茅夢(mèng)云, 彭林法, 來(lái)新民

(上海交通大學(xué) 機(jī)械系統(tǒng)與振動(dòng)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室；上海市復(fù)雜薄板結(jié)構(gòu)數(shù)字化制造重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 上海 200240)

模具與材料接觸界面的摩擦行為是金屬成形過(guò)程中最重要的邊界條件之一，對(duì)成形零件的質(zhì)量有明顯的影響.同時(shí)，由于摩擦過(guò)程復(fù)雜，對(duì)摩擦行為的準(zhǔn)確描述也成為了金屬成形領(lǐng)域的研究難點(diǎn)之一[1-2].從摩擦機(jī)制的角度來(lái)看，由于模具與材料表面都不是理想光滑的，且存在大量微小的形貌，所以在材料與模具的接觸與滑移過(guò)程中同時(shí)存在黏著和犁溝兩種摩擦阻力[3].黏著力主要來(lái)自于材料與模具在接觸壓應(yīng)力下形成的“冷焊”結(jié)點(diǎn)；犁溝力則主要是滑移時(shí)模具形貌對(duì)材料表面產(chǎn)生的劃傷力[4].Wilson[5]認(rèn)為黏著和犁溝效應(yīng)在整體摩擦力中的占比主要取決于材料與模具表面粗糙度的相對(duì)大小及“冷焊”結(jié)點(diǎn)的強(qiáng)弱.對(duì)于金屬薄板的成形過(guò)程，材料與模具表面的粗糙度接近，且一般存在潤(rùn)滑作用[6]，表面摩擦力中黏著力占比較小，因此犁溝效應(yīng)對(duì)薄板成形過(guò)程中摩擦行為的影響更為明顯.

圖1 圓錐劃痕實(shí)驗(yàn)裝置Fig.1 Scratching test facility

單個(gè)剛性形貌犁溝較軟材料的表面劃傷實(shí)驗(yàn)可用于研究摩擦的犁溝效應(yīng)，且其實(shí)驗(yàn)結(jié)果能夠反映出整體粗糙表面的犁溝特性[7].在表面劃傷過(guò)程中，材料的損傷機(jī)制較為復(fù)雜，包含塑性變形、斷裂失效以及材料剝離等過(guò)程.根據(jù)劃傷過(guò)程中表面是否會(huì)產(chǎn)生斷裂失效以及是否能形成連續(xù)切屑等特點(diǎn)，劃傷可以分為摩擦、磨損和切削3種類型，且3種劃傷類型中材料的損傷機(jī)制各不相同.摩擦型的表面劃傷以材料的塑性變形為主；磨損型的表面劃傷以材料的斷裂為主；切削型的表面劃傷以材料的剝離為主[8].不同的損傷模式將會(huì)產(chǎn)生不同的材料劃傷應(yīng)力，進(jìn)而對(duì)犁溝摩擦力產(chǎn)生不同的影響.此外，Peng等[9]發(fā)現(xiàn)隨著材料晶粒尺寸的增大，以犁溝效應(yīng)為主要機(jī)制的摩擦系數(shù)也逐漸增大.但是在摩擦過(guò)程中模具各形貌之間的犁溝作用存在著相互影響，無(wú)法單獨(dú)觀察和研究晶粒尺寸對(duì)摩擦系數(shù)的影響，因此通過(guò)相關(guān)的實(shí)驗(yàn)來(lái)研究晶粒的尺度效應(yīng)是非常必要的.

本文設(shè)計(jì)了不同角度的圓錐壓頭，對(duì)不同晶粒尺寸的材料進(jìn)行表面劃傷實(shí)驗(yàn)，并通過(guò)對(duì)比劃痕表面的裂紋分布以及材料的劃傷硬度和堆積高度揭示材料的損傷機(jī)制，研究晶粒尺寸對(duì)劃傷過(guò)程中材料損傷的影響規(guī)律.

1 圓錐劃傷實(shí)驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)裝置設(shè)計(jì)

在表面劃痕實(shí)驗(yàn)中，需要將剛性壓頭垂直于材料表面并壓入一定深度，再沿著平行于材料表面的方向移動(dòng)，在材料表面形成永久劃痕.通過(guò)記錄滑移過(guò)程中的阻力、觀察表面劃痕的形狀尺寸及材料的損傷狀況，研究劃傷過(guò)程中材料的變形及損傷.為了在同一條件下比較材料的性能，所有試樣均在同一壓入深度下進(jìn)行劃傷實(shí)驗(yàn).

圓錐劃痕實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示.為了達(dá)到法向壓入深度相同及測(cè)量劃傷力的目的，將實(shí)驗(yàn)裝置設(shè)計(jì)為分離的兩部分，并在萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)上完成實(shí)驗(yàn).試樣裝夾過(guò)程主要分為剛性圓錐固定和銅試樣裝夾兩個(gè)部分.剛性圓錐固定在圓錐夾頭上，以圓形端面與夾頭側(cè)壁(圖1中平面A)接觸為定位基準(zhǔn)，圓錐夾頭與試驗(yàn)機(jī)傳感器連接，可隨試驗(yàn)機(jī)橫梁自由上下移動(dòng).實(shí)驗(yàn)前，將圓錐壓頭固定好后，放置在實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上.銅試樣固定在材料夾頭上，以靠近圓錐的側(cè)壁(圖1中平面B)為定位基準(zhǔn)面，并使基準(zhǔn)面與銅試樣的測(cè)試表面處于同一平面內(nèi)，再擰緊裝夾螺栓使銅試樣與夾頭緊固.由于銅試樣夾頭與實(shí)驗(yàn)平臺(tái)分離，每次裝夾完成后采用激光共聚焦顯微鏡掃描裝夾表面，確保裝夾誤差在5 μm以內(nèi).裝夾完成后，通過(guò)螺栓C將試樣夾頭與平臺(tái)壓緊.壓緊后，圓錐壓頭壓入材料至一定深度，此深度由平面A與B之間的距離及圓錐壓頭的長(zhǎng)度共同決定.對(duì)于不同的銅試樣，實(shí)驗(yàn)中不需要更換剛性圓錐.通過(guò)控制圓錐壓頭的加工精度及調(diào)整裝配過(guò)程，可以確保每次壓入深度誤差小于5 μm.

1.2 試樣的制備

試樣采用不同晶粒尺寸的T2紫銅材料，以電解拋光的方式將測(cè)試表面拋光至鏡面光滑等級(jí)(其粗糙度見(jiàn)表1).利用不同的熱處理工藝制備細(xì)小、中等、粗大3種晶粒尺寸的試樣，并通過(guò)金相實(shí)驗(yàn)觀測(cè)材料的微觀結(jié)構(gòu)，結(jié)果如圖2所示.

表1 試樣的力學(xué)性能和表面參數(shù)Tab.1 Mechanical and surface properties of specimen

圖2 不同晶粒尺寸材料的微觀結(jié)構(gòu)Fig.2 Microstructures of the copper samples

分別對(duì)不同晶粒尺寸的試樣進(jìn)行顯微硬度和納米壓痕實(shí)驗(yàn).試樣的材料力學(xué)及表面參數(shù)如表1所示.其中，材料的晶粒尺寸依照ASTM標(biāo)準(zhǔn)采用截距法測(cè)量[10].由表中數(shù)據(jù)可以看出，材料的表面硬度隨著晶粒尺寸的增大逐漸減小，這主要是由于材料內(nèi)部晶界含量的減小所致[11].

1.3 實(shí)驗(yàn)參數(shù)與測(cè)量方法

為了探究不同晶粒尺寸在犁溝過(guò)程中產(chǎn)生的材料損傷行為及對(duì)犁溝阻力的影響，選取4種不同頂角角度(θ)的圓錐壓頭來(lái)模擬模具的表面形貌，并進(jìn)行相關(guān)實(shí)驗(yàn)，參數(shù)如表2所示.為了減小接觸界面黏著效應(yīng)的影響，材料與圓錐壓頭表面都采用潤(rùn)滑油進(jìn)行潤(rùn)滑，由試驗(yàn)機(jī)的傳感器記錄滑移時(shí)的阻力(F)與滑移位移(w).

實(shí)驗(yàn)測(cè)得的滑移阻力與壓頭位移的關(guān)系曲線如圖3所示.由圖可見(jiàn)，隨著位移的增大，滑移阻力從0迅速增大，隨后慢慢趨近于一個(gè)穩(wěn)定值Fm，因此可以將整個(gè)滑移過(guò)程區(qū)分為阻力上升段和阻力穩(wěn)定段.起始時(shí)的滑移阻力上升主要是由于材料變形而導(dǎo)致的其在前端面的堆積及自身的硬化.隨著滑移量的增大，堆積和硬化不斷累積，致使滑移阻力不斷增大.當(dāng)滑移達(dá)到一定量后，壓頭前端面的材料逐漸進(jìn)入動(dòng)態(tài)平衡狀態(tài)，其相應(yīng)的犁溝力也趨于穩(wěn)定.

表2 圓錐劃傷實(shí)驗(yàn)參數(shù)設(shè)計(jì)Tab.2 Process parameters of scratching tests

采用Keyency激光輪廓掃描儀對(duì)所有實(shí)驗(yàn)后的劃痕進(jìn)行掃描，最終獲得的劃痕三維結(jié)構(gòu)圖如圖4所示.其中：Ap為投影面積；hpi為實(shí)驗(yàn)測(cè)量的劃痕前端最高點(diǎn)到表面的距離；h為隆起高度；x為水平距離.由掃描結(jié)果可以看出，材料在壓頭運(yùn)動(dòng)方向前端面及劃痕兩側(cè)大量堆積，前端隆起的高度甚至超過(guò)壓頭的壓入深度.本文采用對(duì)稱截面上的隆起高度表征材料的隆起高度.

為了更準(zhǔn)確地體現(xiàn)材料在劃傷過(guò)程中的硬化情況，一般采用劃傷硬度HT來(lái)表征材料抵抗壓頭移動(dòng)的阻力，其表達(dá)式為[12]

(1)

由此，通過(guò)實(shí)驗(yàn)中獲得的測(cè)量值即可確定材料的劃傷硬度.

圖3 滑移阻力和位移的關(guān)系曲線Fig.3 Scratch force as a function of scratch displacement

圖4 劃痕的三維形貌以及隆起高度和投影面積的測(cè)量方法Fig.4 3D profile of scratching trajectory and the measurements of pileup height and projected contact area in the vertical plane

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 材料破壞的機(jī)制

在不同圓錐角度條件下得到的劃痕微觀形貌掃描電鏡(SEM)圖像如圖5所示.由圖5(a)可見(jiàn)，劃痕前端形成了連續(xù)的切屑，且劃痕外輪廓不規(guī)則，有明顯斷裂失效的痕跡，此時(shí)材料的損傷模式為切削模式.

由圖5(b)可見(jiàn)，劃痕前端不再形成連續(xù)切屑，而是在劃痕前端對(duì)稱面附近形成大量裂紋(圖5(b)上圖)，且裂紋形狀不規(guī)則，從頂端向底部延伸，裂紋長(zhǎng)度約占劃痕總體長(zhǎng)度的1/3.根據(jù)材料的流向可以推斷出頂端裂紋是由對(duì)稱面兩側(cè)材料分別向圓錐兩側(cè)流動(dòng)產(chǎn)生的拉伸應(yīng)變引起的.此外，在劃痕底部出現(xiàn)了波紋狀形貌，呈自下而上層層覆蓋狀，同時(shí)伴有大量的材料剝離現(xiàn)象(圖5(b)下圖)，這是由材料沿圓錐表面向下滑移而導(dǎo)致的.當(dāng)圓錐沿平行于材料表面的方向移動(dòng)時(shí)，圓錐自身的角度使其對(duì)前端材料有向下的分作用力，從而導(dǎo)致材料有相對(duì)于圓錐表面向下運(yùn)動(dòng)的趨勢(shì).然而，材料與圓錐接觸表面的黏著力阻礙了這種相對(duì)運(yùn)動(dòng)，使位于接觸表面的材料由于圓錐的帶動(dòng)而覆蓋了一層上部的材料，最終形成了波紋狀自下而上層層覆蓋的形貌.材料剝離的主要原因是劃痕底部的壓應(yīng)力較大，導(dǎo)致材料內(nèi)部出現(xiàn)裂紋，伴隨著材料的整體向下流動(dòng)及表面黏附作用，因此表層材料從基體被剪斷剝離.

由圖5(c)可見(jiàn)，劃痕外輪廓出現(xiàn)了缺口(圖5(c)中圖).缺口主要形成于劃痕前端的頂部區(qū)域(圖5(c)下圖)，隨著圓錐的運(yùn)動(dòng)，缺口被逐漸拉大.劃痕表面存在與θ=90° 的實(shí)驗(yàn)相似的波紋狀形貌特征，但沒(méi)有明顯的裂紋.位于劃痕底部的波紋狀形貌為連續(xù)層狀(圖5(c)上圖)，隨著高度的增大，出現(xiàn)斷續(xù)現(xiàn)象.這表明在θ=120° 的情況下，材料向兩側(cè)流動(dòng)的趨勢(shì)相對(duì)θ=90° 的情況有所減弱，材料的失效形式同樣為斷裂與塑性變形，但斷裂失效范圍較小.

由圖5(d)可見(jiàn)，劃痕輪廓連續(xù)且穩(wěn)定，無(wú)裂紋產(chǎn)生，材料以塑性變形為主.劃痕表面分布有層狀波紋形貌，表明材料主要向圓錐底部流動(dòng)從而產(chǎn)生了變形.

θ=90° 時(shí)不同晶粒尺寸材料的裂紋擴(kuò)展情況如圖6所示.由圖可以看出，此時(shí)，3種材料均出現(xiàn)了裂紋.其中：細(xì)晶和中晶材料的裂紋較為明顯，類似折線形狀，尺寸與晶粒大小相近；粗晶材料的裂紋不明顯，且形狀模糊.由于壓頭尺寸固定，對(duì)于細(xì)晶和中晶材料而言，壓頭施加的應(yīng)力相當(dāng)于同時(shí)作用在數(shù)目眾多的晶粒上，故裂紋較易于位錯(cuò)及在缺陷較多的晶界處產(chǎn)生并沿著晶界擴(kuò)展，從而形成了折線狀的裂紋；而對(duì)于粗晶材料而言，晶粒尺寸與壓頭尺寸接近，壓頭所施加的應(yīng)力主要作用在幾個(gè)晶粒上，由于晶界所占比例較少，裂紋較易于在晶粒內(nèi)部形成并擴(kuò)展，從而形成了形狀較模糊的裂紋.相似的現(xiàn)象也出現(xiàn)在脆性摩擦磨損實(shí)驗(yàn)研究中[13-14]，其結(jié)論為：由于晶粒尺寸的減小，沿晶斷裂占比增多，從而導(dǎo)致摩擦阻力的減小[15].由此可知，在劃傷過(guò)程中，裂紋較易在晶界處產(chǎn)生并擴(kuò)展，而晶粒尺寸的增大降低了材料內(nèi)晶界的占比，從而能夠抑制斷裂的發(fā)生.

圖5 劃痕微觀形貌SEM圖像Fig.5 SEM image of microstructures in scratching trajectory

圖6 犁溝過(guò)程中3種晶粒尺寸材料的裂紋形貌(θ=90°)Fig.6 Crack profiles of different grain sized specimens in scratching process (θ=90°)

2.2 劃傷硬度與隆起高度分析

實(shí)驗(yàn)中不同圓錐角度情況下，不同晶粒尺寸材料的劃傷硬度HT(由式(1)計(jì)算得出)如圖7所示，其中，σ為劃傷應(yīng)力.隨著θ的增大，HT有逐漸增大的趨勢(shì).圓錐角度越小，材料越容易產(chǎn)生裂紋，斷裂失效所占的比例也越大.這是由于裂紋尖端產(chǎn)生的應(yīng)力集中，使裂紋擴(kuò)展所需的載荷遠(yuǎn)小于材料變形所需的載荷.在劃傷過(guò)程中，已經(jīng)存在裂紋的材料將以耗能更小的裂紋擴(kuò)展為主，自身變形較小且硬化少，因此抵抗壓頭運(yùn)動(dòng)的阻力也小.當(dāng)θ=150° 時(shí)，材料完全以塑性變形的方式抵抗壓頭滑動(dòng)，因此劃傷阻力明顯大于其他幾種情況.當(dāng)θ=60° 時(shí)，部分材料的劃傷硬度略高于θ=90° 及θ=120° 時(shí)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，且測(cè)量值的偏差較大.產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因是材料在被60°圓錐劃傷的過(guò)程中產(chǎn)生了連續(xù)切屑.切屑在壓頭前端堆積，起到了抵抗壓頭運(yùn)動(dòng)的作用.

圖7 不同圓錐角度下晶粒尺寸對(duì)材料劃傷硬度的影響Fig.7 Grain size effects on the scratching hardness of specimens scratched by different angled cones

另一方面，在不同圓錐角度條件下，晶粒尺寸對(duì)材料劃傷硬度的影響也不同.當(dāng)θ=60° 時(shí)，HT隨著晶粒尺寸的增大而增大；當(dāng)θ=120°，150° 時(shí)，HT隨著晶粒尺寸的增大而減??；當(dāng)θ=90° 時(shí)，試樣從細(xì)晶變?yōu)榇志?，則其HT先增大后減小.

晶粒尺寸對(duì)劃痕前端面隆起高度的影響如圖8所示.由于隆起高度與初始?jí)喝肷疃扔嘘P(guān)，本文采用初始?jí)喝肷疃葘?duì)實(shí)驗(yàn)測(cè)量值進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化，即

(2)

式中：hin為初始?jí)喝肷疃?當(dāng)θ=60° 時(shí)，材料表面將產(chǎn)生連續(xù)切屑，無(wú)法形成穩(wěn)定的材料隆起，故在這里不作討論.由圖8可以看出，當(dāng)θ=90°，120°，150° 時(shí)，表面劃痕前端面的隆起高度從細(xì)晶到粗晶逐漸減小.對(duì)于相同的晶粒尺寸，隆起高度隨著圓錐角度的增大而減小.劃痕的隆起高度反映了材料在達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)的變形程度，隆起高度越高，材料的變形量越大，應(yīng)變也就越大.

圖8 不同圓錐角度下晶粒尺寸對(duì)劃痕前端材料隆起高度的影響Fig.8 Grain size effects on the pileup ratio of specimens scratched by different angled cones

3 結(jié)論

(1) 圓錐角度影響材料的流動(dòng)方式及裂紋位置.當(dāng)θ=60° 時(shí)，裂紋在劃痕底部產(chǎn)生并擴(kuò)展，材料向上流動(dòng)形成連續(xù)切屑；當(dāng)θ=90°，120° 時(shí)，裂紋在劃痕中部或上部產(chǎn)生并擴(kuò)展，裂紋以上的材料向圓錐兩側(cè)流動(dòng)，裂紋以下的材料向圓錐底部流動(dòng)；當(dāng)θ=150° 時(shí)，劃痕內(nèi)部不產(chǎn)生裂紋，材料向圓錐底部塑性流動(dòng).

(2) 晶粒尺寸的增大一方面能夠降低材料的整體應(yīng)變，從而降低前端隆起高度；另一方面能夠降低晶界的占比，從而抑制劃傷過(guò)程中材料內(nèi)裂紋的產(chǎn)生.

(3) 材料的劃傷硬度隨圓錐角度的增大而增大；當(dāng)θ=120°，150° 時(shí)，材料以塑性變形為主，劃傷硬度主要受材料硬化的影響，隨晶粒尺寸的增大而減小；當(dāng)θ=90° 時(shí)，劃傷硬度受材料硬化和斷裂的共同作用，從細(xì)晶到粗晶先增大后減小.