基于壓痕功的微納米表層硬度檢測(cè)技術(shù)研究.pdf

1、隨著微小零部件與薄膜材料的廣泛應(yīng)用，對(duì)于材料微納米表層力學(xué)性能的檢測(cè)必須給予重視。在材料力學(xué)性能的檢測(cè)中，硬度是評(píng)價(jià)材料力學(xué)性能的一種簡(jiǎn)單、高效的手段。然而材料微納米表層硬度的測(cè)量結(jié)果出現(xiàn)了硬度值隨著壓痕深度或載荷減小而增大的壓痕尺寸效應(yīng)，并且不同的硬度評(píng)價(jià)方法計(jì)算得到的硬度值差別較大，導(dǎo)致無(wú)法得到材料微納米表層的真實(shí)硬度值。因此對(duì)于微納米表層硬度檢測(cè)技術(shù)及其理論方法的研究具有重要的現(xiàn)實(shí)意義和使用價(jià)值。
　　本文提出一種基于壓痕功

2、的微納米表層硬度檢測(cè)方法，并開(kāi)發(fā)了樣機(jī)。基于壓痕功的材料微納米表層硬度檢測(cè)系統(tǒng)可以得到材料的載荷-壓深曲線和壓痕三維形貌，為獲得材料微納米尺度下的真實(shí)硬度和理解壓痕尺寸效應(yīng)的產(chǎn)生根源提供理論基礎(chǔ)和實(shí)驗(yàn)手段。
　　運(yùn)用有限元分析軟件對(duì)純鋁試樣進(jìn)行了微納米硬度的有限元仿真研究，建立了有限元仿真模型，通過(guò)仿真結(jié)果得到材料的載荷-壓深曲線和壓痕三維形貌，采用多種硬度計(jì)算方法評(píng)價(jià)和分析試樣硬度，提出了基于壓痕功的硬度檢測(cè)方法，認(rèn)為采用通過(guò)分

3、段擬合并積分載荷-壓深曲線得到的塑性功除以壓痕塑性變形總體積得到的材料硬度值更能反映材料的真實(shí)硬度，更有利于建立起微納米尺度下硬度與宏觀硬度之間聯(lián)系。
　　針對(duì)基于壓痕功的微納米表層硬度檢測(cè)方法的要求，設(shè)計(jì)了集載荷力加載與壓頭位移測(cè)量功能于一體的測(cè)頭，采用電磁力方式進(jìn)行載荷驅(qū)動(dòng)，通過(guò)優(yōu)化驅(qū)動(dòng)器結(jié)構(gòu)，滿足了無(wú)摩擦、小尺寸、高分辨率和大載荷的設(shè)計(jì)要求。位移測(cè)量采用電容式位移傳感器，適用于小量程高分辨率的測(cè)量要求。載荷力驅(qū)動(dòng)及位移測(cè)量控

4、制器的研制過(guò)程中采用合理的設(shè)計(jì)方案并充分考慮外界干擾的影響，取得了令人滿意的實(shí)驗(yàn)效果。設(shè)計(jì)了一種將壓痕制備和形貌掃描功能相結(jié)合的微納米表層硬度檢測(cè)系統(tǒng)，并進(jìn)行了樣機(jī)的研制。此檢測(cè)系統(tǒng)能同時(shí)獲得材料的載荷-壓深曲線和壓痕三維形貌，可靈活應(yīng)用多種硬度計(jì)算方法獲得材料微觀硬度值。
　　在基于壓痕功的硬度檢測(cè)系統(tǒng)基礎(chǔ)上，通過(guò)實(shí)驗(yàn)得到單晶鋁和單晶硅在不同壓痕深度下的載荷-壓深曲線和壓痕三維形貌，結(jié)合數(shù)學(xué)計(jì)算軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，應(yīng)用多種硬度計(jì)

5、算方法進(jìn)行硬度值的計(jì)算和分析，驗(yàn)證了基于壓痕功的硬度計(jì)算方法相對(duì)于其他方法具有隨壓痕深度的減小變化平緩，更能反映材料真實(shí)硬度的優(yōu)點(diǎn)?；趬汉酃Φ奈⒓{米表層硬度檢測(cè)系統(tǒng)的研制為分析和研究壓痕尺寸效應(yīng)的成因奠定了基礎(chǔ)，根據(jù)單晶鋁和單晶硅實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，通過(guò)分析多種理論模型，提出了一種基于能量平衡方法的理論模型——HAV模型，用來(lái)解釋壓痕尺寸效應(yīng)的成因。
　　基于壓痕功的硬度檢測(cè)方法，減小了壓痕尺寸效應(yīng)的影響，可以得到材料微納米尺度下的真實(shí)硬