法向载荷对紫铜的微米划痕测试的影响
发布时间：2021-01-16 10:38
使用Rockwell C金刚石圆锥压头对紫铜进行微米划痕实验,研究了法向载荷对样品的微米划痕测试的影响。结果表明:随着法向载荷的增大,压入深度和残余深度均线性增加,弹性恢复率线性减小;划痕宽度随压入深度的增加先非线性地增大,之后趋于线性增加。当法向载荷在0.08～0.11 N的范围内时,摩擦力线性增大,摩擦系数趋于一个常数,摩擦机制为粘着摩擦;当法向载荷在0.11～17 N的范围内时,摩擦力和摩擦系数非线性地增大,摩擦机制为犁沟摩擦;当法向载荷在17～28 N的范围内时,摩擦系数趋于一个常数,摩擦力线性增大,摩擦机制为微切削。
【文章来源】：计量学报. 2020,41(09)北大核心
【文章页数】：7 页
【部分图文】：
微米划痕测试的示意图
当法向载荷在0.08～2 N的范围内时，每次实验的划痕长度均为0.2 mm，在压头划刻的初始阶段测得的压入深度、残余深度、摩擦力和摩擦系数均处于不稳定状态，当划痕长度在0.08～0.18 mm的范围内时，各物理量处于稳定状态，如图3所示。当法向载荷在2～28 N的范围内时，每次实验的划痕长度均为2 mm，当其在0.8～1.8 mm的范围内时，各物理量处于稳定状态，取各物理量在稳定阶段内的平均值作为最终的测量值，以确保实验结果的准确性。另外，随着法向载荷的增大，各物理量均呈现出明显的变化趋势，也能说明实验结果的准确性。在每次划痕测试中，测得的各物理量会表现出锯齿形波动，与文献[19,20]的实验结果一致。其原因如下:紫铜是多晶体，内部存在晶界和晶向;压头划刻过程中可能存在粘滑行为[18,21];样品表面塑性变形的不均匀性[20];材料组织分布不均匀等。此外，在较低的法向载荷下，压入深度较浅时，样品的表面粗糙度会使压头和样品之间的实际接触面积发生变化[22]，从而导致摩擦系数发生波动，但是，随着载荷的增加，表面粗糙度对摩擦系数的影响不断被削弱，其波动程度有所下降。3.1 法向载荷对压入深度和残余深度的影响
压入深度dp、残余深度dr与法向载荷Fn的关系如图4所示。采用拟合精度相对较高的公式进行拟合可得:拟合结果和实验数据吻合。当0.08 N≤Fn<5 N时，压入深度小于转变深度dt(13.4μm)，此时只有压头顶端的圆球与样品接触，压入深度和残余深度均随法向载荷的增大而线性增加，与张泰华等[23,33]的实验结论一致。当5 N≤Fn≤28 N时，压入深度大于转变深度dt，此阶段内压头主要以圆锥部分与样品接触，压入深度和残余深度随着法向载荷的增大仍呈现出线性增加的趋势，与Geng等[24]的实验结论相吻合。在临界载荷5 N处，压头和样品之间从圆球接触过渡到以圆锥接触为主，因此，在5 N之前和之后，压入深度、残余深度与法向载荷的关系曲线的斜率发生变化，这说明接触形状对深度有较大影响。因为沟槽有弹性恢复能力，所以残余深度始终小于压入深度。随着法向载荷的增加，弹性恢复量(dp-dr)不断增大，与文献[18,25]的实验结论一致。这是由于紫铜的塑性变形机制以位错为主，位错的形成与聚集会使晶格发生畸变，这种畸变会抵抗样品的塑性变形，晶格间聚集大量的能量，使晶格试图恢复原来的形状，导致弹性恢复量不断增加。
【参考文献】：
期刊论文
[1]利用微米划痕研究TiN涂层的失效机理[J]. 刘明,李烁,高诚辉. 计量学报. 2020(06)
[2]试样倾斜对熔融石英硅三棱锥纳米压痕测试的影响[J]. 朱光宇,董翔宇,高诚辉,刘明. 计量学报. 2019(02)
[3]用于ICF的三种典型光学玻璃的AFM纳米划痕行为研究[J]. 张亚锋,何洪途,余家欣,廖宁. 摩擦学学报. 2018(03)
[4]较浅压入下针尖曲率半径对纳米压入硬度影响研究[J]. 李晓兵,陶兴付,杨浩,贺志勇. 计量学报. 2017(06)
[5]极浅压入下纳米压痕仪针尖面积函数校准方法的研究[J]. 王新伟,陶兴付,李旭,贺志勇,任玲玲. 计量学报. 2017(05)
[6]纳米压痕仪的压头面积函数校准方法的比较研究[J]. 黎正伟,陶兴付,树学峰,任玲玲. 计量学报. 2015 (04)
[7]纳晶与粗晶镍片微划痕力学行为与变形机制[J]. 朱荣涛,章新喜,周剑秋. 稀有金属材料与工程. 2012(S2)
[8]纳米力学测量系统的载荷与位移溯源校准方法研究[J]. 邓墨杰,高思田,卢明臻,杜华,魏小林. 计量学报. 2012 (04)
[9]凸结构的形成-低载下单晶硅表面的划痕损伤研究[J]. 杨超,余丙军,钱林茂. 摩擦学学报. 2010(01)
[10]载荷对4种材料摩擦机制转变的影响[J]. 谢祖飞,余家欣,钱林茂. 上海交通大学学报. 2009(12)
本文编号：2980676
【文章来源】：计量学报. 2020,41(09)北大核心
【文章页数】：7 页
【部分图文】：
微米划痕测试的示意图
当法向载荷在0.08～2 N的范围内时，每次实验的划痕长度均为0.2 mm，在压头划刻的初始阶段测得的压入深度、残余深度、摩擦力和摩擦系数均处于不稳定状态，当划痕长度在0.08～0.18 mm的范围内时，各物理量处于稳定状态，如图3所示。当法向载荷在2～28 N的范围内时，每次实验的划痕长度均为2 mm，当其在0.8～1.8 mm的范围内时，各物理量处于稳定状态，取各物理量在稳定阶段内的平均值作为最终的测量值，以确保实验结果的准确性。另外，随着法向载荷的增大，各物理量均呈现出明显的变化趋势，也能说明实验结果的准确性。在每次划痕测试中，测得的各物理量会表现出锯齿形波动，与文献[19,20]的实验结果一致。其原因如下:紫铜是多晶体，内部存在晶界和晶向;压头划刻过程中可能存在粘滑行为[18,21];样品表面塑性变形的不均匀性[20];材料组织分布不均匀等。此外，在较低的法向载荷下，压入深度较浅时，样品的表面粗糙度会使压头和样品之间的实际接触面积发生变化[22]，从而导致摩擦系数发生波动，但是，随着载荷的增加，表面粗糙度对摩擦系数的影响不断被削弱，其波动程度有所下降。3.1 法向载荷对压入深度和残余深度的影响
压入深度dp、残余深度dr与法向载荷Fn的关系如图4所示。采用拟合精度相对较高的公式进行拟合可得:拟合结果和实验数据吻合。当0.08 N≤Fn<5 N时，压入深度小于转变深度dt(13.4μm)，此时只有压头顶端的圆球与样品接触，压入深度和残余深度均随法向载荷的增大而线性增加，与张泰华等[23,33]的实验结论一致。当5 N≤Fn≤28 N时，压入深度大于转变深度dt，此阶段内压头主要以圆锥部分与样品接触，压入深度和残余深度随着法向载荷的增大仍呈现出线性增加的趋势，与Geng等[24]的实验结论相吻合。在临界载荷5 N处，压头和样品之间从圆球接触过渡到以圆锥接触为主，因此，在5 N之前和之后，压入深度、残余深度与法向载荷的关系曲线的斜率发生变化，这说明接触形状对深度有较大影响。因为沟槽有弹性恢复能力，所以残余深度始终小于压入深度。随着法向载荷的增加，弹性恢复量(dp-dr)不断增大，与文献[18,25]的实验结论一致。这是由于紫铜的塑性变形机制以位错为主，位错的形成与聚集会使晶格发生畸变，这种畸变会抵抗样品的塑性变形，晶格间聚集大量的能量，使晶格试图恢复原来的形状，导致弹性恢复量不断增加。
【参考文献】：
期刊论文
[1]利用微米划痕研究TiN涂层的失效机理[J]. 刘明,李烁,高诚辉. 计量学报. 2020(06)
[2]试样倾斜对熔融石英硅三棱锥纳米压痕测试的影响[J]. 朱光宇,董翔宇,高诚辉,刘明. 计量学报. 2019(02)
[3]用于ICF的三种典型光学玻璃的AFM纳米划痕行为研究[J]. 张亚锋,何洪途,余家欣,廖宁. 摩擦学学报. 2018(03)
[4]较浅压入下针尖曲率半径对纳米压入硬度影响研究[J]. 李晓兵,陶兴付,杨浩,贺志勇. 计量学报. 2017(06)
[5]极浅压入下纳米压痕仪针尖面积函数校准方法的研究[J]. 王新伟,陶兴付,李旭,贺志勇,任玲玲. 计量学报. 2017(05)
[6]纳米压痕仪的压头面积函数校准方法的比较研究[J]. 黎正伟,陶兴付,树学峰,任玲玲. 计量学报. 2015 (04)
[7]纳晶与粗晶镍片微划痕力学行为与变形机制[J]. 朱荣涛,章新喜,周剑秋. 稀有金属材料与工程. 2012(S2)
[8]纳米力学测量系统的载荷与位移溯源校准方法研究[J]. 邓墨杰,高思田,卢明臻,杜华,魏小林. 计量学报. 2012 (04)
[9]凸结构的形成-低载下单晶硅表面的划痕损伤研究[J]. 杨超,余丙军,钱林茂. 摩擦学学报. 2010(01)
[10]载荷对4种材料摩擦机制转变的影响[J]. 谢祖飞,余家欣,钱林茂. 上海交通大学学报. 2009(12)
本文编号：2980676
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