Page 112 - 《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 897

Scratch direction
Scratch direction

ω S ω S

50 μm 50 μm

(a) Morphology of the single scratch (b) Morphology of the 15th scratch

Fig. 8 Morphology of the groove of the single and 15th scratches (F n =1 N, υ=4 mm/min)
图 8 单次和第15次的划痕凹槽形貌(F n =1 N, υ=4 mm/min)

Scratch direction Scratch direction
Zig-zag tracks
Ironing
ω S ω S

10 μm 50 μm

(a) F n =0.2 N (b) F n =1 N

Scratch direction Scratch direction
Stress whitening ω S Cracking ω S
200 μm 200 μm
(c) F n =2 N (d) F n =3 N

Fig. 9 Morphology of the groove of the 15th scratch under different normal load (υ=4 mm/min)
图 9 不同法向载荷下，第15次划痕的凹槽形貌图(υ=4 mm/min)

4qF n
以推断，在摩擦过程中，亚表面材料的运动滞后于表 H c = (8)
πω c 2
[33]
面的运动 ；随着法向载荷的增加，熨平变形模式加
F 与ω 或ω 的关系如图11(a)所示. 在同一υ下，随
c
s
n
[19]
剧，且引入应力白化(白色区域)、裂纹和剥落 现象， 着F 的增加，划痕宽度增加，在0.5~4 N范围内两者呈
n
[37]
划痕过程中的应力白化主要是由于划痕聚合物的孔 线性关系. Wong等 研究了渐进载荷下聚丙烯(PP)体
洞、开裂和塑性拉伸所致 . 对于剥落，见图10(a)，压 系的划痕宽度与F 呈线性增加关系，与本试验结果一
[29]
n
[3]
头和试样之间的界面结合强度比PC的内聚强度高. 聚 致. Liu等 研究了线性加载模式下韧性高聚物PC在划
合物材料能够以很少的组分逐渐转移到压头表面，最 伤过程中的变形和损伤，发现划痕凹槽边缘的堆积尺
寸随着d 的增加而增大. 当施加不同F 的压头在同一
[33]
后，可能会导致大块剥落 . 随着F 增加，PC磨损愈加 p n
n
位置重复划擦时，随着划擦次数增多，磨损也变得更
严重. 而从不同υ的划痕形貌来看，随着υ的增加，表面
[38]
严重，导致最终d 和划痕宽度增加的程度不同 . ω 是
s
p
损伤程度降低，这归因于随着划痕硬度增加，抗划伤
压头与划痕凹槽两侧接触点之间的距离，而ω 则通过
c
性能增强. d 获得. 较低载荷时，弹性变形占主导，ω <ω 的原因
s
c
p
根据图1几何模型，可由d 和R根据式(7)计算出几 是产生下沉现象，随着F 的增加，塑性变形逐渐占主
p
n
何划痕宽度ω . 导，压头周围材料开始向两侧转移，导致ω 与ω 之间
c s c
√ 的差值逐渐减小直至ω 与ω 的曲线产生交点；ω >ω
( ) s c s c
ω c = 2 d p 2R−d p (7)
是因为堆积的产生，更大F 导致划痕凹槽的磨损加
n
H 与H 定义一样，如式（8）所示. 剧，压头压入试样的深度更深，材料转移到凹槽两侧
s
c