Page 32 - 《摩擦学学报》2021年第1期

第 1 期 刘明, 等: 试样倾斜和正压力对球形压头微米划痕测试紫铜的影响 29

角度(如1°、2°和3°等)，因此倾斜角度在一定范围内具 −120
Surface height increases k=−0.057
有随机性，其变化没有规律. 试验过程中试样随试验 −80
台水平移动，压头只有竖直方向的位移. 压头与试样 −40 −0.019
[32]
开始塑性变形的临界载荷可计算为 F p = 225ε y R σ y ， −0.008
2
2
其中 ε y = σ y /E为屈服应变， σ y 为屈服应力，压头半径 Surface height, h/µm 0 0.010
R ≈ 100 µm. 对 于 弹 性 模 量 E = 100 GPa、 屈 服 应 力 40 0.016
σ y = 0.33 GPa的紫铜，可以计算出 F p ≈ 8 mN，而前扫 80
Surface height decreases 0.055
描与后扫描载荷设定为5 mN，由于该载荷较小，试样 120
的变形机制主要为弹性变形，因此在前扫描和后扫描 0 400 800 1 200 1 600 2 000
Scratch length, l/µm
阶段后可以认为材料基本无残余变形. 每个倾斜条件
Fig. 3 Initial profile of the sample surface along the scratch
下，在不同的紫铜表面施加七种恒定正压力：0.2、0.4、 direction under different tilt conditions
0.6、0.8、1、1.2和1.4 N. 划刻速度为4 mm/min，划痕长 图 3 不同倾斜条件下沿划痕方向的试样表面初始轮廓
度为2 mm，采样频率为30 Hz. 划痕试验结束后，通过
系统内置的光学显微镜观察残余划痕形貌，并采用自 θ= 180 ◦ arctank (1)
制的基于水平集与各项异性扩散方法的划痕形状表 π
面视觉测量软件 测量了残余划痕宽度平均值. 所有 其中k是将表面高度h与划痕长度l线性拟合后获得的
[33]
试验均在大气环境干摩擦条件下进行，温度和相对湿 表面斜率(见图3)，通过公式(1)进行反三角函数计算
度分别约为25 °C和44%. 可得紫铜试样的θ范围约为−3.27°~3.12°.
图4为紫铜的各变量随划痕长度的变化情况. 其
Aluminum foil 中，正压力在划刻过程中恒定不变，这是由于划痕仪
Sample Indenter
具有独特的主动力反馈系统，当载荷出现偏差时，主
θ
动力反馈系统会自动检测并修正该偏差，因此即使在
Fixture
复杂表面上(如曲面、倾斜表面或粗糙表面)也能精准
控制施加力. 但由于压头前的材料堆积(pile-up)，黏滑
Test-bed
效应(stick-slip)或者划痕诱导塑性变形的不均匀性，
导致测量变量上下波动 [37-38] ，特别是摩擦系数在划痕
Direction of movement of sample
[39]
初始阶段往往会出现急剧上升的情况 . 为了得到相
Fig. 2 Schematic diagram of the microscratch test when the 对稳定的数据，选择约20%~80%的划痕长度所对应的
sample surface is tilted upward
数据稳态区域作为平均值计算范围.
图 2 试样表面向上倾斜时的微米划痕试验示意图
∫ 4l max /5
xdl
x = l max /5 (2)
2 结果与讨论 3l max /5
图3为不同倾斜条件下沿划痕方向的试样表面初
35 0.35 2.8 10
始轮廓. 先根据初始轮廓的二维高度形貌数据拟合得 30 0.30 2.4
出数据中心线，再计算出轮廓算术平均偏差，经计算 25 0.25 2.0 8
表面粗糙度R 约为0.05 μm，说明试样表面光滑平整， 20 F v =1.4 N h μ 0 0.20 1.6 6
a
这有利于减少表面粗糙度对试验结果的影响 [34-35] . 由 Surface height, h/µm 15 d p d r 0.15 Friction coefficient, µ 0 1.2 Normal load, F v /mN 4 Scratch or residual depth, d p or d r /µm
于测试系统默认压头与试样的初始接触位置为接触 10 0.10 0.8
零点，且竖直向下的方向为正，因此当表面向下倾斜 5 0.05 0.4 2
Stable region
时压头随之下行，划痕处于“下坡”状态，表面高度为 0 0.00 0.0 0
0 400 800 1 200 1 600 2 000
正值；表面向上倾斜时压头随之上行，划痕处于“爬
Scratch length, l/µm
坡”状态，表面高度为负值. 倾斜角度的符号(正或
Fig. 4 Variation of measured variables with scratch length
负)与倾斜方向有关：当表面向下倾斜时，θ > 0；当表 under constant normal load
[36]
面向上倾斜时，θ < 0. 倾斜角度的计算方法 为 图 4 恒定正压力下测量变量随划痕长度的变化