Page 108 - 《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 893

[28]
的速率依赖性 . 长趋势，与前人的试验结果一致 [23,32] . d 随着F 的增加
r
n
使用球形和圆锥压头时，对于黏弹塑性材料，如 而增加，而f则呈降低趋势. 当施加的F 较大时，材料产
n
聚合物，弹性恢复几乎是瞬时的，承受载荷的面积可 生塑性变形，导致材料的犁耕摩擦占主导. 随着F 的
n
以近似为1个圆，其直径和划痕宽度相同. 因此，在试 增加，压头压入试样的深度增加，材料的转移量增加，
验后测量划痕宽度以获得划痕硬度是合理的. 残余划 塑性变形程度愈加严重，压头需要克服更大的犁耕阻
痕硬度H 是施加的法向载荷与相应投影接触面积的 力，μ 随着F 的增加而线性增加. 根据公式(4)和(6)，
p
n
s
[29] F 增加时，d 增加，dε/dt减小，试样的抵抗塑性变形能
比值，其公式如式（5）所示 . n p
力降低，凹槽宽度增加，H降低，进而提高μ . 在较高
4qF n a
H s = (5)
[31]
2 F 下，黏滑现象严重 ，导致μ +μ 增加. PC长链的形
πω s n a v
其中q取决于材料的黏弹性、划痕速度和压头几何形 状记忆性能随着法向载荷的增加而减弱，并倾向于保
[18]
[30]
状. 黏弹性材料1<q<2 . q值的试验测量是困难的，文 持相同的拉伸位置，降低深度的恢复, d 增加 .
r
[31]
献中没有关于聚合物的试验或理论值 . 本文中，选 如图4(a)所示，随着划痕速度υ的增加，μ先增加后
[33]
择q=2. 减小，与Zhang等 研究的较大法向载荷下摩擦系数
[24]
μ 可根据式（6）计算 . 与划痕速度两者的关系一致. d 减小是因为υ增大， 随
p
a
着dε/dt增加，压头抵抗塑性变形能力增加，使试样抵
τ 0
µ a = +α (6)
H 抗压头压入的能力不断增强，从而导致d 减小 [1,24] . d p
p
式中：τ 和α为常数，H(H 或几何划痕宽度H )是样品的 减小导致犁耕效应减弱，μ 降低，如图4(c)所示. dε/dt
c
s
0
p
划痕硬度. 增加，H 提高，导致μ 降低. 划痕速度1~20 mm/min时
s
a
图3显示了单次划痕下划痕参数与F 的关系. 随 μ增加归因于μ 增加，因为dε/dt增加使得压头与PC间
n
v
着F 的增加，μ从0.382非线性增至0.464，d 呈线性增 的黏性阻力增大. 中间速度处的高摩擦系数可能和压
n p
20 12
1.0
0.45
d p =4.23F n +2.17 16 9
Friction coefficient, μ 0.42 12 Penetration depth, d p /μm Residual depth, d r /μm 6 0.8 Elastic recovery rate, f
0.6
8 3
2
0.39 μ=0.01F n −0.03F n +0.41
0.4
0
1 2 3 4 1 2 3 4
Normal load, F n /N Normal load, F n /N
(a) Friction coefficient, penetration depth vs normal loa (b) Residual depth, elastic recovery vs normal load
0.12
0.34
0.10
μ p =0.016F n +0.056
2
μ a +μ v
μ p
0.32
0.08
0.30
2
μ a +μ v =0.01F n −0.05F n +0.35
0.06
1 2 3 4
Normal load, F n /N
(c) Ploughing friction coefficient, the sum of adhesion and viscoelastic friction coefficient vs normal load

Fig. 3 Relationship between scratch parameters and normal load under single scratch (υ=4 mm/min)
图 3 单次划痕下，划痕参数与法向载荷的关系(υ=4 mm/min)