Page 28 - 《摩擦学学报》2021年第4期

第 4 期 刘明, 等: 恒定大载荷划痕试验下紫铜的三维形貌及划痕硬度分析 471

160 D F =0.83F n +47.82 450 250 60
55
140
Front pile-up height, H F /μm 120 H T =2.52F n +116.68 350 Front pile-up thickness, D T /μm Side pile-up width, D S /μm 150 D S =1.62F n +35.70 45 Side pile-up height, H S /μm
400
50
200
100
40
300
35
80
250
30
H S =0.34F n +10.60
60
100
40
20
15
150
20 200 50 25
12 24 36 48 60 72 84 96 108 120 12 24 36 48 60 72 84 96 108 120
Normal load, F n /N Normal load, F n /N
(a) Front pile-up height and thickness (b) Side pile-up height and width

Fig. 7 Front pile-up height and thickness and side pile-up height and width
图 7 划痕前端堆积高度和厚度与划痕两侧堆积高度和宽度
V
图7(b)是划痕两侧的材料堆积高度H 和厚度 ω = F n d (3)
S
D 变化图. 测量方法如图2(b)所示，此处H 和D 是取
S
S
S
3
其中：ω是磨损率，mm /(N·m)；V是直接用Gwyddion软
划痕长度d=0.4、0.5、0.6 mm位置处划痕两侧的堆积高
3
件得到的位于材料平面下方形成划槽的体积，mm ；
度和堆积宽度的平均值. 正压力的增加，使得两侧的
F 是正压力，N；d是划痕长度，m. 测量示意图见图3(b).
n
堆积高度H 和宽度D 均线性增大，堆积宽度的变化率 图8是划痕的磨损率和名义划痕宽度平方随载荷
S
S
大于高度的变化率. 这是因为材料表面区域受到外加 的变化图. 材料的磨损率随着载荷的增大而线性增
应力场作用，产生的加工硬化现象，会抑制材料的向 加，由切削与塑性比f 可知，微切削为主导的变形机
cp
[29]
上流动 ，因此相对于两侧的堆积宽度，堆积高度的 制使得磨损率逐渐上升. 此外，可知正压力F 与名义
n
[30]
变化率会比较小. 此外，由于微切削机制的特点 ，使 划痕宽度D 的平方成正比，说明两者的比值为定值，
H
得前端堆积比侧向堆积更容易向上移动，造成前端堆 计算各载荷下的划痕硬度并取平均值得到划痕硬度
积高度H 比两侧堆积高度H 大. H为0.77 GPa，Khaled S等 使用顶端圆球半径R=100 μm
[36]
S
F
划痕硬度和磨损率是评价材料抗划伤性能的重 的Rockwell C压头在载荷20 N下测得紫铜的划痕硬度
要参数，通过对抗划伤性能的量化所得到的划痕硬 约为0.7 GPa，与文中所测得的紫铜划痕硬度相近.
[37]
度，可以更直观地体现材料抵抗外力的能力. 划痕硬 Lee等 使用有限元分析模拟圆形压头对熔融石英硅
[31]
[14]
度以及磨损率也会受到压头形状 、材料硬度 、加 的划刻过程，推断划痕硬度约为屈服应力的3倍，根据
工硬化程度 [32-33] 等的影响，当材料划痕硬度较高时，材 紫铜的屈服应力为70~90 MPa，文中紫铜的划痕硬度
料能够更好地抵御压头对材料的刻划，在减小磨损率 却为屈服应力的10倍. 因为在实际划痕试验下，脆性
[28]
的同时降低材料表面划痕的可见性 . 此外，Madhava R 材料和韧性材料的屈服行为存在差异，另一方面，
[13]
等 研究表明，往复划痕试验下，由于材料的加工硬
0.250 0.45
化作用逐渐增强，划痕硬度增大，磨损率降低，而本文 0.40
中所采用单次划痕试验，紫铜所产生的加工硬化作用 0.225 ω=0.17+7.73e F n 0.35
−4
对划痕硬度影响可忽略不计. 通过划痕形貌图所得到 0.30
[34] Wear rate, ω/[mm 3 /(Nm)] 0.200 2 0.25 Square of nominal scratch width, D 2 /mm 2 H
的数据可用于计算划痕硬度 : D H =0.003F n
8F n 0.20
H = (2) 0.175 0.15
πD 2
H
0.10
其中：H是划痕硬度，Pa；F 是正压力，N；D 为名义划 0.150 0.05
n
H
12 24 36 48 60 72 84 96 108 120 132
[35]
痕宽度 ，m，取划痕长度d=0.4、0.5、0.6 mm三处的划 Normal load, F n /N

痕宽度的平均值作为名义划痕宽度D ，测量示意图见
H Fig. 8 Wear rate and square of nominal scratch width
[32]
图2(b). 磨损率的计算公式如下 ： 图 8 磨损率与名义划痕宽度的平方