四川大學(xué)-《材料科學(xué)基礎(chǔ)》課件

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

材料抵抗表面形變的能力，抵抗外物壓入表面硬度同材料的抗張強(qiáng)度、抗壓強(qiáng)度和彈性模量等性質(zhì)有關(guān)

測(cè)定方法：（1）壓痕(壓力)硬度法——主要表征材料對(duì)變形的抗力；

布氏硬度、洛氏硬度維氏硬度。顯微硬度（2）回跳硬度法——表征材料彈性變形功的大小；（3）刻痕（刻劃）硬度法（非金屬礦物，10-金剛石）。表征材料對(duì)破裂的抗力。1、布氏硬度單位壓痕表面積S上所承受的平均壓力

HB=P/S=P/.h.D=2P/{.D.[

D-(D2–d2)1/2]}主要優(yōu)點(diǎn)：數(shù)值統(tǒng)一，分散性小而重復(fù)性好。能較好地反映出較大范圍內(nèi)材料各組成相的綜合平均性能。對(duì)有較大晶?；蚪M成相的材料仍能適用。試樣過(guò)薄以及要求大量快速檢測(cè)、彈性變形較大時(shí)受到限制。P/D2為定值

2、洛氏硬度

HR=K-t/0.002K

為常數(shù),100,130t

為壓痕深度優(yōu)點(diǎn)：檢測(cè)上限高于布氏硬度；

壓痕小，不損傷零件的表面。

操作迅速，直接讀數(shù)，效率很高。適用于大量生產(chǎn)中的工序控制和成品檢測(cè)。缺點(diǎn)：壓痕小可使所測(cè)數(shù)據(jù)缺乏代表性。

不同標(biāo)尺的洛氏硬度值是不可比的。壓頭有兩種：圓錐角是120度的金剛石圓錐體。直徑D=1.588mm的淬火鋼球。t=h1-h2九種標(biāo)尺M(jìn)60kg0.635mm高硬度R100kg1.27mm低硬度3.維氏硬度單位壓痕面積上承受的名義應(yīng)力值

HV=2Psin(136/2)/d2=1.8544P/d2金剛石的四方角錐體，四方角錐體兩相對(duì)面間的夾角為136，針對(duì)布氏硬度和洛氏硬度兩方面的缺點(diǎn)而設(shè)計(jì)的測(cè)量范圍較寬

4.顯微硬度（陶瓷）5.肖氏硬度HS=K.h/h0

橡膠硬度常用邵式硬度計(jì)測(cè)量。橡膠制品的硬度范圍一般為A40-90。

塑料的硬度可以用布氏硬度或洛氏硬度法測(cè)定。硬度值取決于材料的彈性性質(zhì)

材料彈性模量相同時(shí)可比較操作簡(jiǎn)便，測(cè)量迅速，壓痕小

塑性形變吸收能量6、一些材料的硬度

陶瓷高硬度

金屬原子結(jié)構(gòu)、成分硬度變化大鋼等

高分子低硬度決定于材料的固有本性

化學(xué)鍵強(qiáng)，材料的硬度一般就高，共價(jià)鍵離子鍵>金屬鍵>氫鍵>范氏鍵

結(jié)構(gòu)愈密，分子間作用力愈強(qiáng)的材料其硬度愈高，晶體類型、結(jié)晶與非晶

低溫,材料的硬度越高

表4-7一些材料的硬度數(shù)據(jù)材料布氏硬度值硬度P/D2洛氏P=100kgM1/16硬度P=60kgM1/8鋼及鑄鐵<1401401030

鋼及其合金<3535~130>13051015

輕金屬及其合金<3535~80>801.25，2.55，10，1510，15

鉛、錫

1，1.25

高壓聚乙烯40-70

-2510低壓聚乙烯

-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-尼龍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聚酯樹(shù)脂

72124聚偏二氯乙烯

-92醋酸纖維

251154-1-7摩擦和磨損(FrictionandWear)機(jī)器工作效率和準(zhǔn)確度降低1.摩擦與磨損的概念(Concept)摩擦摩擦力摩擦系數(shù)滑動(dòng)摩擦滾動(dòng)摩擦磨損磨損機(jī)制2.

摩擦(Friction)

滑動(dòng)摩擦系數(shù)為：

u=F/P

粘合摩擦系數(shù)：u=S/Pm

S

—材料的剪切強(qiáng)度，

Pm—材料塑性流動(dòng)的抗壓強(qiáng)度

彈性摩擦系數(shù)：u=K.S.PX-1.E-

XE—楊氏模量；K—與實(shí)際接觸面積的分布、形狀和大小相關(guān)的常數(shù)；X

1。影響摩擦系數(shù)的因素：A兩材料表面的相對(duì)硬度B兩表面的凹凸不平程度C環(huán)境溫度D滑動(dòng)速度E高聚物的極性。常用塑料，除PTFE以外，在無(wú)油潤(rùn)滑時(shí)與鋼摩擦的摩擦系數(shù)均在0.3~0.5之間。高分子材料的低摩擦系數(shù)與分子結(jié)構(gòu)相關(guān)硬質(zhì)高分子材料（塑料）的摩擦系數(shù)隨著溫度的上升而增大橡膠的摩擦系數(shù)隨著溫度的升高而降低。表4-9材料的摩擦系數(shù)高分子材料高分子對(duì)金屬高分子對(duì)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尼龍660.3（0.36）

尼龍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酚醛樹(shù)脂0.61

橡膠0.3~2.5

鋼---鋼1.2銅---銅1.6軟鋼---軟鋼0.3石墨---石墨0.1木材---鋼0.45塑料＜1.03、磨損機(jī)制及影響因素

Ⅰ咬合磨損

Ⅱ磨料磨損Ⅲ腐蝕磨損

Ⅳ微動(dòng)磨損粘著—剪斷—再粘著—再剪斷----影響磨損性能的因素A彈性體與硬物表面接觸，局部產(chǎn)生高速大變形，導(dǎo)致彈性體局部韌性惡化而被撕裂B硬質(zhì)材料與軟材料摩擦?xí)r，前者表面上的凸峰嵌入后者的表面造成梨溝或劃痕C材料的硬度D抗張強(qiáng)度E撕裂強(qiáng)度F疲勞強(qiáng)度G溫度特性耐磨性改善：塑料中加入減磨填料。常用減磨填料A軟金屬，如銅、鉛、鋁、鋅等；B無(wú)機(jī)填料如石墨、二硫化鉬、滑石、云母等；C一些軟的非極性的熱塑性塑料如聚四氟乙烯、聚乙烯。4、耐磨性評(píng)價(jià)及磨損試驗(yàn)方法

失重法尺寸法跑合階段、穩(wěn)定磨損階段劇烈磨損階段表4-10塑料的摩擦系數(shù)與重量磨耗塑料動(dòng)摩擦系數(shù)摩耗損失（克）常用的酚醛樹(shù)脂0.610.057尼龍—60.390.015尼龍—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4-11一些工程塑料與軸承合金的摩擦、磨損特性對(duì)比材料名稱負(fù)荷（kg）時(shí)間（min）摩擦系數(shù)u磨痕寬度（mm）磨損量（mm2）POM301800.315.54.9POM+25份Pb+5份PTFE301800.222.90.71MO尼龍301200.454.52.67PI301200.344.01.87PI+20份PTFE+5份石墨301800.172.50.46PTFE23600.1318.4195PTFE+20%銅粉+20%玻纖+5%石墨231800.134.52.67錫基巴氏合金（含Sn91%）30600.80~0.95(不穩(wěn)定)18.9212鉛青銅30300.31~0.48(不穩(wěn)定)19.3227高鉛磷青銅301200.25~0.32(不穩(wěn)定)16.6144錫鋁銻合金（含Sn5%）231800.33~0.49(不穩(wěn)定)24.0457錫鋁鎂合金231800.32~0.48(不穩(wěn)定)14.592高錫鋁合金（含Sn20%）231800.2512.0524-1-8失效Failure

材料在使用過(guò)程中，結(jié)構(gòu)（形變）和性能隨時(shí)間變化至破壞

1.疲勞(fatigue）

cyclicstresses（1）疲勞及疲勞強(qiáng)度

疲勞：工程構(gòu)件在服役過(guò)程中，由于承受變動(dòng)載荷或反復(fù)承受應(yīng)力和應(yīng)變，即使應(yīng)力低于屈服強(qiáng)度，也會(huì)導(dǎo)致裂紋萌生和擴(kuò)展，以至構(gòu)件材料斷裂而失效，或使其力學(xué)性質(zhì)變壞。疲勞壽命：特定振動(dòng)下使材料破壞必需的周期數(shù)。

疲勞壽命曲線①低循環(huán)疲勞區(qū)②高循環(huán)疲勞區(qū)③安全區(qū)疲勞極限一條水平漸進(jìn)線，其高度ac疲勞極限和疲勞強(qiáng)度(fatiguestrength)

疲勞強(qiáng)度——用疲勞極限表示。MPa工程實(shí)踐中，疲勞極限定義為：在指定的疲勞壽命下，上限應(yīng)力幅值。

疲勞壽命

通常取Nf=107

cycles

（2）.疲勞斷裂機(jī)理疲勞斷裂過(guò)程三階段：①反復(fù)塑性變形導(dǎo)致局部應(yīng)變②局部化應(yīng)變的結(jié)果產(chǎn)生初始裂紋；③裂紋擴(kuò)展，最終發(fā)生失效、斷裂。疲勞破壞過(guò)程的三個(gè)組成部分①裂紋萌生——成核②裂紋擴(kuò)展③最終斷裂成核的條件

缺陷、局部應(yīng)力集中其它雜質(zhì)等。（3）、材料的耐疲勞性①組成和結(jié)構(gòu)

陶瓷不好（脆，表面缺陷或裂紋）

金屬好，疲~40%~50%拉

高分子較好，疲~20%~30%拉

纖維增強(qiáng)的復(fù)合材料高疲~70%~80%拉②溫度

T上升疲下降③纖維增強(qiáng)復(fù)合材料界面有效地阻止裂紋的擴(kuò)展，破壞從纖維的薄弱環(huán)節(jié)開(kāi)始。故復(fù)合材料疲勞破壞前有預(yù)兆，疲勞極限比較高。高分子材料宏觀疲勞斷裂過(guò)程：

a（拉應(yīng)力）出現(xiàn)銀紋，經(jīng)過(guò)一定的周期后，銀紋的數(shù)量和密度達(dá)到一個(gè)極限值；b銀紋發(fā)展開(kāi)始形成疲勞裂紋；c裂紋擴(kuò)展的尖端又形成新的銀紋，這樣裂紋尖端經(jīng)過(guò)失穩(wěn)，疲勞裂紋快速發(fā)展，疲勞斷裂立即發(fā)生。FIGURE9.27

Fatiguecurves(stressamplitudeversusthecyclestofailure)forpolyethyleneterephthalate(PET),nylon,polystyrene(PS),polymethylMethacrylate(PMMA),polypropylene(PP),polyethylene(PE),andPolytetrafluoroethylene(PTFE).Thetestingfrequencywas30Hz.疲勞壽命（強(qiáng)度）影響因素A平均應(yīng)力B組織結(jié)構(gòu)C表面狀況改善疲勞強(qiáng)度的方法（表面處理）(1)機(jī)械處理，如噴丸（合金）、冷滾壓、研磨和拋光；(2)熱處理，如火焰和感應(yīng)加熱淬火；(3)滲、鍍處理，如氮化和電鍍等。改善疲勞裂紋擴(kuò)展的抗力。2、蠕變(

Creep)constantstressandtemperature

高溫或較大靜負(fù)荷（1）金屬材料高溫蠕變（2）陶瓷高溫高載荷壓縮蠕變（3）高分子材料粘彈性蠕變Fig9.40threeregions,.Primaryortransientcreepcontinuouslydecreasingcreeprate;theslopeofthecurvediminishe