圆锥压头递增载荷对材料的划痕行为

用Rockwell C金刚石压头对16种材料(2种玻璃、2种聚合物、4种陶瓷、4种金属和4种金属玻璃)进行微米划痕测试。结果表明,这些材料都存在与弹性恢复相关的最大划痕保持率(残余深度与压入深度之比),可作为表观摩擦系数变化曲线的分段过渡点。划痕的表观摩擦系数由黏着摩擦系数和犁沟摩擦系数组成,使用三维力学接触模型可较为准确地表征除金属玻璃外的摩擦系数。材料的初始摩擦系数与泊松比有一定的关系。聚合物(PC和PMMA)因堆积和下沉效应出现独有的双划痕沟槽现象。16种材料的划痕硬度与压痕硬度的比值为0.33~2.5,划痕硬度与体积模量呈线性关系。使用线弹性断裂力学(LEFM)模型和微观能量尺寸效应(MESEL)模型计算了材料的断裂韧性。结果表明,LEFM模型、Akono's MESEL和Hubler's MESEL模型都能较为准确地表征断裂韧性较低材料(玻璃、陶瓷和高分子)的断裂韧性,而对断裂韧性较大的金属材料其表征结果偏差较大。用Liu's MESEL模型可表征断裂韧性较大材料(金属材料和部分金属玻璃)的断裂韧性。材料的断裂韧性,与泊松比呈分段线性相关。