随着材料科学技术的迅猛发展,工业领域对材料性能的要求越来越高。作为服役性能的重要因素之一,材料摩擦磨损特性的研究近年来成为国内外的研究热点。划痕作为一种高分辨率的测试方法,不仅有助于分析材料微观力学性能,且对微沟槽加工机理及材料可加工性研究具有重要意义。划痕测试方法能测量材料表面的摩擦系数、刻划抗力与动态划痕硬度等力学参数,还能研究切削加工中材料的可加工性和工艺参数优化等问题,因此在众多领域得到广泛应用,常用于薄膜/涂层等各类材料力学性能的测试分析中。近年来,划痕方法在理论、仪器研发和应用等方面迅速发展,对仪器精度及测试因素要求也越来越高,然而划痕测试过程较为复杂,在试验过程中不可避免的受到诸多因素影响,如机械装配导致的不垂直、材料凸起或凹陷引起的接触深度误差等。因此,开展对划痕过程的影响因素分析是很有必要的。为了更加深入了解各因素对材料变形损伤机制的影响,利用仿真手段对划痕过程进行分析,能够有助于解释试验现象和发现新的物理现象,揭示材料内部的应力及应变状态。本文针对划痕过程开展了基于光滑粒子流体动力学(SPH)方法的仿真研究,讨论了不同使役条件对材料摩擦磨损性能及沟槽形貌的影响;为验证仿真分析,本文采用微/纳米划痕仪,针对无氧铜和单晶铜材料,分别开展了不同加载模式、接触深度、接触载荷、划痕速率、残余应力及非垂直状态条件下的划痕试验。此外,本文还对铜铝复合材料进行了划痕试验,分析了不同深度下复合材料的微观形态和材料特性。论文主要内容如下:(1)本文对划痕测试理论和压头类型进行分析,讨论了影响划痕过程的主要因素。在此基础上,建立了四种形状(圆锥、球形、三棱锥和四棱锥)的压头理论模型,总结了四种压头在试件倾斜状态下,水平投影面积及实际压入深度的变化趋势并进行误差分析,为仿真及试验分析提供必要的理论依据。(2)利用光滑粒子动力学(SPH)方法对无氧铜划痕过程进行仿真,研究了压头形状、接触深度、划痕速率及非垂直因素对划痕过程的影响。研究结果表明:随深度增加,沟槽宽度和力学响应明显增加;在较大速率下,玻氏压头和维氏压头对材料的破坏加剧且力学响应增加。不垂直因素对玻氏和维氏压头的划痕过程影响较大,其沟槽形貌、力学响应均随倾角增加而明显增大,而受影响程度由角度大小和方向共同决定。(3)利用微纳米压痕/划痕测试仪,针对两种铜材料开展了不同加载条件下的纳米划痕测试,研究了压头形状、划痕深度、接触载荷、划痕速率、非垂直状态和残余应力对材料力学行为和摩擦磨损性能的影响。研究发现,划痕速率对两种材料的力学性能影响较小,而压头形状、接触深度和非垂直因素对沟槽形貌和力学响应较大。(4)开展了残余应力下单晶铜表面的划痕试验,分析了残余应力对划痕过程中材料力学行为的影响。试验得出了在拉伸至塑性变形阶段的单晶铜表面,其划痕过程中力学响应及摩擦系数均有明显减小趋势。(5)针对铜铝复合材料进行划痕试验和硬度测量,结合划痕形貌和测得硬度值,研究在不同深度条件下,薄膜复合材料的微观形貌及材料特性,发现了镀膜层和交界面的粘着抑制了基底层的塑性流动和堆积行为。本文最后对所做研究内容进行反思与总结,整理分析工作中存在的不足,明确未来可进一步开展的工作,希望本文的研究内容能够为我国在划痕测试方面的研究中贡献绵薄之力。