Page 31 - 《摩擦学学报》2021年第1期

28 摩 擦 学 学 报 第 41 卷

划痕试验特别适合研究不同材料(如金属，陶瓷， 表 1 T2紫铜的化学成分(质量百分数)
聚合物，涂层，复合材料和生物材料等)的力学与摩擦 Table 1 Chemical composition of T2 copper
(weight fraction)
[4]
磨损性能，已被广泛用于评估摩擦系数 [1-3] 、抗划擦性 、
w(Cu)/% w(Bi)/% w(Pb)/% w(S)/% w (O)/%
断裂韧性 [5-8] 、划痕硬度 [9-12] 以及涂层的结合性能 [13-14] .
99.9 0.002 0.005 0.005 0.06
在划痕测试中有很多影响测试结果的因素，比如正压
[20]
[18]
[19]
力 [15-17] ，表面粗糙度 、表面织构 和滑动速度 等. 表 2 T2紫铜的力学性能
由于试样制备或安装误差，还会导致试样表面倾斜， Table 2 The mechanical properties of T2 copper

因此试验中很难确保压头和试样之间的完美垂直，从 Elastic modulus， Poisson's Yield stress，
Parameter Yield strain，ε y
而影响测试结果. Menezes等 采用倾斜划痕试验机 E/GPa ratio，v σ y /GPa
[21]
Value 100 0.335 0.033 0.000 33
研究了滑动钢板的表面织构与表面倾斜共同作用下
对摩擦传递层的影响，结果显示摩擦系数的波动程度
图1为压头扫描电子显微镜(SEM)照片. 由于球形压头
取决于接触条件与倾斜角度的大小. 赵宏伟课题组 [22]
在测试中产生的初始接触应力小，能够产生弹性变形
利用有限元仿真模拟了Berkovich压头偏斜对纳米划
向塑性变形平滑过渡的过程，因此适合研究各种软材
痕的影响，发现倾斜角度对残余划痕轮廓、接触投影
料的接触变形机理和弹塑性性能 [30-31] . 虽然划痕仪不
面积和摩擦系数的计算有较大影响. 他们还进行了圆
具有微小角度自动纠偏功能，但在划痕过程中可通过
锥压头纳米划痕试验，认为恒定正压力下试样表面垂
前扫描可以扣除倾斜影响，从而获得真实的深度数据.
直于划痕方向的倾斜对测试结果影响不大 . 此外，
[23]
划痕测试包括3个阶段：首先在前扫描过程中，采用
为了研究不同正压力条件对划痕测试结果的影响，
1个很小的载荷测试试样表面的初始轮廓，作为压头
AlMotasem等 对纳米铁素体的纳米划痕进行了分子
[24]
位移的基线；然后进行恒定载荷划痕试验，同时记录
动力学模拟，探讨磨损响应的晶粒尺寸依赖性，发现
正压力、侧向力以及划痕深度(即压头在划刻过程与
[25]
摩擦系数随正压力的增大而增大. Sinha等 对不同的
前扫描过程中的位移之差)；最后通过后扫描获得弹性
聚合物进行了圆锥压头划痕试验，发现划痕硬度随正
恢复后的残余深度(即压头在后扫描过程与前扫描过
压力的变化还与材料屈服强度有关.
程中的位移之差).
目前，试样倾斜对压痕试验的影响已被广泛报
道 [26-29] ，但是对划痕试验的影响研究还较少. 采用球形
压头对紫铜进行了恒定正压力下的微米划痕试验，研 O
究了不同正压力和倾斜角度对软金属划痕测试结果
(如划痕深度、划痕宽度、摩擦系数和划痕硬度等)的影 R
响. 通过球-面接触力学模型及位置关系模型校正试验
测得的名义摩擦系数，获得了试样无倾斜时的真实摩
擦系数.
β
1 微米划痕试验
100 μm
d t
选择边长为20 mm的市售立方紫铜作为试样，表1
Fig. 1 SEM micrograph of the Rockwell C diamond indenter
和表2分别列出了紫铜的化学成分与力学性能参数.
图 1 Rockwell C金刚石压头形貌的SEM照片
紫铜属于塑性材料，与金刚石压头相比，试样相对柔
软且易于塑性变形，对压头的损伤较小，因此便于使 图2为微米划痕试验示意图，试样表面沿着划痕
用同一个压头进行多次划痕测试. 将试样进行砂纸研 方向向上倾斜，θ为倾斜角度. 为了预设不同的倾斜，
磨与机械抛光，获得光滑平坦的表面. 可以在试样与夹具之间添加多层厚度为10 μm的铝
试验所用仪器为奥地利Anton Paar公司的微米划 箔，铝箔越多则倾斜角度越大. 由于试验过程中的受
2
痕测试仪(MST ，Micro-scratch tester)，采用半顶角β = 力主体依然是试样，因此铝箔在不同的倾斜条件下几
60°的Rockwell C金刚石压头，其顶端为曲率半径R= 乎不会变形，对试验结果无影响. 此外，倾斜角度的数
100 μm的球形，球锥转变深度 d t = R(1−sinβ) ≈ 13.4 μm， 值还受到试样装夹的误差影响，无法预设某个具体的