Page 106 - 《摩擦学学报》2021年第6期

第 6 期 刘明, 等: 利用球形压头研究聚碳酸酯的微米划痕性能 891

deterioration of resistance to plastic deformation and the linear decrease of scratch hardness. Polycarbonate exhibited
stress whitening, ironing and regular zig-zag type scratch tracks. The scratch morphology was severely damaged with
both residual scratch width and geometric scratch width increasing linearly with the increase of normal load. The
residual scratch hardness decreased with a power law dependence on the normal load, while the geometric scratch
hardness increased due to work hardening and the increase of strain as the normal load increased. The damage extent of
scratch surface decreased with the increase of scratch speed. The residual scratch width and geometric scratch width
decreased linearly with the increase of scratch speed. In addition, the residual scratch hardness and geometric scratch
hardness increased with the increase of scratch speed, and finally tended to be stable. The derivative of scratch hardness
with respect to the square of strain rate was related to the scratch speed: as the scratch speed increased, the slope of the
curve gradually decreased. As the scratch speed was large enough, it tended to be zero. Under low normal loads or high
scratch speeds, the material was compressed and sunk in around the borderlines of the scratch groove, giving rise to the
geometric scratch width greater than the residual scratch width. Nevertheless, for high normal loads or low scratch
speeds, a small amount of material piled up on both sides of the scratch groove, resulting in a smaller geometric scratch
width than the residual width.
Key words: microscratch; 100Cr6 spherical indenter; polycarbonate; normal load; scratch speed; scratch number;
friction and wear

聚碳酸酯(PC)因良好的耐热性能、易加工、耐冲 利用微米划痕仪对聚碳酸酯进行测试，研究了单
击强度高和质轻环保等特性而被广泛应用于光学、汽 次划痕和多程单向滑动磨损试验下不同测试条件对
车和涂层等方面 [1-2] ，但由于较差的机械性能很容易被 性能的影响：单次划痕测试下法向载荷以及划痕速度
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划伤，会影响美观性和使用寿命 ，因此，研究聚碳酸 对摩擦系数、压入深度、残余深度和弹性恢复率的影
酯的划痕性能很有必要. 划痕是通过施加法向载荷， 响；多程单向滑动磨损下法向载荷和划痕速度对划痕
使压头压入试样一定深度，且以一定速度沿表面进行 宽度、划痕硬度的影响以及划痕次数与摩擦磨损的关
切向运动的机械变形过程，因此划痕可视为法向压入 系，并且观察分析划痕凹槽形貌，有助于加深在微观
[4]
和切向滑动两个过程的组合 . 通过划痕测试，可以获 尺度下对PC摩擦磨损的理解.

得声发射、摩擦系数、深度和切向力等参数. 划痕测试
1 聚碳酸酯(PC)的微米划痕试验
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因操作简单和可靠性高等优点，被广泛用于测试金属 、
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涂层 、玻璃 、聚合物 以及复合材料 的划痕性能、 采用市售(上海聚优新材料科技有限公司)的立方
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断裂韧性 、摩擦磨损 和划痕硬度 . 划痕行为取决 PC材料(尺寸大小为20 mm×20 mm×12 mm). 使用
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于多种因素，可分为两大类：压头几何形状和测试条 Anton Parr MST 型微米划痕仪在大气环境和室温下
件(如压头角度、法向载荷和划痕速度)以及材料特性 对样品进行测试，如图1所示，压头和样品之间为干摩
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(弹性模量、屈服应力、结晶度和表面粗糙度) . 擦，采样频率为30 Hz，划痕长度2 mm，划痕间隔为
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Morón等 研究并比较了多程单向和往复双向滑动运 0.5 mm，试验前对试样进行1个预划痕，物理量在15次
动类型对TiN基薄膜磨损试验的影响. 结果表明在滑 划痕之前达到稳定状态，选择划痕次数为15次 [17-18] . 比
动磨损试验(沿同一划痕凹槽重复划痕)中，摩擦系数 较了不同法向载荷(0.2~5 N)和划痕速度(1~60 mm/min)
在0.12~0.22之间. 在0.5 N法向载荷作用下，摩擦系数 对 PC划 痕 性 能 的 影 响 ， 采 用 半 径 R为 500 μm的
中的滑动运动效应更为明显，往复双向比多程单向的 100Cr6球形压头. 划痕测试分三步进行：首先，在非常
滑动运动效应影响更大，磨损系数在往复双向试验中 小的载荷(5 mN)下进行预扫描确定样品轮廓信息；然
获得最大值. 刘明等 利用微米划痕仪评估了TiN涂 后压头在一定的恒定力作用下接触试样表面，进行划
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层的断裂韧性，与压痕断裂法和有限元模拟法的测试 痕试验；最后在5 mN载荷下进行后扫描，以确定弹性
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结果相吻合. Arribas等 用微划痕试验机测量了聚碳 恢复后凹槽的残余深度d r [19] . 从图1中可看出，随着压
酸酯和有机黏土纳米复合材料在滑动磨损条件下的 头的移动，压头周围的材料在划痕凹槽两侧形成堆积
抗划伤性能. 发现在滑动磨损中，复合材料在经过一 或者下沉.

定数量的划痕后残余深度达到了恒定值，这是应变硬
2 聚碳酸酯的微米划痕试验结果及分析
化的表现. 随着法向载荷的增加，达到稳定的划痕数
量减少. PC置于试验台时表面不可避免地存在倾斜现象，