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小尺度劃痕硬度: 實(shí)驗(yàn)方法及與納米壓痕硬度的關(guān)系

來源：高分子材料力學(xué)性能時(shí)間：2022-10-26 17:35:01 瀏覽：4919次

壓痕實(shí)驗(yàn)被廣泛用于研究材料的近表面力學(xué)性能，而在某些微米和納米尺度應(yīng)用中，刮擦試驗(yàn)被證明比壓痕試驗(yàn)更有利，例如：薄膜納米壓痕過程中的穿透深度限制為薄膜厚度的10%，以減少剛性基底的影響，而納米刮擦試驗(yàn)的穿透深度限制為30%。劃痕硬度評估一般作為壓痕硬度評估的補(bǔ)充，在很大程度上無法將劃痕硬度與壓痕或納米壓痕硬度關(guān)聯(lián)起來。對此，德國哥廷根馬克斯·普朗克鐵研究所公司的Hanna Tsybenk團(tuán)隊(duì)研究了劃痕和納米壓痕硬度的關(guān)系，及如何評估劃痕硬度以獲得與壓痕硬度一致的結(jié)果。

作者通過對多晶鋁(Al)、銅(Cu)、鈉鈣玻璃以及單晶硅(Si)、滲碳體(Fe3C)進(jìn)行了納米壓痕和刮擦實(shí)驗(yàn)，系統(tǒng)地分析了不同材料特性和變形行為對壓痕硬度和劃痕硬度的影響。壓痕硬度和劃痕硬度一般為法向荷載和接觸面積的比值，作者將壓痕接觸面積定義為接觸深度的相關(guān)函數(shù)，而劃痕硬度分別定義為接觸深度和三種不同劃痕寬度的相關(guān)函數(shù)（圖1）。

圖1 投影接觸區(qū)(灰色)和接觸深度示意圖。a) Berkovich壓頭，b)球錐壓頭，c)三種劃痕寬度測量方法。

首先，作者通過對四種劃痕接觸面積計(jì)算方法進(jìn)行比較（圖2），發(fā)現(xiàn)由接觸深度確定接觸面積時(shí)，劃痕硬度呈現(xiàn)單調(diào)趨勢，由水平表面劃痕寬度計(jì)算得到的接觸面積與使用接觸深度的方法得到的值相似。由于晶體取向、表面粗糙度、測量偽影以及切屑形成等因素的影響，劃痕寬度測量受到局部高度波動的影響。若接觸面積基于足夠長的劃痕穩(wěn)態(tài)區(qū)域內(nèi)的平均接觸深度，由于接觸深度是劃痕穩(wěn)態(tài)區(qū)域的平均深度，且劃痕長度明顯超過晶粒尺寸，則這些因素的影響將被最小化。

圖2 對比用接觸深度和三種定義劃痕寬度計(jì)算得到的劃痕硬度，5μm刮頭和b) 20μm刮頭

其次，通過對兩種半徑不同但錐角相同的刮頭研究，發(fā)現(xiàn)了刮頭尺寸效應(yīng)的存在：刮頭半徑越小，產(chǎn)生的劃痕硬度越高。對于硬度較高的材料，兩種刮頭之間的劃痕硬度差異高于Cu和Al兩種金屬。產(chǎn)生刮頭尺寸效應(yīng)的原因之一是刮頭與材料接觸角的不同：更小的刮頭導(dǎo)致接觸角更大，材料在刮擦過程中被向上推；對于較大的刮頭，材料向前流動并流向壓頭的側(cè)方，增加了接觸面積。在刮擦過程中還存在微觀力學(xué)尺寸效應(yīng)：較小的區(qū)域?qū)е螺^大的塑性應(yīng)變梯度、位錯(cuò)和硬化。

研究發(fā)現(xiàn)，隨著法向荷載的增加，納米壓痕硬度和劃痕硬度（使用接觸深度計(jì)算所得）HI/HS之間的比率接近一個(gè)小于1的恒定值。這些硬質(zhì)材料在接觸面積和硬度上的差異可能是因?yàn)椋号c壓痕相比，刮擦引起更高的等效塑性應(yīng)變，因此刮擦過程中材料屈服所需的法向載荷低于壓痕過程。隨著法向載荷的增加，塑性和堆積的增加導(dǎo)致接觸深度減小。需要說明的是：壓痕過程中堆積對接觸面積的影響比刮擦過程小，刮擦運(yùn)動、粘附和摩擦導(dǎo)致了比壓痕過程更大的堆積體積。

該研究工作討論了納米壓痕硬度與劃痕硬度的關(guān)系，分析了劃痕硬度計(jì)算的影響因素，對刮擦測試中劃痕硬度的應(yīng)用有著良好指導(dǎo)意義。值得一提的是，文章所研究的材料都為硬質(zhì)金屬陶瓷類材料，對于變形破壞機(jī)制更為復(fù)雜的聚合物材料，壓痕硬度與劃痕硬度的對比、使用值得進(jìn)一步研究。摩擦系數(shù)會直接影響劃痕過程中接觸面積的演變，而文章沒有對此進(jìn)行探討，后續(xù)可對此進(jìn)行進(jìn)一步研究。

該研究工作以“Scratch hardness at a small scale: Experimental methods and correlation to nanoindentation hardness”為題發(fā)表于《Tribology International》。

全文鏈接：

https://doi.org/10.1016/j.triboint.2021.107168

來源：高分子材料力學(xué)性能

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