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小尺度劃痕硬度: 實驗方法及與納米壓痕硬度的關(guān)系

來源：高分子材料力學(xué)性能時間：2022-10-26 17:35:01 瀏覽：7766次

壓痕實驗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，刮擦試驗被證明比壓痕試驗更有利，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驗，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，劃痕硬度呈現(xiàn)單調(diào)趨勢，由水平表面劃痕寬度計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（使用接觸深度計算所得）HI/HS之間的比率接近一個小于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為：與壓痕相比，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

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