《四川大学-《材料科学基础》课件讲解》由会员分享，可在线阅读，更多相关《四川大学-《材料科学基础》课件讲解（35页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、Hardness Friction and Wear Fatigue Creep,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 9,4-1-6 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。,1、布氏硬度 单位压痕表面积S上所承受
2、的平均压力 HB=P/S=P/ . h. D =2P/ . D. D- (D 2 d 2 ) 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 / D 2 为定值,2、洛氏硬度 HR=K- t/ 0.002,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
3、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,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,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 / 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
4、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,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
5、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 / 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。,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0.30.5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
6、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,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 1.0,3、磨损机制及影响因素 咬合磨损 磨料磨损 腐蚀磨损 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、
7、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,表4-11 一些工程塑料与轴承合金的摩擦、磨损特性对比,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
8、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 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(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： 反复塑性变形导致局部应变 局部化应变的结果产生初始裂纹； 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 裂纹萌生成核 裂纹扩展 最终断裂 成核的条件 缺陷、 局部应力集中 其
9、它杂质等。,（3）、材料的耐疲劳性 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 温度 T上升 疲下降 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。,FIGURE 9.27 Fatiguec
10、urves (stress amplitude versus the cycles to failure) for polyethylene terephthalate (PET), nylon, polystyrene (PS), polymethyl Methacrylate (PMMA), polypropylene (PP), polyethylene (PE), and Polytetrafluoroethylene (PTFE). The testing frequency was 30 Hz.,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
11、（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) 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,Fig 9.40 three regions,. Primary or transient creep continuously decreasing creep rate; the slope of the curve dimi
12、nishes 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 int
13、ernal cracks, cavities, and voids.,FIGURE 9.40 Typical creep curve of strain versus time at constant stress and constant elevated temperature. The minimum creep rate / t is the slope of the linear segment in the secondary region. Rupture lifetime tr is the total time to rupture.,FIGURE 9.41 Influence of stress and temperature T on creep behavior.,
