第四章第一節(jié)后部分

HardnessFrictionandWearFatigue

4-1-6、4-1-7和4-1-8材料的其他力學(xué)性能4-1-6硬度(hardness)

材料抵抗外物壓入,抵抗表面形變的能力.

表面硬度同材料的抗張強度、抗壓強度和彈性模量等性質(zhì)有關(guān)

測定方法：（1）壓痕(壓力)硬度法——主要表征材料對變形的抗力；

布氏硬度、洛氏硬度、維氏硬度。（2）回跳硬度法——表征材料彈性變形功的大小；肖氏硬度（3）刻痕（刻劃）硬度法（非金屬礦物，10-金剛石）。表征材料對破裂的抗力。顯微硬度滑石(talc)1（硬度最?。?gypsum)2，方解石(calcite)3，螢石(fluorite)4，磷灰石(apatite)5，正長石(feldspar;orthoclase;periclase)6，石英(quartz)7，黃玉(topaz)8，剛玉(corundum)9，金剛石(diamond)10。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：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。對有較大晶粒或組成相的材料仍能適用。缺點：試樣過薄以及要求大量快速檢測、彈性變形較大時受到限制。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：檢測上限高于布氏硬度；

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。缺點：壓痕小可使所測數(shù)據(jù)缺乏代表性。

不同標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。九種標尺M60kg0.635mm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，四方角錐體兩相對面間的夾角為136，針對布氏硬度和洛氏硬度兩方面的缺點而設(shè)計的測量范圍較寬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測量。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定。硬度值取決于材料的彈性性質(zhì)

材料彈性模量相同時可比較操作簡便，測量迅速，壓痕小

塑性形變吸收能量6、材料的硬度及影響因素

陶瓷高硬度

金屬原子結(jié)構(gòu)、成分硬度變化大

高分子低硬度決定于材料的固有本性

化學(xué)鍵強，材料的硬度一般就高，共價鍵離子鍵>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4-1-7一些材料的硬度數(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<140140

1030

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聚酯樹脂

72124聚偏二氯乙烯

-92醋酸纖維

251154-1-7摩擦和磨損(frictionandWear)機器工作效率和準確度降低1.摩擦與磨損的概念摩擦摩擦力摩擦系數(shù)滑動摩擦滾動摩擦磨損磨損機制(表4-8)2.摩擦

定義：兩個相互接觸的物體或物體與介質(zhì)之間在外力作用下，發(fā)生相對運動或運動趨勢，在接觸表面上所產(chǎn)生的阻礙作用。

根據(jù)阿蒙頓定律,滑動摩擦系數(shù)為：

u=F/P

阿蒙頓定律未考慮實際接觸面積

粘合摩擦系數(shù)：摩擦力為剪斷粘接點所需的功。

F=Ar.S

如果接觸點的形變是屬于塑性的（如塑料）

Ar=P/Pm

u=S/Pm

材料的剪切強度越低,抗壓強度越高,摩擦系數(shù)越小。

Ar

—實際接觸面積；S

—材料的剪切強度。Pm—材料塑性流動的抗壓強度根據(jù)接觸面運動方式不用，可以將摩擦分為滾動摩擦和滑動摩擦。摩擦和磨損是物體相互接觸并作相對運動時伴生的兩種現(xiàn)象。摩擦是磨損的原因，磨損是摩擦的必然結(jié)果。磨損：磨損是兩材料表面摩擦?xí)r，由于力學(xué)（有時還有溫度等環(huán)境因素）作用，材料從自身表面以各種形式剝落的有害現(xiàn)象。根據(jù)磨損機制可分為：咬合磨損，磨料磨損，腐蝕磨損，微動磨損。表面疲勞磨損如果接觸點的形變是屬于彈性的（如橡膠）

Ar=K（P/E）x彈性摩擦系數(shù)：

u=K.S.PX-1.E-

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

1。橡膠等彈性材料的剪切強度和彈性模量是摩擦阻力的主要控制因素，材料的剪切強度越小，彈性模量越高，則摩擦系數(shù)越小。影響摩擦系數(shù)的因素：A兩材料表面的相對硬度B兩表面的凹凸不平程度C環(huán)境溫度D滑動速度E高聚物的組成與結(jié)構(gòu)。常用塑料，除PTFE以外，在無油潤滑時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4-1-9材料的摩擦系數(shù)

高分子材料高分子對金屬高分子對高分子聚氯乙烯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、磨損機制及影響因素

Ⅰ磨料磨損Ⅱ咬合磨損

Ⅲ腐蝕磨損

Ⅳ微動磨損Ⅴ疲勞磨損

1.磨粒磨損（磨料磨損）由于摩擦表面上的硬質(zhì)突出物或從外部進入摩擦表面的硬質(zhì)顆粒，對摩擦表面起到切削或刮擦作用，從而引起表層材料脫落的現(xiàn)象，稱為磨粒磨損。減輕磨粒磨損：滿足潤滑條件，合理地選擇摩擦副的材料、降低表面粗糙度值以及加裝防護密封裝置等。按照磨損的機理以及零件表面磨損狀態(tài)的不同把磨損分為：2.（咬合磨損）粘著磨損粘著作用引起的磨損，稱為粘著磨損。粘著磨損按程度不同可分為五級：輕微磨損、涂抹、擦傷、撕脫、咬死。涂抹、擦傷、撕脫又稱為膠合，往往發(fā)生于高速、重載的場合。合理地選擇配對材料，采用表面處理，限制摩擦表面的溫度，控制壓強及采用含有油性極壓添加劑的潤滑劑等，都可減輕粘著磨損。粘著—剪斷—再粘著—再剪斷----3.微動磨損兩接觸表面小幅度的相對切向運動稱為微動，壓緊的表面之間由于微動而發(fā)生的磨損稱為微動磨損。微動磨損是粘合、磨料、腐蝕和表面疲勞的復(fù)合磨損過程。合理地選擇材料及材料的硬度，選擇粘度高的潤滑油，加入極壓添加劑或及減小摩擦面的粗糙度值等，可以提抗疲勞磨損的能力。4.腐蝕磨損在摩擦過程中，摩擦面與周圍介質(zhì)發(fā)生化學(xué)或電化學(xué)反應(yīng)而產(chǎn)生物質(zhì)損失的現(xiàn)象，稱為腐蝕磨損。

實際上大多數(shù)磨損是以上述四種磨損形式的復(fù)合形式出現(xiàn)的。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抗張強度E撕裂強度F疲勞強度G溫度特性

耐磨性改善方法：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無機填料如石墨、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、耐磨性評價及磨損試驗方法磨損量:失重法和尺寸法

跑合階段穩(wěn)定磨損階段劇烈磨損階段

此階段的特征是磨損速度及磨損率都急劇增大。在跑合階段結(jié)束后應(yīng)清洗零件，更換潤滑油。磨損的試驗方法:

零件磨損試驗以實際零件試驗，不易進行單因素考察試樣磨損試驗材料加工成試樣試驗，多用于研究性試驗?zāi)p試驗機及特點：a.圓盤-銷式磨損試驗機：摩擦速度可調(diào)，試驗精度較高；b.滾子式磨損試驗機：測定材料在滑動摩擦、滾動摩擦、滾動和滑動復(fù)合摩擦及間歇接觸摩擦情況下的磨損量；c.往復(fù)運動式磨損試驗機：適用于試驗導(dǎo)軌、缸套、活塞環(huán)一類往復(fù)運動零件耐磨性d.砂紙磨損試驗機：對磨材料為砂紙，該法簡單易行；e.切入式磨損試驗機:能較好地測定材料及處理工藝的耐磨性。表4-1-10塑料的摩擦系數(shù)與重量磨耗

塑料動摩擦系數(shù)摩耗損失（克）常用的酚醛樹脂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4-1-11一些工程塑料與軸承合金的摩擦、磨損特性對比

材料名稱負荷（kg）時間（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

材料在使用過程中，結(jié)構(gòu)（形變）和性能隨時間變化至破壞

1.疲勞(fatigue）cyclicstresses（1）疲勞及疲勞強度

疲勞：工程構(gòu)件在服役過程中，由于承受變動載荷或反復(fù)承受應(yīng)力和應(yīng)變，即使應(yīng)力低于屈服強度，也會導(dǎo)致裂紋萌生和擴展，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)（短壽命疲勞）②高循環(huán)疲勞區(qū)（長壽命疲勞）③安全區(qū)（無限壽命區(qū)）疲勞極限一條水平漸進線，其高度ac疲勞極限和疲勞強度(fatiguestrength)疲勞強度——用疲勞極限表示。MPa工程實踐中，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）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，