發(fā)布時間：2021-01-16 10:38

　　使用Rockwell C金剛石圓錐壓頭對紫銅進(jìn)行微米劃痕實(shí)驗(yàn),研究了法向載荷對樣品的微米劃痕測試的影響。結(jié)果表明:隨著法向載荷的增大,壓入深度和殘余深度均線性增加,彈性恢復(fù)率線性減小;劃痕寬度隨壓入深度的增加先非線性地增大,之后趨于線性增加。當(dāng)法向載荷在0.08～0.11 N的范圍內(nèi)時,摩擦力線性增大,摩擦系數(shù)趨于一個常數(shù),摩擦機(jī)制為粘著摩擦;當(dāng)法向載荷在0.11～17 N的范圍內(nèi)時,摩擦力和摩擦系數(shù)非線性地增大,摩擦機(jī)制為犁溝摩擦;當(dāng)法向載荷在17～28 N的范圍內(nèi)時,摩擦系數(shù)趨于一個常數(shù),摩擦力線性增大,摩擦機(jī)制為微切削。 

【文章來源】：計(jì)量學(xué)報(bào). 2020,41(09)北大核心

【文章頁數(shù)】：7 頁

【部分圖文】：

微米劃痕測試的示意圖

當(dāng)法向載荷在0.08～2 N的范圍內(nèi)時，每次實(shí)驗(yàn)的劃痕長度均為0.2 mm，在壓頭劃刻的初始階段測得的壓入深度、殘余深度、摩擦力和摩擦系數(shù)均處于不穩(wěn)定狀態(tài)，當(dāng)劃痕長度在0.08～0.18 mm的范圍內(nèi)時，各物理量處于穩(wěn)定狀態(tài)，如圖3所示。當(dāng)法向載荷在2～28 N的范圍內(nèi)時，每次實(shí)驗(yàn)的劃痕長度均為2 mm，當(dāng)其在0.8～1.8 mm的范圍內(nèi)時，各物理量處于穩(wěn)定狀態(tài)，取各物理量在穩(wěn)定階段內(nèi)的平均值作為最終的測量值，以確保實(shí)驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性。另外，隨著法向載荷的增大，各物理量均呈現(xiàn)出明顯的變化趨勢，也能說明實(shí)驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性。在每次劃痕測試中，測得的各物理量會表現(xiàn)出鋸齒形波動，與文獻(xiàn)[19,20]的實(shí)驗(yàn)結(jié)果一致。其原因如下:紫銅是多晶體，內(nèi)部存在晶界和晶向;壓頭劃刻過程中可能存在粘滑行為[18,21];樣品表面塑性變形的不均勻性[20];材料組織分布不均勻等。此外，在較低的法向載荷下，壓入深度較淺時，樣品的表面粗糙度會使壓頭和樣品之間的實(shí)際接觸面積發(fā)生變化[22]，從而導(dǎo)致摩擦系數(shù)發(fā)生波動，但是，隨著載荷的增加，表面粗糙度對摩擦系數(shù)的影響不斷被削弱，其波動程度有所下降。3.1 法向載荷對壓入深度和殘余深度的影響

壓入深度dp、殘余深度dr與法向載荷Fn的關(guān)系如圖4所示。采用擬合精度相對較高的公式進(jìn)行擬合可得:擬合結(jié)果和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)吻合。當(dāng)0.08 N≤Fn<5 N時，壓入深度小于轉(zhuǎn)變深度dt(13.4μm)，此時只有壓頭頂端的圓球與樣品接觸，壓入深度和殘余深度均隨法向載荷的增大而線性增加，與張?zhí)┤A等[23,33]的實(shí)驗(yàn)結(jié)論一致。當(dāng)5 N≤Fn≤28 N時，壓入深度大于轉(zhuǎn)變深度dt，此階段內(nèi)壓頭主要以圓錐部分與樣品接觸，壓入深度和殘余深度隨著法向載荷的增大仍呈現(xiàn)出線性增加的趨勢，與Geng等[24]的實(shí)驗(yàn)結(jié)論相吻合。在臨界載荷5 N處，壓頭和樣品之間從圓球接觸過渡到以圓錐接觸為主，因此，在5 N之前和之后，壓入深度、殘余深度與法向載荷的關(guān)系曲線的斜率發(fā)生變化，這說明接觸形狀對深度有較大影響。因?yàn)闇喜塾袕椥曰謴?fù)能力，所以殘余深度始終小于壓入深度。隨著法向載荷的增加，彈性恢復(fù)量(dp-dr)不斷增大，與文獻(xiàn)[18,25]的實(shí)驗(yàn)結(jié)論一致。這是由于紫銅的塑性變形機(jī)制以位錯為主，位錯的形成與聚集會使晶格發(fā)生畸變，這種畸變會抵抗樣品的塑性變形，晶格間聚集大量的能量，使晶格試圖恢復(fù)原來的形狀，導(dǎo)致彈性恢復(fù)量不斷增加。

【參考文獻(xiàn)】：
期刊論文
[1]利用微米劃痕研究TiN涂層的失效機(jī)理[J]. 劉明,李爍,高誠輝.  計(jì)量學(xué)報(bào). 2020(06)
[2]試樣傾斜對熔融石英硅三棱錐納米壓痕測試的影響[J]. 朱光宇,董翔宇,高誠輝,劉明.  計(jì)量學(xué)報(bào). 2019(02)
[3]用于ICF的三種典型光學(xué)玻璃的AFM納米劃痕行為研究[J]. 張亞鋒,何洪途,余家欣,廖寧.  摩擦學(xué)學(xué)報(bào). 2018(03)
[4]較淺壓入下針尖曲率半徑對納米壓入硬度影響研究[J]. 李曉兵,陶興付,楊浩,賀志勇.  計(jì)量學(xué)報(bào). 2017(06)
[5]極淺壓入下納米壓痕儀針尖面積函數(shù)校準(zhǔn)方法的研究[J]. 王新偉,陶興付,李旭,賀志勇,任玲玲.  計(jì)量學(xué)報(bào). 2017(05)
[6]納米壓痕儀的壓頭面積函數(shù)校準(zhǔn)方法的比較研究[J]. 黎正偉,陶興付,樹學(xué)峰,任玲玲.  計(jì)量學(xué)報(bào). 2015 (04)
[7]納晶與粗晶鎳片微劃痕力學(xué)行為與變形機(jī)制[J]. 朱榮濤,章新喜,周劍秋.  稀有金屬材料與工程. 2012(S2)
[8]納米力學(xué)測量系統(tǒng)的載荷與位移溯源校準(zhǔn)方法研究[J]. 鄧墨杰,高思田,盧明臻,杜華,魏小林.  計(jì)量學(xué)報(bào). 2012 (04)
[9]凸結(jié)構(gòu)的形成-低載下單晶硅表面的劃痕損傷研究[J]. 楊超,余丙軍,錢林茂.  摩擦學(xué)學(xué)報(bào). 2010(01)
[10]載荷對4種材料摩擦機(jī)制轉(zhuǎn)變的影響[J]. 謝祖飛,余家欣,錢林茂.  上海交通大學(xué)學(xué)報(bào). 2009(12)



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