四川大学-《材料科学基础》课件

HardnessFrictionandWearFatigueCreep4-1-6、4-1-7和4-1-8材料的其他力学性能Chapter77.16-7.18Chapter94-1-6硬度(hardness)

材料抵抗表面形变的能力，抵抗外物压入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。显微硬度（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。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。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。t=h1-h2九种标尺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、一些材料的硬度

陶瓷高硬度

金属原子结构、成分硬度变化大钢等

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4-7一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<1401401030

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(Concept)摩擦摩擦力摩擦系数滑动摩擦滚动摩擦磨损磨损机制2.

摩擦(Friction)

滑动摩擦系数为：

u=F/P

粘合摩擦系数：u=S/Pm

S

—材料的剪切强度，

Pm—材料塑性流动的抗压强度

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。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。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4-9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咬合磨损

Ⅱ磨料磨损Ⅲ腐蚀磨损

Ⅳ微动磨损粘着—剪断—再粘着—再剪断----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：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

失重法尺寸法跑合阶段、稳定磨损阶段剧烈磨损阶段表4-10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4-11一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②高循环疲劳区③安全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）.疲劳断裂机理疲劳断裂过程三阶段：①反复塑性变形导致局部应变②局部化应变的结果产生初始裂纹；③裂纹扩展，最终发生失效、断裂。疲劳破坏过程的三个组成部分①裂纹萌生——成核②裂纹扩展③最终断裂成核的条件

缺陷、局部应力集中其它杂质等。（3）、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，疲~20%~30%拉

纤维增强的复合材料高疲~70%~80%拉②温度

T上升疲下降③纤维增强复合材料界面有效地阻止裂纹的扩展，破坏从纤维的薄弱环节开始。故复合材料疲劳破坏前有预兆，疲劳极限比较高。高分子材料宏观疲劳断裂过程：

a（拉应力）出现银纹，经过一定的周期后，银纹的数量和密度达到一个极限值；b银纹发展开始形成疲劳裂纹；c裂纹扩展的尖端又形成新的银纹，这样裂纹尖端经过失稳，疲劳裂纹快速发展，疲劳断裂立即发生。FIGURE9.27

Fatiguecurves(stressamplitudeversusthecyclestofailure)forpolyethyleneterephthalate(PET),nylon,polystyrene(PS),polymethylMethacrylate(PMMA),polypropylene(PP),polyethylene(PE),andPolytetrafluoroethylene(PTFE).Thetestingfrequencywas30Hz.疲劳寿命（强度）影响因素A平均应力B组织结构C表面状况改善疲劳强度的方法（表面处理）(1)机械处理，如喷丸（合金）、冷滚压、研磨和抛光；(2)热处理，如火焰和感应加热淬火；(3)渗、镀处理，如氮化和电镀等。改善疲劳裂纹扩展的抗力。2、蠕变(

Creep)constantstressandtemperature

高温或较大静负荷（1）金属材料高温蠕变（2）陶瓷高温高载荷压缩蠕变（3）高分子材料粘弹性蠕变Fig9.40threeregions,.Primaryortransientcreepcontinuouslydecreasingcreeprate;theslopeofthecurvediminishe