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小尺度划痕硬度: 实验方法及与纳米压痕硬度的关系

来源：高分子材料力学性能时间：2022-10-26 17:35:01 浏览：5326次

压痕实验被广泛用于研究材料的近表面力学性能，而在某些微米和纳米尺度应用中，刮擦试验被证明比压痕试验更有利，例如：薄膜纳米压痕过程中的穿透深度限制为薄膜厚度的10%，以减少刚性基底的影响，而纳米刮擦试验的穿透深度限制为30%。划痕硬度评估一般作为压痕硬度评估的补充，在很大程度上无法将划痕硬度与压痕或纳米压痕硬度关联起来。对此，德国哥廷根马克斯·普朗克铁研究所公司的Hanna Tsybenk团队研究了划痕和纳米压痕硬度的关系，及如何评估划痕硬度以获得与压痕硬度一致的结果。

作者通过对多晶铝(Al)、铜(Cu)、钠钙玻璃以及单晶硅(Si)、渗碳体(Fe3C)进行了纳米压痕和刮擦实验，系统地分析了不同材料特性和变形行为对压痕硬度和划痕硬度的影响。压痕硬度和划痕硬度一般为法向荷载和接触面积的比值，作者将压痕接触面积定义为接触深度的相关函数，而划痕硬度分别定义为接触深度和三种不同划痕宽度的相关函数（图1）。

图1 投影接触区(灰色)和接触深度示意图。a) Berkovich压头，b)球锥压头，c)三种划痕宽度测量方法。

首先，作者通过对四种划痕接触面积计算方法进行比较（图2），发现由接触深度确定接触面积时，划痕硬度呈现单调趋势，由水平表面划痕宽度计算得到的接触面积与使用接触深度的方法得到的值相似。由于晶体取向、表面粗糙度、测量伪影以及切屑形成等因素的影响，划痕宽度测量受到局部高度波动的影响。若接触面积基于足够长的划痕稳态区域内的平均接触深度，由于接触深度是划痕稳态区域的平均深度，且划痕长度明显超过晶粒尺寸，则这些因素的影响将被最小化。

图2 对比用接触深度和三种定义划痕宽度计算得到的划痕硬度，5µm刮头和b) 20µm刮头

其次，通过对两种半径不同但锥角相同的刮头研究，发现了刮头尺寸效应的存在：刮头半径越小，产生的划痕硬度越高。对于硬度较高的材料，两种刮头之间的划痕硬度差异高于Cu和Al两种金属。产生刮头尺寸效应的原因之一是刮头与材料接触角的不同：更小的刮头导致接触角更大，材料在刮擦过程中被向上推；对于较大的刮头，材料向前流动并流向压头的侧方，增加了接触面积。在刮擦过程中还存在微观力学尺寸效应：较小的区域导致较大的塑性应变梯度、位错和硬化。

研究发现，随着法向荷载的增加，纳米压痕硬度和划痕硬度（使用接触深度计算所得）HI/HS之间的比率接近一个小于1的恒定值。这些硬质材料在接触面积和硬度上的差异可能是因为：与压痕相比，刮擦引起更高的等效塑性应变，因此刮擦过程中材料屈服所需的法向载荷低于压痕过程。随着法向载荷的增加，塑性和堆积的增加导致接触深度减小。需要说明的是：压痕过程中堆积对接触面积的影响比刮擦过程小，刮擦运动、粘附和摩擦导致了比压痕过程更大的堆积体积。

该研究工作讨论了纳米压痕硬度与划痕硬度的关系，分析了划痕硬度计算的影响因素，对刮擦测试中划痕硬度的应用有着良好指导意义。值得一提的是，文章所研究的材料都为硬质金属陶瓷类材料，对于变形破坏机制更为复杂的聚合物材料，压痕硬度与划痕硬度的对比、使用值得进一步研究。摩擦系数会直接影响划痕过程中接触面积的演变，而文章没有对此进行探讨，后续可对此进行进一步研究。

该研究工作以“Scratch hardness at a small scale: Experimental methods and correlation to nanoindentation hardness”为题发表于《Tribology International》。

全文链接：

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

来源：高分子材料力学性能

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