材料科学与工程基础顾宜第四章第三讲

1、HardnessFriction and WearFatigueCreep 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) 材料抵抗表面形变的能力材料抵抗表面形变的能力，抵抗外物压入抵抗外物压入 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。 显微硬度 （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； （3）刻痕刻痕（刻划）硬度法（非金属矿物，10-金刚石）。表征

2、表征材料对破裂的抗力材料对破裂的抗力。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：数值统一数值统一，分散性小而重复性好。 能较好地反映反映出较大范围内材料各组成相的综合平均性能综合平均性能。 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 / D 2 为定值为定值 2、洛氏硬度、洛氏硬度 HR=K- t/ 0.002K 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

3、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，

4、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 陶瓷陶瓷 高硬度 金属金属 原子结构、成分 硬度变化大 钢等 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

5、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1401401030 钢及其合金13051015 轻金属及其合金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

6、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2. 摩擦摩擦 滑动摩擦系数滑动摩擦系数为： u = F / P 粘合摩擦系数粘合摩擦系数：u = S / P m S

7、 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 弹性摩擦系数弹性摩擦系数：u = K. S. P X-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。2. 摩擦摩擦 滑动摩擦系数滑动摩擦系数为： u = F / P 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 A r = P / P m u = S / P m 弹性摩擦系数弹性摩擦系数： u = K. S. P X-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。A r 实际接触

8、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影响摩擦系数的因素：影响摩擦系数的因素： A 两材料表面表面的相对硬度相对硬度 B 两表面表面的凹凸不平程度不平程度 C 环境温度温度 D 滑动速度速度 E 高聚物的极性极性。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系数摩擦系数均在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

9、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0.250.4 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-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 1.03、磨损机制及影响因

10、素、磨损机制及影响因素 咬合磨损咬合磨损 磨料磨损磨料磨损腐蚀磨损腐蚀磨损 微动磨损微动磨损粘着粘着剪剪断断再粘再粘着着再剪再剪断断-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 材料的硬度硬度 D 抗张强度抗张强度 E 撕裂强度撕裂强度 F 疲劳强度疲劳强度 G 温度特性温度特性耐磨性改善耐磨性改善：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

11、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 失重法失重法 尺寸法尺寸法 跑合阶段、 稳定磨损阶段 剧烈磨损阶段表表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0.610.057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

12、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%）30600.800.95 (不稳定)18.9212铅青铜30300.310.48 (不稳定)19.3227高铅磷青铜301200.250.32 (不稳定)

13、16.6144锡铝锑合金（含Sn5%）231800.330.49 (不稳定)24.0457锡铝镁合金231800.320.48 (不稳定)14.592高锡铝合金（含Sn20%）231800.2512.0524-1-8 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。

14、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高循环疲劳区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）. 疲劳断裂机理疲劳断裂机理疲劳断裂过程三阶段：疲劳断裂过程三阶段： 反复塑性变形反复塑性变形导致局部应变 局部化应变局部化应变的结果产生初始裂纹； 裂纹扩展裂纹扩展，最终发生失效、断裂。疲劳破坏

15、过程的三个组成部分疲劳破坏过程的三个组成部分 裂纹萌生裂纹萌生成核 裂纹扩展裂纹扩展 最终断裂断裂成核的条件成核的条件 缺陷、缺陷、 局部应力集中局部应力集中 其它杂质其它杂质等。 （3）、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） 金属金属 好， 疲40%50%拉 高分子高分子 较好， 疲20%30%拉 纤维增强的复合材料纤维增强的复合材料 高 疲70%80%拉 温度温度 T上升 疲疲下降纤维增强复合材料复合材料 界面界面有效地阻止裂纹阻止裂纹的扩展，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预兆，疲劳极限比较高高。高分子材料高分子

16、材料宏观疲劳断裂过程： a （拉应力）出现银纹银纹，经过一定的周期后，银纹的数量和密度达到一个极限值； b 银纹银纹发展开始形成疲劳裂纹裂纹； c 裂纹扩展的尖端又形成新的银纹，这样裂纹尖端经过过失稳失稳，疲劳裂纹快速发展裂纹快速发展，疲劳断裂断裂 立即发生。疲劳寿命（强度）影响因素疲劳寿命（强度）影响因素 A 平均应力 B 组织结构 C 表面状况表面状况改善疲劳强度的方法改善疲劳强度的方法（表面处理）（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。改善疲劳裂纹扩展的抗力。

17、2、蠕变蠕变( Creep) constant stress and temperature 高温或较大静负荷高温或较大静负荷 （1）金属材料金属材料 高温蠕变 （2）陶瓷陶瓷 高温高载荷压缩蠕变 （3）高分子材料高分子材料 粘弹性蠕变Fig 9.40 three regions,.Primary or transient creep continuously decreasing creep rate; the slope of the curve diminishes with time.Secondary creep, steady-state creep, the rate is constant; the plot be