Page 114 - 《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 899

1 mm/min 2 mm/min 4 mm/min Pile-up Sink-in
160 H S =42.18ξ+267.17 H S =8.37ξ+155.84 H S =8.51ξ+164.82 360 ω S =−2.69υ+371.92
Scratch hardness, H S /MPa 140 1.0 N ω S or ω c /μm 320 (30.34, 290.31)

ω c =287.17
1.5 N
120
2.5 N
100 H S =47.56ξ+245.24 H S =48.11ξ+203.04 280 ω c =−0.65υ+310.03 ω S =255.19
H S =5.5ξ+123.08
−4 −3 −2 −1 10 20 30 40 50 60
− 1
Log strain rate, ξ/s −1 Scratch speed, υ/(mm·min )
(a) Relationship between scratch hardness (b) Scratch width at different scratch
and logarithmic strain rate speed (F n =5 N)
200
H S =152.1ψ 0.12
H S =195.53
160
H S or H c /MPa 120 H c =146.09ψ 0.03 H c =154.54

80
0 4 8 12 16
Strain rate squared, ψ/s −2
(c) Relationship between hardness and
strain rate squared (F n =5 N)

Fig. 12 Relationship between scratch width, scratch hardness and scratch speed
图 12 划痕宽度，划痕硬度与划痕速度的关系

[33]
降低. 致恒定F 下ω 与ω 随着υ的增加而减小 . 从图12(b)
n s c
从图12(a)可以分析出，在相同F 情况下，随着对 看出，30 mm/min之前，随着υ的增大，ω 与ω 之间的差
n
c
s
数应变率ξ=Log(dε/dt)的增加，即υ的增加，H 呈增加的 值减小，这是因为υ较低时，塑性变形占主导，产生堆
s
[14]
趋势，与Kurkcu等 的结果趋势相同. 这是因为在较 积现象，导致ω >ω . 随着υ增加，划痕凹槽两侧的堆积
s c
[41]
高的υ下，凹槽宽度变小，PC具有较高的dε/dt. 应变率 高度减小 . υ>30 mm/min时，ω <ω 的原因是划痕凹
s c
硬化效应意味着材料提供了更大的抗塑性变形能力. 槽出现下沉现象，如图1(c)所示. υ较大时，ω 与ω 均达
s c
还有一种解释是压头划过试样时会产生界面加热现 到稳定状态，说明υ对划痕宽度几乎不产生影响. 图12(c)
2
象，这种界面加热主要局限于接触表面区域，界面加 所示为5 N下，H与应变率平方ψ=(dε/dt) 的关系，根据
2
热与υ呈正比，这可能是使表面硬化和降低摩擦系数 公式(4)、(5)和(8)可以推导出H、ψ和υ 之间的关系，见
[40]
的重要因素 . 由于划痕是1个动态过程，在较高的 公式(9). 随着dε/dt的增加，H逐渐增加，但增加速率逐
υ下，虽然较高的υ会在试样表面产生更多的热量，但 渐减小，较高υ时H达到稳定状态，说明到达一定υ时，
是υ较大时，接触表面的热能还来不及耗散到材料中， 应变硬化效果已达到最大，H不变. 将H、ψ和w都看成
[1]
所以引起的塑性变形较小 . 另外，从图12(a)中还可以 是υ的函数，对公式(9)求导得到公式(10)。图12(b)显示
看出，相同υ下，F 越大，ξ越小，dε/dt也越小，根据 w随着υ的增加而减小，且最终趋于稳定；在趋于平稳
n
dε/dt的定义，试样的磨损情况随着F 的增大而愈加剧 之前，dw/dυ=常数，dH/dψ逐渐减小；当υ足够大时，
n
烈，对应的划痕宽度增大，导致dε/dt减小，说明试样抗 dw/dυ=0(也就是dυ/dw无限大)，使得图12(c)曲线的斜
塑性变形能力差，即H 降低. 随着υ的增大，PC分子链 率dH/dψ几乎为零。
s
段之间易于缠结并且缠结密度随之增加，样品抵抗压 H 4qF n
= (9)
头压入的能力增强，d 会减小，而d 决定划痕宽度，导 ψ πυ 2
p
p