Page 110 - 《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 895

135 ω s =1.87t+110.64 220 0.465 d r =0.5t 0.54 d r =1.7 1.6 11.0
Residual scratch width, ω s /μm 125 180 Residual scratch hardness, H S /MPa Friction coefficient, μ 0.450 μ=0.44t 0.01 0.03 1.2 Residual depth, d r /μm 10.8 Pentration depth, d p /μm
130
200
d p =10.96
d p =10.07t
10.6
120
μ=0.46
0.8
160
115
10.4
110
9
6
3 H s =−5.27t+204.66 12 140 3 6 9 12 15 0.4 10.2
Scratch number, t Scratch number, t
(a) Residual scratch width, residual scratch hardness (b) Friction coefficient, penetration depth, residual depth
vs scratch number (F n =1 N, υ=4 mm/min) vs scratch number (F n =2 N, υ=2 mm/min)
20 20.0 d p =19.67 5
2 mm/min
4 N 0.05 d r =4.28 d p =19.59 4 19.5 d p =17.85t 0.04 2 mm/min 0.32 4 mm/min
d r =4.37
Penetration depth, d p /μm 16 d r =2.07t 0.37 d r =0.5t 0.54 d r =1.7 2 Residual depth, d r /μm Penetration depth, d p /μm 19.0 4 mm/min d r =2.18t d r =1.39t 0.46 4 3 Residual depth, d r /μm
18
d p =17.8t
4 N
14
18.5
12
2 N d p =10.08t 0.03 2 N d p =10.95 18.0 d p =16.56t 0.07 2
10 0
3 6 9 12 15 3 6 9 12 15
Scratch number, t Scratch number, t
(c) Penetration depth, residual depth under (d) Penetration depth, residual depth at different
different normal load (υ=2 mm/min) scratch speed (F =4 N)
n

Fig. 5 Relationship between normal load, scratch speed, scratch number and friction and wear
图 5 法向载荷、划痕速度与划痕次数和摩擦磨损的关系

次数的增加，硬化层相比上一次会变得更加紧密，在 出，而不是发生裂纹和碎裂，反映出PC具有良好的塑
硬化层中弹性逐渐降低，因此相比单次划痕，第15次的f 性变形能力. 从图9中可以清晰地看到，随着F 的增
n
[18]
降低，d 增加 . 图8(a)和(b)分别是在1 N和4 mm/min下， 加，划痕凹槽的宽度有明显增加. 同样，观察图10可看
r
单次和第12次的划痕形貌图，从图中可看出，第12次 出，随着υ的增加，ω 减小.
s
的ω 更宽，对于F 的影响高于划痕凹槽表面粗糙度的 压头划过样品时产生压缩应力作用，PC会发生屈
t
s
影响. 每次压头以恒定F 和恒定υ经过时，硬化层更容 服现象，形成肉眼可见的划痕，这是一种不可回复的
n
易形成损伤，剥落的硬化颗粒会加剧压头与材料间的 塑性变形. 样品在划痕过程中发生塑性流动的难易程
[4]
摩擦磨损，导致第15次的μ高于单次划痕的μ. 度由屈服强度的高低决定 . 较硬的材料不容易屈服，
由于d 决定ω ，而d 在15次之前达到稳定状态，可 会产生较浅的沟槽，以拉伸和脆性的方式断裂；韧性
p
s
p
推出第20次与第15次的ω 相同. 对于每一条划痕凹 较高的聚合物会发生屈服，产生较深的沟槽. PC是韧
s
槽，由于划痕凹槽边缘是不规则的，取3个位置计算平 性较高的聚合物，提供了1个较光滑的划痕槽，其特征
[35]
均值作为宽度. ω 是压头和两侧凹槽实际接触点间的 是塑性变形 . 使用球形压头会导致PC的划痕凹槽中
s
[22]
距离 . 产生熨平(平行于划痕方向的线条)变形模式 [1,36] ，这是
图9显示了不同F (υ=4 mm/min)第15次划痕的凹 一种不太严重的塑性变形划痕模式，见图9(b). 在0.2 N
n
槽形貌图，图10显示了不同υ (F =5 N)第20次划痕的 时，划痕凹槽与未划痕部分的边界不明显，说明划痕
n
凹槽形貌图. 施加较大F 时，划痕凹槽的边缘上存在 较浅，熨平现象较轻，且凹槽中显示出较规则的锯齿
n
塑性变形导致的堆积现象，见图10(b)，表明在划痕过 形划痕轨迹 ，见图9(a)，这些轨迹被认为是由于接触
[30]
程中，压头与试样接触之间的部分更倾向于沿两侧挤 表面的变形显著高于次表面材料的变形而形成的. 可