尼龙660.3（0.36）

尼龙60.39

低密度聚乙烯0.33~0.60.6~0.80.33~0.60.1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0.04~0.100.10~0.150.04酚醛树脂0.61

橡胶0.3~2.5

钢---钢1.2铜---铜1.6软钢---软钢0.3石墨---石墨0.1木材---钢0.45塑料＜1.03、磨损机制及影响因素

Ⅰ磨料磨损Ⅱ咬合磨损

Ⅲ腐蚀磨损

Ⅳ微动磨损Ⅴ疲劳磨损

1.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态的不同把磨损分为：2.（咬合磨损）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—剪断—再粘着—再剪断----3.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，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出现的。影响磨损性能的因素A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D抗张强度E撕裂强度F疲劳强度G温度特性

耐磨性改善方法：塑料中加入减磨填料。常用减磨填料A软金属，如铜、铅、铝、锌等；B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如聚四氟乙烯、聚乙烯。4、耐磨性评价及磨损试验方法磨损量:失重法和尺寸法

跑合阶段稳定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4-1-10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0.610.057尼龙—60.390.015尼龙—660.360.025聚三氟氯乙烯0.560.159改性聚苯乙烯0.380.0016高密度聚乙烯0.230.0016

表4-1-11一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）POM301800.315.54.9POM+25份Pb+5份PTFE301800.222.90.71MO尼龙301200.454.52.67PI301200.344.01.87PI+20份PTFE+5份石墨301800.172.50.46PTFE23600.1318.4195PTFE+20%铜粉+20%玻纤+5%石墨231800.134.52.67锡基巴氏合金（含Sn91%）30600.80~0.95(不稳定)18.9212铅青铜30300.31~0.48(不稳定)19.3227高铅磷青铜301200.25~0.32(不稳定)16.6144锡铝锑合金（含Sn5%）231800.33~0.49(不稳定)24.0457锡铝镁合金231800.32~0.48(不稳定)14.592高锡铝合金（含Sn20%）231800.2512.0524-1-8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(fatigue）cyclicstresses（1）疲劳及疲劳强度

疲劳：工程构件在服役过程中，由于承受变动载荷或反复承受应力和应变，即使应力低于屈服强度，也会导致裂纹萌生和扩展，以至构件材料断裂而失效，或使其力学性质变坏。疲劳寿命：特定振动下使材料破坏必需的周期数。

疲劳寿命曲线①低循环疲劳区（短寿命疲劳）②高循环疲劳区（长寿命疲劳）③安全区（无限寿命区）疲劳极限一条水平渐进线，其高度ac疲劳极限和疲劳强度(fatiguestrength)疲劳强度——用疲劳极限表示。MPa工程实践中，疲劳极限定义为：在指定的疲劳寿命下，上限应力幅值。疲劳寿命通常取Nf

=107

cycles

（2）材料的耐疲劳性①组成和结构

陶瓷不好（脆，表面缺陷或裂纹）

金属好，疲~40%~50%拉

高分子较好，