循环加载卸载对纳米压入法测量结果的影响

侯根良 徐可为

文章摘要:通过在单晶Ａｌ、Ｍｏ表面进行压入实验考察了循环卸载对弹性模量和硬度测量值的影响，发现硬度基本无变化，弹性模量虽有变化但并不显著，认为可采用一次加载卸载进行测定和计算。
文章主题:循环加载卸载 硬度 弹性模量 纳米压入法 金属

文章内容：第8卷第4期95年2月薄膜科学与技术1.8.4.1995姗～弭0循环加载卸载对纳米压入法测量结果的影响侯根良徐可为1.■'''''__..～-●___●__-一,(西安交通大学金属材料强度国家重点实验室)1984午12月11日啦捌摘要纳米压入法悬歼究薄膜力学性能的很有前途的方法,可望用来测试材料的硬度,弹性模量,塑性系数,结舍强度,蠕变疲劳强度,残余应力以及界面结台强度等力学性能指标"].压入法依据的是载荷位移曲线,加载曲线反映了材料在局部压陷过程中抵抗弹塑性变形的能力,卸载曲线则更多反映了材料弹性恢复及塑性驰豫的能力.一次加载简单方便可迅速得到材料的有关性能参数,但等认为一次加载卸载后可能残留部分塑性变形,建议用循环加载卸载",本文就单晶材料的循环加载卸载曲线进行分析,为以后薄膜材料的测试提供合适的实验参数.2测试方法及结果实验在美国—型纳米压入仪上进行,该仪器采用载荷控制加载,最大载荷0?6,采用三角锥金刚石压头.选择和单晶进行实验,试样表面经金相抛光,为避免表面变形层的影响,实验前所有样品再经化学抛光处理,每一样&;--次,取平均值进行分析.图1为压入过程的实测载荷一位移关系.设扣除仪器柔度后卸载线最高点斜率为/^删=业(1)其中1=+(2),为泊松比和弹性模量,下标表示压头,卢为压头的形状修正系数,为残余压痕表面积对于理想三角锥压头:24.5×(3)(,^1,,'__,黼蚪耋羹^～～.腊墅验～不-宾一并幽蒿械呦鼽觫晶一亿】1了言战前薄膜辩学与技术第8卷为接触深度,可由下式求得一^一×ק(4)()()囤1匪入过程的载荷位移关系,1㈣的取值与压头的形状有关【.由实验值/与可隶得/",进而确定样品韵(1一)/.至于样品的硬度可由下式求得:日一/.4(5)当测试结果中包含有仪器柔度时,可参见文献[10]予以扣除.由各级卸载线斜率计算得到的硬度与弹性模量见表1.表1粕环加载卸载计算结果比较--(一)/()(×').."01.10.30802.846302611472030&;4610.431.14730.30302.8461031.13903081.8510.蛄1.24650.30812.83010331.227第4期侯根良等;循环加载对纳米压人法测量结果自影响分析与讨论由表1结果可以看出,采用循环加载卸载时,按卸载线斜率计算的弹性模量有所不同.随着卸载次数的增加,1单晶的弹性模量成跳跃式变化,单晶的有所减少,最后趋于稳定值.0认为一次卸载不能完全反映弹性性质,卸载过程中包含有一定的残余塑性变形.就本文的实验结果看,不同卸载的数据差异可能更多的是一种统计波动,本次测试中单晶的弹性模量最大差别在3之间,单晶的弹性模量最大差别在8之间.虽然普遍认为.循环加载卸载可以减弱或消滁塑性变形的影响,但循环加载卸载需要准确的定位以确保每次压入的是同一点,实验条件苛刻周期也较长.而一次加载卸载虽可能有塑性变形的影响但仍可近似反映材料的弹性行为,因此对于一般的测试可用它来迅速比较不同材料的性质.硬度测试主要考虑接触深度^,与卸载斜率关系较小,故循环加载对硬度基本上没有影响.但硬度存在压痕尺寸效应在薄膜和材料表面的研究中.人们更注重材料表层硬度的分布特性,我们曾提出用一个测点上的尸一^曲线求取整个压入深度内硬度分布的方法[11],此方法不仅需要接触深度的数值,更重要的是要知道卸载线的斜率,此时循环加载卸载的不同斜率有可能影响计算的硬度分布其影响程度取决于接触深度与卸载斜率比值的差异.按钼单晶的相差最大的卸载斜率计算所得的硬度分布示于图2.本次测试中各次加载卸载后所得的接触深度基本相同,卸载斜率差别不大,其比值基本相同,故硬度分布基本上相同.4结论()田2一文卸教和多文卸载的硬度分布比较()单晶.2∞..15--1?用纳米压入法测量材料表层性能时,循环加载的各次卸载线的斜率有所不同,但接触深度基本维持不变.2?循环加载卸载对硬度测量基本上无影响,对弹性模量虽有影响但并不显着,可采用一次加载卸载进行测定和计算.本文得到了国家教委优秀年轻教师基金及北京科技大学新金属材料国家重点实验室的资助,特此致谢\^_台3_?390?薄膜科学与技术第8卷参考文献1...,.#...1992,(3)9272....1...,"'月1990.187,2952.1]-...口埘.993,224;1984..,.】【1...,1993.222.2695蒋哮耿一村军弗,曼超格,材科研究学报,1994,8(4).278'..._.,.朋一..,1992.15647.,埘村"?'皿鲥,1989,2(11)2217.皂.啦.3.越,1987.23.19579..-,剜军弗?何毫文.第五届全国目体薄雎台搜论文皇,北羹河.1994.20310丧根直,陆啊舜一可为.材科研究学报.1995,9(6)丧根点.剜车弗.僚可为.盒属学报.1995,31'5)一239----(3脚￡",.--0-.--..1?-'?'.,--,,-,1