《磨损、高温力学性能-316教材》由会员分享，可在线阅读，更多相关《磨损、高温力学性能-316教材（53页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、材料性能测试材料性能测试技术 Performance Testing of Materials 主讲教师：主讲教师： 李爱香李爱香 1 上次课的主要内容上次课的主要内容 第一章第一章 材料的力学性能材料的力学性能 1.7 1.7 材料的冲击韧性和低温脆性材料的冲击韧性和低温脆性 1.8 1.8 材料的疲劳性能材料的疲劳性能 2 本次课的主要内容本次课的主要内容 第一章第一章 材料的力学性能材料的力学性能 1.9 1.9 材料的磨损性能材料的磨损性能 1.10 1.10 材料的高温力学性能材料的高温力学性能 3 重点重点： 磨损过程，高温蠕变磨损过程，高温蠕变 难点：难点： 高温蠕变曲线高温蠕变
2、曲线 本次课的重点、难点本次课的重点、难点 4 材材 料料 的的 力力 学学 性性 能能 拉伸拉伸 弯曲弯曲 压缩压缩 扭转扭转 硬度硬度 冲击冲击 疲劳疲劳 磨损磨损 高温力学性能高温力学性能 静载荷静载荷 动载荷动载荷 高温高温 5 1.9 材料的磨损性能 磨损的基本概念与类型 磨损过程 耐磨性及其测量方法 提高材料磨损性能的途径 6 一、磨损的基本概念与类型 （1）摩擦 摩擦是接触物体间的一种阻碍运动的现象，这种阻 力为摩擦力。它同接触法向压力（p）和摩擦系数 成正比。 1、摩擦与磨损的概念 有动静区分，静动。 7 8 9 10 11 坏处：使材料磨耗，发热，导致接触表 面瞬时温度，工件
3、的机械效率，材料 磨耗，故生产中总是力图减少摩擦，降 低摩擦系数。 好处：某些情况需增大摩擦力， 车辆制动器、摩擦离合器等。 12 （2）磨损 磨损是在摩擦作用下物体相对运动时，表面逐渐分 离出磨屑从而不断损伤的现象。磨屑的形成是材料 发生变形和断裂的结果。 动态特征 l变形与断裂发生在材料表面的局部，反复进行。 l 材料表层组织经过每次循环后总要变到新的状态 。 l 由常规试验得到材料力学性能不一定能如实反映 出材料耐磨性的优劣。 13 机件正常运行的磨损过程分为3个阶段， 曲线上各点斜率即为磨损速率。 磨损量与时间的关系图（磨损曲线） 14 (1) 跑合(磨合)阶段。随着表面被磨平，实际接
4、触面 积，表层应变硬化，磨损速率。表面形成牢固的 氧化膜，也使该段的磨损速率。 15 (2) 稳定磨损阶段。该段的斜率即磨损速率为一稳定 值。实验室的磨损试验就是根据该段经历的时间、 磨损速率或磨损量来评定材料耐磨性能的。大多数 工件均在此阶段服役，磨合得越好，该段磨损速率 就越低。16 (3) 剧烈磨损阶段。随磨损过程的，磨耗 ，摩擦副接触表面间隙，机件表面质量， 润滑膜被破坏，引起剧烈振动，磨损重新加 剧，机件快速失效。 17 2、磨损的基本类型 磨损是多种因素相互影响的复杂过程。根据 摩擦面损伤和破坏的形式，大致可分4类： 粘着磨损 磨粒磨损 腐蚀磨损 麻点疲劳磨损(接触疲劳) 18 1
5、、粘着磨损 I又称咬合磨损 I 因两种材料表面某些接触点局部压应力超过该处 材料屈服强度发生粘合，继续运动时会发生材料在 表面间的转移、表面刮伤以至胶合 I影响因素：材料的硬度、相对滑动速度、工作温 度及载荷大小。多发生在摩擦副相对滑动速度小， 接触面氧化膜脆弱，润滑条件差，以及接触应力大 的滑动摩擦条件下 I磨损表面特征：机件表面有大小不等的结疤 二、磨损过程 19 粘着磨损的过程就是粘着点不断形成 又不断被损坏并脱落的过程。 20 2、磨粒磨损 又称磨料磨损或研磨磨损 从外部进入摩擦面间的游离硬颗粒（如空气中的 尘土或磨损造成的金属微粒）或硬的微凸体峰尖 在较软材料的表面上犁刨出很多沟纹，
6、被移去的 材料一部分流动到沟纹两旁，一部分形成碎片， 脱落成为新的游离颗粒，这样的微切削过程叫磨 粒磨损。 影响因素：材料的硬度和磨粒的尺寸与硬度，材 料的硬度，耐磨性；磨粒平均尺寸，磨粒硬度 ，金属的磨损量 。 21 主要特征：摩擦面上有擦伤或因明显犁皱形成的 沟槽。可能是因磨粒对摩擦表面产生的微切削作 用、塑性变形、疲劳破坏或脆性断裂产生的，或 是它们综合作用的结果。 22 3、接触疲劳 在接触应力多次重复作用下，就会在零件 工作表面或表面下一定深度处形成疲劳裂 纹，随着应力循环次数的增加，裂纹逐步 扩展进而表面金属脱落，致使表面上出现 许多凹坑，这种现象叫疲劳磨损，又称“点 蚀” 或麻点
7、磨损。 点蚀使零件不能正常工作而失效，是齿轮 、滚动轴承等工件常见的磨损失效形式。 23 宏观形态特征：接触表面出现许多痘状、贝 壳状或不规则形状的凹坑(麻坑)，有的凹坑较 深，底部有疲劳裂纹扩展线的痕迹。 24 摩擦副受到空气中的酸或润滑油、燃 油中残存的少量无机酸（如硫酸）及 水份的化学或电化学作用，在相对运 动中造成表面材料的损失叫做腐蚀磨 损。 4、腐蚀磨损 25 耐磨性是指材料抵抗磨损的性能，迄今还没有一 个明确的统一指标，通常用磨损量表示。磨损量 ，耐磨性。 三、耐磨性及其测量方法 称重法 磨损 量的 测量 用精密分析天平称量试样试验 前后的质量变化确定磨损量 尺寸法 根据表面法向
8、尺寸在试验前 后的变化确定磨损量 26 常用磨损量的倒数或用相对耐磨性()表 征材料的耐磨性。即 1/：磨损系数。 大耐磨性好？ 小耐磨性好？ 27 1、减轻粘着磨损的主要措施 合理选择摩擦副材料：尽量选择互溶性少，粘着倾 向小的材料配对。 避免或阻止摩擦副直接接触：增强氧化膜的稳定性 ，提高氧化膜与基体的结合力；降低接触表面粗糙 度，改善表面润滑条件等。可采用表面渗S、渗P、 渗N等表面处理工艺，在材料表面形成一层化合物 层或非金属层。 四、提高材料耐磨性的途径 28 2、减轻磨粒磨损的主要措施 提高表面硬度：确定材料硬度时，应以Hm 1.3Ha(Hm为摩擦副材料硬度，Ha为磨粒硬度) 为依
9、据。硬度相同时，钢中含碳量越高，形成的 碳化物越多，就具有越高的抗磨粒磨损能力。 应经常对机件、润滑油进行防尘、过滤，以减轻 磨粒磨损量。 29 3、提高接触疲劳抗力的措施 合理选择表面硬化工艺，在一定深度范围内 保存残余压应力，于提高接触疲劳抗力极有利 。 改善接触配对副的表面状态，减少冷热加工 缺陷，表面粗糙度， 摩擦系数，也是很有效 的措施。 30 4、非金属材料的磨损特性 工程陶瓷材料： 磨损行为对表面状态极为敏感。受接触应力后， 在局部的应力集中区表层发生塑性变形，或在水 、空气、介质、气氛的影响下形成易塑性变形的 表层，进而开裂产生磨屑。 陶瓷材料耐磨性能不仅与组分纯度有关，还与其
10、 制备工艺密切相关。 31 聚合物材料 硬度小，柔性大，抗划伤能力较高 聚合物的化学组成、结构与金属相差较大，两 者的粘着倾向很小，磨粒磨损时，聚合物对磨粒 具有良好的适应性、就范性和埋嵌性。其特有的 高弹性又可在接触表面产生变形面不发生切削犁 沟式损伤，表现出较好的抗磨损性能。 就耐磨性而言，聚合物与金属配对的摩擦副优 于金属与金属配对的摩擦副 PTFE：固体材料中摩擦系数最低 0.040.04 32 1.10 材料的高温力学性能 高温蠕变性能 其他高温力学性能 33 在航天航空、能源和化工等工业领域，许 多机件在高温下长期服役 34 锅炉 炼油设备 35 温度对材料的力学性能影响很大。 时
11、间：常温下，时间对材料的力学性能几乎没有 影响(高分子材料除外），高温时，力学性能就表 现出了时间效应。 所谓温度的高低，是相对于材料的熔点而言的， 约比温度(TTm)，T试验温度，Tm熔点，（热 力学温度）。 当TTm0.4-0.5时为高温，反之则为低温。 36 材料在高温下力学行为的一个重要特点 蠕变：材料在长时间的恒温、恒载荷作用下缓慢地 产生塑性变形的现象。 蠕变断裂：由于蠕变而最后导致材料的断裂 蠕变可以发生在任何温度，在低温时，蠕变效应不 明显；当约比温度大于0.3时，蠕变效应比较显著， 此时必须考虑蠕变的影响，如碳钢超过300、合金 钢超过400，就必须考虑蠕变效应。 1、蠕变
12、一、高温蠕变性能 37 蠕变过程可以用蠕变曲线来描述。 （1）金属材料和陶瓷材料 OA线段是施加载荷后，试样产生的瞬时应变o， 不属于蠕变。 2、蠕变的一般规律 38 I阶段：AB段：减速蠕变阶段(过渡蠕变阶段) II阶段：BC段：恒速蠕变阶段(稳态蠕变阶段） III阶段：CD段：加速蠕变阶段(失稳蠕变阶段)。 曲线上任一点的斜率，表示 该点的蠕变速率(=d/dt） 按照蠕变速率的变化，可将 蠕变过程分为3个阶段。 39 蠕变曲线随应力的大小和温度的高低而变化 减小应力或降低温度，蠕变第阶段延长，甚至不 出现第阶段。 增加应力或提高温度，蠕变第阶段缩短，甚至消 失，试样经过减速蠕变后很快进入第
13、阶段而断裂。 40 （2）高分子材料 可分为3个阶段。 第阶段：AB段，可逆形变阶段，普弹变形，应力和应变 成正比； 第阶段：BC段，推迟弹性变形阶段，也称高弹性变形发 展阶段； 第阶段：CD段，不可逆变形阶段，是以较小的恒定应变 速率产生变形，到后期，会产生缩颈，发生蠕变断裂。 A B C D 41 弹性变形引起的蠕变，当载荷去除后，可以发生 回复，称为蠕变回复，这是高分子材料的蠕变与其 他材料的不同之一。 材料不同或试验条件不同时，蠕变曲线的3个阶段 的相对比例会发生变化，但总的特征是相似的。 A B C D 42 粘弹性机理 高分子材料在恒定应力的作用下，分子 链由卷曲状态逐渐伸展，发生
14、蠕变变形 。当外力减小或去除后，体系自发地趋 向熵值增大的状态，分子链由伸展状态 向卷曲状态回复，表现为高分子材料的 蠕变回复特性。 43 高温抗折蠕变仪 44 （1）蠕变极限 表示材料对高温蠕变变形的抗力，是选用高温材 料、设计高温下服役机件的主要性能依据之一。 3、蠕变性能指标 表 示 方 法 l 在给定的温度下，使试样在蠕变第二 阶段产生规定稳态蠕变速率的最大应力 l 在给定温度和时间的条件下，使试样 产生规定的蠕变应变的最大应力 45 （2）持久强度 某些在高温下工作的机件，蠕变变形很小或对变 形要求不严格，只要求机件在使用期内不发生断 裂。在这种情况下，要用持久强度作为评价材料 、设
15、计机件的主要依据。 持久强度是材料在一定的温度下和规定的时间内 ，不发生蠕变断裂的最大应力。 材料的持久强度是实验测定的，试验时间通常比 蠕变极限试验要长得多，可达几万至几十万h。 46 （3）松弛稳定性 应力松弛：材料在恒定变形的条件下，随着 时间的延长，弹性应力逐渐降低的现象 松弛稳定性：材料抵抗应力松弛的能力 松弛稳定性可以通过松弛试验测定的应力松 弛曲线来评定，曲线是在规定温度下，对试样 施加载荷，保持初始变形量恒定，测定试样上 的应力随时间而下降的曲线。 47 高温拉伸试验的拉伸速率对性能的影响比室温 时大得多，要求试样在屈服前的应变速率在 0.003-0.007m/min。 1、高
16、温短时拉伸性能 二、其他高温力学性能 在特殊情况下，如火箭、导弹上的零件工作时 间很短，蠕变现象不起决定的作用。 48 l 材料在外力的作用下，首先发生弹性变形，随 后出现屈服现象，发生塑性变形，到一定程度以 后，发生断裂。 l 有些材料在高温时，其不可逆的永久变形没有 屈服现象，通常把这种高温下产生的不可逆永久 性变形称为粘性流动变形，也称为粘性变形。 2、高温下材料的粘性流动性能 49 l 硬度是反应材料抵抗局部塑性变形能力的力 学性能指标。 l 由于试样在较高温度下的硬度较低，所以试 验压力不宜过大，并应根据试验温度的高低改 变试验压力的大小，以保证压痕清晰和完整。 l 由于试样在高温下蠕变的影响较大，一般规 定加载时间为30-6
