四川大学-《材料科学基础》课件

FIGURE 9.27
Fatiguecurves (stress amplitude versus the cycles to failure) for polyethylene terephthalate (PET), nylon, polystyrene (PS), polymethyl Methacrylate (PMMA), polypropylene (PP), polyethylene (PE), and Polytetrafluoroethyle ne (PTFE). The testing frequency was 30 Hz.
4-1-6、4-1-7和 4-1-8 材料的其他力学性能
Chapter 7 7.16-7.18 Chapter 9
Hardness Friction and Wear Fatigue Creep
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
疲劳极限一条 水平渐进线， 其高度 ac
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 7 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。
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
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，
高分子 较好， 纤维增强的复合材料 高 ② 温度 T上升 疲下降 ③纤维增强复合材料
疲~40%~50%拉
布 氏 硬度值 <140 140 <35 35~130 >130 <35 35~80 >80 40-70
硬 度 P/D2
10 30 5 10 1.25 ，2.5 15 5，10，15 10，15 1，1.25
洛 氏 P =100kg M 1/16
硬 度 P =60kg M 1/8
-25 -
10 20
4. 显微硬度（陶瓷） 5. 肖氏硬度
塑性形 吸收能量
HS = K. h / h 0
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
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。
6、一些材料的硬度
陶瓷 金属
聚氯乙烯
聚丙烯 聚苯乙烯 酚醛塑料（填充） 尼龙66 ABS 聚甲醛
14-17
60
66
130
80-95 124 108 101-118 120
30 8-10 10-11
116 70 94
聚碳酸酯
聚砜 聚四氟乙烯 聚甲基丙烯酸甲酯 聚酯树脂 聚偏二氯乙烯 醋酸纤维
9-10
10-13 10-13 10-13
高分子
高硬度 原子结构、成分 硬度变化大 钢等 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 钢及铸铁 钢及其合金 轻金属及其合金 铅、锡 高压聚乙烯 低压聚乙烯
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 / D 2 为定值
压头有两种：圆锥角是120度的金刚石圆锥体。
2、洛氏硬度
直径D=1.588mm的淬火钢球。
材料名称 POM POM+25份Pb+5份 PTFE MO尼龙 负荷 （kg） 30 30 30 时间 （min ） 180 180 120 摩擦系数 u 0.31 0.22 0.45 磨痕宽度 （mm） 5.5 2.9 4.5 磨损量 （mm2） 4.9 0.71 2.67
PI PI+20份PTFE+5份石 墨 PTFE
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 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
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 ，
石墨---石墨
木材---钢 塑料
0.1
0.45 ＜1.0
3、磨损机制及影响因素
Ⅰ咬合磨损
粘着—剪 断—再粘 着—再剪 断----
Ⅱ磨料磨损
Ⅲ腐蚀磨损 Ⅳ微动磨损
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
HR=K- t/ 0.002
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。
K 为常数, 100, 130 t 为压痕深度
t = h1-h2
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
尼龙—6 尼龙—66 聚三氟氯乙烯 改性聚苯乙烯 高密度聚乙烯
0.61
0.39 0.36 0.56 0.38 0.23
0.057
0.015 0.025 0.159 0.0016 0.0016
表4-11 一些工程塑料与轴承合金的摩擦、磨损特性对比
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
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
高分子材料 聚氯乙烯 聚苯乙烯 改性聚苯乙烯 聚甲基丙烯酸甲 酯 尼龙66 尼龙6 低密度聚乙烯 高密度聚乙烯 聚偏氯乙烯 聚氟化乙烯 聚三氟氯乙烯 聚四氟乙烯 酚醛树脂 橡胶 0.58 0.04 ~ 0.10 0.10 ~ 0.15 0.61 0.3 ~ 2.5 0.04 高分子对金属 0.4 ~ 0.9 0.4 ~ 0.5 0.38 0.25 0.4 ~ 0.5 0.3（0.36） 0.39 0.33 ~ 0.6 0.6 ~ 0.8 0.23 0.68 ~ 1.8 0.33 ~ 0.6 0.1 0.4 0.4 ~ 0.6 高分子对高分子 钢---钢 铜---铜 软钢---软钢 1.2 1.6 0.3
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， 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。
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
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、 显微硬度 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；
（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- (D 2 –d 2 ) 1/2 ]}
75
69 78 72 72 25
118
120 118 125 124 92 115
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 (Concept) 摩擦 摩擦力 摩擦系数 滑动摩擦 滚动摩擦 磨损 磨损机制