Page 25 - 《摩擦学学报》2021年第4期
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468                                     摩   擦   学   学   报                                 第 41 卷

            屑或材料堆积等特点，可以将材料的变形机制分为微                            此外，将样品台的x，y，z轴方向进行调整，间接调平紫
            犁耕和微切削，微犁耕机制是以材料的塑形变形为                             铜表面. 扫描后输出的形貌数据文件使用图像处理软
                                                                         [18]
            主，随着压头的移动，会在划痕两侧观察到明显的材                            件Gwyddion 进行分析.

            料堆积现象，材料堆积一方面反映了材料的塑形变形
                                                               2    划痕试验结果分析
                [10]
            能力 ，另一方面可以通过计算两侧最高点堆积之间
            的距离，得到划痕硬度          [11-13] ；微切削机制下，材料被压               图1是不同载荷下划痕的形貌. 压头法向压入材
            头从划槽中除去形成切屑，划痕两侧不存在材料堆积.                           料中，位于压头下方和两侧的材料分别承受压缩应力
            Pöhl等 研究了纯铁、45钢和304L不锈钢在渐进载荷                       和拉伸应力 ，随后压头开始向前运动，材料所受到
                                                                         [19]
                  [14]
            下划痕的变形行为，发现金属材料的加工硬化程度对                            的应力分布发生变化，在摩擦力的作用下，压头前端
            材料堆积的形成有重要作用，并且会影响材料的微观                            的材料受到压缩作用，而压头后端的材料受到拉伸作
                              [8]
            损伤机制. 茅梦云等 对不同晶粒的纯铜进行表面划                           用，材料的应变能不断积累，最终会以裂纹的形式释
            痕测试，结果表明晶粒尺寸的增大可以改变材料的整                            放应变能. 图1(a)可见，在较小的正压力F 下，材料的
                                                                                                   n
                                                    [15]
            体应变，降低划痕前端堆积的高度. 张亚锋等 使用                           穿透深度浅，此时材料的变形主要由压头顶端的球形
            原子力显微镜对不同类型的玻璃进行纳米划痕试验                             控制  [5, 20] ，使得压头下方的材料出现不同程度的塑性
            后发现，划痕的残余深度会受到玻璃表层的机械性                             变形，造成因压头移动而在划痕两侧形成材料堆积量

            能、塑性流动方式等的影响.                                      较少. 随着正压力的不断增加，压头与试样的接触面
                                                                     [21]
                为了研究材料在不同压头载荷下划痕的三维形                           积增大 ，此时压头的圆锥部分起主要作用，接触条
            貌的变化，选用典型韧性金属紫铜，使用圆锥形压头                            件的改善使材料塑性流动变得连续，使得两侧的材料
                                                                                                [22]
            以不同的恒定大载荷对紫铜进行单次划痕试验，分析                            堆积量增加且沿着滑动方向均匀分布 ，如图1(b)所
            压头载荷与划痕宽度、划痕深度和材料堆积量之间的                            示. 图2(a)是划痕在d=0.5 mm位置上的划痕横截面图，

            关系. 此外，通过“切削与塑性比”以及划痕三维形貌                          可观察到划痕左右两侧的材料堆积量不一致，因为作
            分析紫铜在划刻过程中的变形机制，并利用划痕硬度                            为多晶体的紫铜，其局部的变形行为，在一定程度上
            来量化紫铜的抗划伤性能，评价紫铜在不同载荷下的                            会受到晶粒取向的影响，在外加应力场的作用下，表
            抗划能力，以及探讨屈服应力与划痕硬度之间的关                             现出塑性变形区域大小的差异             [14, 23] . 此外，在较大载荷
            系，并利用研究结果为韧性金属的成型与微加工提供                            下，划痕深度出现周期性的波动，如图3(a)所示. 这是
            理论指导.                                              因为压头前进时，压头前端材料内形成位错墙，位错

                                                               墙的形成会导致位错墙内的位错密度大于位错墙两
            1    划痕试验部分
                                                               侧的位错密度，由于位错密度与加工硬化呈正相关，
                试样采用块状紫铜，首先利用200~5 000目的砂纸                     因此压头划过位错墙时，会使得划痕深度出现波动.
            对试样表面进行研磨，接着使用粒度0.5 μm的氧化铝                         当采用恒定载荷加载模式时，前端材料内部会因压头
            抛光液进行机械抛光，使得材料表面的粗糙度达到划                            的滑动而不断发生上述的现象，使得划痕深度随着划
                                                                                           [24]
            痕试验所需的要求，之后将材料放入超声波清洗仪中                            痕长度的增加出现周期性的变化 .
            清洗干净.                                                  图4(a)所示为划痕宽度D 和划痕深度H 与不同
                                                                                        W
                                                                                                     D
                紫铜的划痕试验使用Rtec-HS100划痕仪，使用的                     载荷间的关系，测量方法如图2(b)所示. 此处D 和
                                                                                                         W
            压头是锥角为120°的Rockwell C金刚石压头，其顶端                     H 是取划痕长度d=0.4、0.5、0.6 mm位置处划痕深度
                                                                D
            为曲率半径R=200 μm的球形，采用恒定载荷加载模                         和宽度的平均值，划痕宽度和深度随着载荷的增加而
            式，对紫铜表面施加12~120 N的恒定正压力，每次正                        线性增大. 图4(b)是划痕深度H 与划痕长度d间的关
                                                                                          D
            压力间隔为12 N，划痕长度d=1 mm，划刻时间为20 s.                    系. 随着划痕长度的增加，部分压头前端堆积材料未
                划痕的形貌扫描采用STIL公司的 MICROMESURE                   及时移出划槽，随着压头的移动进入到压头下方而
            STATION 3D三维表面形貌仪. 划痕实验前对材料表                       “垫高”压头，使压头产生类似“爬坡”的运动，造成划
            面进行预扫描，表面粗糙度R 为1.2 μm，而划痕宽度和                       痕深度随划痕长度的增加而减小，并且恒定载荷越
                                     a
            划痕深度分别为200~500 μm和30~120 μm，远大于表                   大，沿着滑动方向的划痕深度变化率也会越大.
            面粗糙度，这有利于减小表面粗糙度对结果的影响                    [16-17] .    将划槽前端所形成的形状近似为半椭圆形，可得
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