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基于压痕功的微纳米表层硬度检测技术研究

刘琦  
【摘要】: 随着微小零部件与薄膜材料的广泛应用,对于材料微纳米表层力学性能的检测必须给予重视。在材料力学性能的检测中,硬度是评价材料力学性能的一种简单、高效的手段。然而材料微纳米表层硬度的测量结果出现了硬度值随着压痕深度或载荷减小而增大的压痕尺寸效应,并且不同的硬度评价方法计算得到的硬度值差别较大,导致无法得到材料微纳米表层的真实硬度值。因此对于微纳米表层硬度检测技术及其理论方法的研究具有重要的现实意义和使用价值。 本文提出一种基于压痕功的微纳米表层硬度检测方法,并开发了样机。基于压痕功的材料微纳米表层硬度检测系统可以得到材料的载荷-压深曲线和压痕三维形貌,为获得材料微纳米尺度下的真实硬度和理解压痕尺寸效应的产生根源提供理论基础和实验手段。 运用有限元分析软件对纯铝试样进行了微纳米硬度的有限元仿真研究,建立了有限元仿真模型,通过仿真结果得到材料的载荷-压深曲线和压痕三维形貌,采用多种硬度计算方法评价和分析试样硬度,提出了基于压痕功的硬度检测方法,认为采用通过分段拟合并积分载荷-压深曲线得到的塑性功除以压痕塑性变形总体积得到的材料硬度值更能反映材料的真实硬度,更有利于建立起微纳米尺度下硬度与宏观硬度之间联系。 针对基于压痕功的微纳米表层硬度检测方法的要求,设计了集载荷力加载与压头位移测量功能于一体的测头,采用电磁力方式进行载荷驱动,通过优化驱动器结构,满足了无摩擦、小尺寸、高分辨率和大载荷的设计要求。位移测量采用电容式位移传感器,适用于小量程高分辨率的测量要求。载荷力驱动及位移测量控制器的研制过程中采用合理的设计方案并充分考虑外界干扰的影响,取得了令人满意的实验效果。设计了一种将压痕制备和形貌扫描功能相结合的微纳米表层硬度检测系统,并进行了样机的研制。此检测系统能同时获得材料的载荷-压深曲线和压痕三维形貌,可灵活应用多种硬度计算方法获得材料微观硬度值。在基于压痕功的硬度检测系统基础上,通过实验得到单晶铝和单晶硅在不 同压痕深度下的载荷-压深曲线和压痕三维形貌,结合数学计算软件对数据进行处理,应用多种硬度计算方法进行硬度值的计算和分析,验证了基于压痕功的硬度计算方法相对于其他方法具有随压痕深度的减小变化平缓,更能反映材料真实硬度的优点。基于压痕功的微纳米表层硬度检测系统的研制为分析和研究压痕尺寸效应的成因奠定了基础,根据单晶铝和单晶硅实验数据,通过分析多种理论模型,提出了一种基于能量平衡方法的理论模型——HAV模型,用来解释压痕尺寸效应的成因。 基于压痕功的硬度检测方法,减小了压痕尺寸效应的影响,可以得到材料微纳米尺度下的真实硬度值,为检测材料微观力学性能提供技术支持,为微小构件的可靠使用提供了保障。


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