Hardness Friction and Wear Fatigue Creep

1. 4-1-6、4-1-7和 4-1-8 材料的其他力学性能 Hardness Friction and Wear Fatigue Creep

2. 4-1-6 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。

5. P / D 2 为定值 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。 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- (D 2 –d 2 ) 1/2 ]}

6. 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。 K 为常数, 100, 130 t 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。 2、洛氏硬度 HR=K- t/ 0.002 t = h1-h2

7. 九种标尺 M 60 kg 0.635mm 高硬度 R 100 kg 1.27mm 低硬度

8. 针对布氏硬度和洛氏硬度两方面的缺点而设计的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 金刚石的四方角锥体，四方角锥体两相对面间的夹角为136 ， 3. 维氏硬度 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

9. 塑性形变吸收能量 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 4. 显微硬度（陶瓷） 5. 肖氏硬度 HS = K. h / h 0 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。

10. 6、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

12. 表4-1-7 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 <140 140 10 30 钢及其合金 <35 35~130 >130 5 10 15 轻金属及其合金 <35 35~80 >80 1.25，2.5 5，10，15 10，15 铅、锡 1，1.25 高压聚乙烯 40-70 -25 10 低压聚乙烯 - 20 聚氯乙烯 14-17 60 130 聚丙烯 - 80-95 聚苯乙烯 66 124 酚醛塑料（填充） 30 116 - 尼龙66 108 ABS 8-10 70 101-118 聚甲醛 10-11 94 120 聚碳酸酯 9-10 75 118 聚砜 10-13 69 120 聚四氟乙烯 10-13 78 118 聚甲基丙烯酸甲酯 10-13 72 125 聚酯树脂 72 124 聚偏二氯乙烯 - 92 醋酸纤维 25 115

13. 4-1-7 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 摩擦力 摩擦系数 滑动摩擦 滚动摩擦 磨损 磨损机制

14. 2. 摩擦 滑动摩擦系数为： u = F / P 粘合摩擦系数： u = S / P m S —材料的剪切强度， P m—材料塑性流动的抗压强度 弹性摩擦系数： u = K. S. P X-1. E -X E — 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。

15. A r—实际接触面积； S— 材料的剪切强度。 P m—材料塑性流动的抗压强度 2. 摩擦 滑动摩擦系数为： u = F / P 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： u = K. S. P X-1. E -X E — 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。

16. 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。

17. 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。

18. 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 0.25 0.4 ~ 0.5 0.4 0.4 ~ 0.6 尼龙66 0.3（0.36） 尼龙6 0.39 低密度聚乙烯 0.33 ~ 0.6 0.6 ~ 0.8 0.33 ~ 0.6 0.1 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 ~ 0.10 0.10 ~ 0.15 0.04 酚醛树脂 0.61 橡胶 0.3 ~ 2.5 表4-1-9 材料的摩擦系数 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 ＜1.0

19. 粘着—剪断—再粘着—再剪断---- 3、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

20. 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

21. 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。

22. 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

23. 塑 料 动摩擦系数 摩耗损失（克） 常用的酚醛树脂 0.61 0.057 尼龙—6 0.39 0.015 尼龙—66 0.36 0.025 聚三氟氯乙烯 0.56 0.159 改性聚苯乙烯 0.38 0.0016 高密度聚乙烯 0.23 0.0016 表4-1-10 塑料的摩擦系数与重量磨耗

24. 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） POM 30 180 0.31 5.5 4.9 POM+25份Pb+5份PTFE 30 180 0.22 2.9 0.71 MO尼龙 30 120 0.45 4.5 2.67 PI 30 120 0.34 4.0 1.87 PI+20份PTFE+5份石墨 30 180 0.17 2.5 0.46 PTFE 23 60 0.13 18.4 195 PTFE+20%铜粉+20%玻纤+5%石墨 23 180 0.13 4.5 2.67 锡基巴氏合金（含Sn91%） 30 60 0.80~0.95 (不稳定) 18.9 212 铅青铜 30 30 0.31~0.48 (不稳定) 19.3 227 高铅磷青铜 30 120 0.25~0.32 (不稳定) 16.6 144 锡铝锑合金（含Sn5%） 23 180 0.33~0.49 (不稳定) 24.0 457 锡铝镁合金 23 180 0.32~0.48 (不稳定) 14.5 92 高锡铝合金（含Sn20%） 23 180 0.25 12.0 52

25. 4-1-8 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） cyclic stresses （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。

26. 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

27. 疲劳极限和疲劳强度(fatigue strength) 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 N f =10 7cycles

28. （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。

29. （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。

30. 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。

32. 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。

33. 2、蠕变( Creep) constant stress and temperature 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

34. 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 becomes linear. balance between the competing processes of strain hardening and recovery, steady-state creep rate Tertiary creep, rupture acceleration of the rate grain boundary separation, and the formation of internal cracks, cavities, and voids. ＝

35. FIGURE 9.40

36. FIGURE 9.41