Page 33 - 《摩擦学学报》2021年第1期

30 摩 擦 学 学 报 第 41 卷

其中：x是随划痕长度变化的测量值， l max = 2 000 μm. 察到材料的切屑堆积与塑性侧流现象，且侧流方向与
图5为不同恒定正压力下的残余划痕形貌光学图 压头滑动方向一致，这是由于紫铜属于延性材料，试
像，发现在较小的正压力下，划痕边缘相对光滑. 在较 样与压头接触的边界区域随正压力增大而发生剪切
大的正压力下，划痕边缘波动程度加剧，可以明显观 流动造成的.

F V =0.4 N F V =0.8 N F V =1.2 N

Pile-up
Material plastic side flow

20 μm 20 μm 20 μm

Sliding direction
◦
Fig. 5 Optical image of residual scratch morphologies under different constant normal load ( θ = −0.49 )
图 5 不同恒定正压力下的残余划痕形貌光学图像( θ = −0.49 )
◦

图6为不同试样倾斜条件下正压力对残余划痕宽 摩擦系数被定义为切向力与法向力之比，但在实
度 w r 的影响，其中 是由视觉测量软件获得的宽度平 际划痕试验中，测试系统只能测试水平方向与竖直方
w r
均值. 从图6中可知试样倾斜对 w r 的影响较小，但 与 向的反馈力. 将水平方向的反馈力称为水平力(即侧向
w r
F v 的0.5次方之间存在线性关系，这与文献[8]结果一致. 力)，竖直方向的反馈力称为竖直力(即正压力)，因此
实测摩擦系数 µ 0 是水平力 F h 和竖直力 F v 之比 ：
[36]

70 w r =51.727 F v 0.5 µ 0 = F h (3)
Residual scratch width, w r /µm 50 θ/(°) 的影响. 将不同正压力下测得的摩擦系数线性拟合，
60
F v
图8(a)为不同恒定正压力下试样倾斜对摩擦系数
−3.27°
40
−1.12°
发现每组摩擦系数都与试样倾斜角度线性相关：θ <
−0.49°
30
0.53°
0时，摩擦系数线性递增；θ > 0时摩擦系数线性递减.
0.91°
20
3.12°
从图8(b)中可知摩擦系数 k µ 与正压力几乎没有关系
10
0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 1.6 ( k µ = −0.018)，说明摩擦系数随倾斜角度的线性变化
Normal load, F v /N
程度不受正压力的影响. 此外，已对其他材料(黄铜与
Fig. 6 Effect of normal load on residual scratch width under
非晶合金等)进行了试样倾斜条件下的球形压头微米
different sample tilt conditions
[40]
图 6 不同试样倾斜条件下正压力对残余划痕宽度的影响 划痕试验，其试验现象与紫铜的类似 .
[41]
类似于横倾状态对步进摩擦的影响 ，当正压力
图7(a)为不同恒定正压力下试样倾斜对划痕深度
与试样表面不垂直时，其受力状态与水平接触有所差
的影响. 划痕深度随正压力的增大而增大，当正压力
[21]
异. 基于Menezes等 建立的平面接触力学模型，同时
为0.2 N时，最小划痕深度(0.58 μm)远大于表面粗糙度
考虑倾斜角度的正负影响，建立了球-面接触力学模
(0.05 μm)，因此粗糙度影响可以忽略不计；当正压力
型(见图9). 将 F h 与 F v 分别沿试样表面的切向和法向正
为1.4 N时，最大划痕深度(3.63 μm)小于球锥转变深度
交分解，则切向力 F t 与法向力 F n 为
(13.4 μm)，由此可知划痕过程中只有压头的球形部分
F t = F h cosθ + F v sinθ (4)
与试样表面相接触. 同时对比图7(b)中的划痕深度拟
合斜率 k d 可知，随着正压力的增大， 有逐渐减小的 F n = F v cosθ − F h sinθ (5)
k d
趋势. 该模型的摩擦系数 µ r 可定义为