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

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。

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。

HR=K- t/ 0.002 2、洛氏硬度 t = h1-h2 K 为常数, 100, 130 t 为压痕深度 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。 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是不可比的。 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 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 ，

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

陶瓷 高硬度 6、材料的硬度 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， 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

材料 布 氏 硬度值 硬 度 P / D 2 洛 氏 P =100kg M 1/16 P =60kg M 1/8 钢及铸铁 <140 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 P =60kg M 1/8 钢及铸铁 <140 140 10 30   钢及其合金 <35 35~130 >130 5 15 轻金属及其合金 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 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） 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 聚四氟乙烯 78 聚甲基丙烯酸甲酯 72 125 聚酯树脂 聚偏二氯乙烯 92 醋酸纤维 25 115

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 摩擦 摩擦力 摩擦系数 滑动摩擦 滚动摩擦 磨损 磨损机制

2. 摩擦 弹性摩擦系数： u = K. S. P X-1. E - X 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。

2. 摩擦 弹性摩擦系数： 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 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 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4-1-9 材料的摩擦系数 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   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 0.4 ~ 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 0.1 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 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 Ⅰ咬合磨损 Ⅱ磨料磨损 Ⅲ腐蚀磨损 Ⅳ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、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4-1-10 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 0.61 0.057 尼龙—6 0.39 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  

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

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。

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

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： 疲劳破坏过程的三个组成部分 成核的条件 缺陷、 ① 反复塑性变形导致局部应变 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。

（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 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。

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； 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。

疲劳寿命（强度）影响因素 改善疲劳强度的方法（表面处理） A 平均应力 B 组织结构 C 表面状况 (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 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. ＝

FIGURE 9.40

FIGURE 9.41