加热温度对Ni-P/Ti/DLC多层膜力学性能的影响

目的研究不同加热温度对Ni-P/Ti/DLC多层膜力学性能的影响。方法用化学镀镍磷工艺在模具钢基体上镀Ni-P层作切削层,采用过滤阴极真空电弧(FCVA)技术分别沉积Ti过渡层和DLC保护层。利用拉曼光谱分析了多层膜表层在不同加热温度下的结构成分,采用纳米压痕、纳米划痕和扫描电镜对多层膜的硬度和弹性模量、膜层结合性能以及划痕表面形貌进行了表征。结果拉曼光谱检测结果表明,随着加热温度的升高,多层膜表层DLC膜中的AD/AG值及sp2键含量增大,且400℃时AD/AG值的变化幅度明显增大。纳米压痕实验结果表明,多层膜的硬度和弹性模量随着温度的升高呈先增后减的趋势,且在300℃时达到最大,纳米压痕过程中膜层未出现破裂现象。纳米划痕实验及SEM观测结果表明,多层膜的临界载荷A1随着加热温度的升高而增加,临界载荷A2在25~200℃区间没有明显变化,而在300~400℃区间显著增大。结论在加热温度达到400℃时,多层膜表层DLC膜的石墨化倾向显著。加热温度为300℃时,多层膜的力学性能及膜层间的结合性能较优,而400℃时膜层间的结合性能及抑制裂纹扩展能力减弱,且膜层具有较大的塑性。因此,适宜的加热温度有利于提高多层膜的力学性能和膜层间的结合性能。     

纳米压/划痕表征激光渗氮层的弹塑性力学性能

利用脉冲式Nd：YAG激光在Ti6Al4V合金表面进行激光渗氮处理,借助纳米压痕和划痕试验表征渗氮层的弹塑性力学性能。结果表明,在钛合金表面成功制备了高硬度、高强度、枝晶状分布的渗氮层。同时,渗氮层内硬度、模量、强度以及应力-应变关系、摩擦系数等力学性能呈现出类似于激光渗氮层内氮元素扩散曲线的非均匀性空间分布规律。硬度和弹性模量之比以及纳米划痕试验结果表明,激光渗氮层的抗磨损性能随深度的增加逐渐降低,摩擦系数随着划入深度的增加,从0.2增加到0.4。     

金属纳米多层膜力学性能研究进展

新型功能材料及器件向小型化,集成化和复合化发展的趋势,使得尺寸在纳米尺度的层状材料和柔性多层器件在使用过程中的服役行为成为其发展的关键科学问题。本文结合作者近几年对Ag/M系列和Cu/M系列多层膜力学性能的研究工作,对金属纳米多层膜的微结构特征及其对力学性能的影响进行了回顾和总结,主要包括多层膜的晶粒形貌对其强化机制和塑性变形行为的影响,组元强度错配对多层膜硬化行为的影响,界面结构与其强度极值的关系、不对称界面结构引起的异常弹性模量增强和多层膜的室温蠕变机制及界面结构对蠕变性能的影响等几个方面,并对多层膜的力学性能研究进行了展望。     

梯度基体负偏压真空多弧离子镀沉积TiN涂层及其力学性能

目的通过梯度基体负偏压沉积工艺,获得综合性能优良的Ti N涂层。方法采用多弧离子镀工艺,在0~-180 V连续变化的梯度基体负偏压参数下沉积梯度Ti N涂层。通过X射线衍射仪和扫描电子显微镜对涂层的物相结构和形貌进行分析,通过纳米压痕和纳米划痕对涂层的力学性能进行系统研究。结果与无梯度沉积的涂层相比,梯度基体负偏压沉积Ti N涂层的(111)晶面衍射峰减小,厚度增加,表明涂层的沉积速率增大。经测试,梯度涂层的断裂临界载荷L_(c2)=215.21 m N,硬度值H=31.2GPa,弹性模量E=498 GPa,塑性变形临界载荷L_y=81.65 m N;无梯度沉积涂层的L_(c2)=248.63 m N,H=29.6 GPa,E=452 GPa,L_y=23.39 m N。二者相比之下,梯度涂层虽然断裂临界载荷有所减小,但硬度值和弹性模量均有所增大,并且塑性增大,塑性变形临界载荷大幅增加,综合力学性能提高。结论梯度基体负偏压沉积工艺改变了常规的单一参数设置,在沉积过程中,基体负偏压对涂层生长的影响不断改变,获得的涂层具有结构上的梯度变化,从而力学性能得到了改善。     

热循环对热障涂层力学性能的影响

通过纳米压痕仪测试了热障涂层(TBCs)在1050℃热循环不同时间后的弹性模量和硬度,从微观层面了解其高温力学性能变化.采用X射线衍射仪(XRD)和扫描电镜(SEM)等对涂层的物相和形貌进行了分析.结果表明:采用纳米压痕仪测得Y2O3部分稳定的ZrO2(YSZ)陶瓷层的弹性模量(Ei)在80-170 GPa之间,硬度在2.6-5.8 GPa之间.陶瓷层的硬度和弹性模量均随热循环时间增加而增加,在热循环初期,涂层的强度稍高,随着热循环时间的增加,涂层的强度减小,韧性变得更好.热循环后期,涂层的强度最大.同时,随着热循环时间的增加,划痕形貌发生了明显的变化.热障涂层的失效分析表明:由于氧化循环次数增加,YSZ发生了烧结,在热循环作用下样品内部的内应力升高,产生横向裂纹,从而导致柱状晶结构发生破坏而产生失效.     

纳米压痕和划痕法测定 TiO2 纳米薄膜的力学性能

目的研究相同工艺条件下阳极氧化法在不同钛合金基底(TA1,TC4,TC4F136)上生成的TiO2薄膜的力学性能差异。方法采用扫描电镜结合原子力显微镜观察3种薄膜的形貌和结构,用UNHT型纳米压痕仪测试TiO2纳米薄膜的力学性能,利用纳米划痕法测试3种钛合金表面生成的TiO2薄膜与基底的结合强度及摩擦性能,用纳米压痕技术测试TiO2的显微硬度和弹性模量。结果电解液及其它电化学条件相同时,不同钛合金基底上形成的TiO2薄膜结构(管直径、管壁厚及管长度)不同。结论阳极氧化法在钛合金基底上生成的TiO2纳米薄膜的力学性能,由TiO2微观结构及其与基底的结合强度决定,微观结构和结合强度归根到底由合金中元素决定。     

深冷处理对黄铜组织与力学性能的影响

利用纳米力学测试系统测试黄铜经深冷处理前后的硬度、弹性模量和摩擦系数,并借助金相显微镜、SEM/EDS和TEM对深冷处理前后黄铜的组织进行分析.在此基础上,探讨了深冷处理对黄铜微观力学性能的影响.结果表明:深冷处理能细化黄铜组织,增大黄铜的硬度、弹性回复系数和硬弹比,减小摩擦系数,有效地提高了合金的抗压痕形变能力.     

氢对不锈钢钝化膜破裂应力的影响

用纳米力学探针测量了316不锈钢电解抛光以及抛光后阳极钝化试佯的载荷-压入位移曲线，并研究了氢的影响．结果表明，一旦表面存在氧化膜(电解抛光)或钝化膜(阳极钝化)，在载荷-位移曲线上就会出现恒载荷平台；对氧化膜，平台载荷较小，对应膜的屈服；对钝化膜，平台载荷较大，对应膜的破裂．氢可降低钝化膜的平台载荷以及相同载荷下的压入位移，从而使得钝化膜的复合弹性模量Er和破裂应力σF都随试样中氢浓度Co的升高而下降，例如，Er(GPa)=100 82e^-0.01Co，σF(GPa)=1．59 2．93e^-0.010Co。     

深冷处理对Cu-Zn合金微观力学性能的影响

用纳米力学测试系统测试经深冷处理前后Cu-Zn合金的微观力学性能,利用金相显微镜对深冷处理前后Cu-Zn合金的组织进行分析。在此基础上,探讨了深冷处理对Cu-Zn合金微观力学性能的影响。结果表明:深冷处理能增大Cu-Zn合金的硬度、弹性回复系数和硬弹比,有效提高了该合金的抗塑性变形能力。     

碳化物对铌基多相合金力学性能和组织结构的影响

采用纳米压痕和原子力显微镜对Nb-21Ti-4C-x Al(x:0,5,10,15 at%,下同)、Nb-35Ti-4C及Nb-25Ti-8C合金Nbss、(Nb,Ti)C、Nb3Al及相界面的力学性能和变形行为进行了研究。研究表明:Ti、Al元素合金化能有效提高Nbss的硬度,且Al强化效果优于Ti;高硬度的碳化物、Nb3Al与Nbss界面结合良好是理想的增强相。热处理后(Nb,Ti)C内部析出二次Nbss,改善了碳化物的变形行为,提高了韧性;热处理后Nbss内部组织均匀化及位错密度降低导致Nbss硬度下降。Ti、Al、C原子含量变化及热处理对Nbss的弹性模量影响不大。     

片层厚度对双相TiAl合金力学性能影响的纳米压痕分子动力学研究

为研究纳米压痕过程中片层厚度和γ/α2相界对双相TiAl合金变形行为及力学性能的影响,本文针对5种不同厚度的双相TiAl合金模型,采用分子动力学的方法模拟计算了金刚石压头以垂直于γ/α2相界方向分别压入γ和α2相的纳米压痕过程。结果表明：材料的硬度随片层厚度的减小而增大,当片层厚度减小至7nm时,材料的硬度达到最大值,进一步减小片层厚度时,材料的硬度反而减小。材料的弹性模量也会随片层厚度的变化而改变,与硬度呈现正比关系。此外,在纳米压痕过程中,压头压入γ相时,变形行为以{111}面的层错为主,γ/α2相界会阻碍位错的运动;压头压入α2相时,变形行为以(0001)基面的堆垛层错为主,基面上Shockley不全位错的运动会导致材料表面产生相变,且棱柱面滑移被激活。     

锌铬膜的成分与力学性能的深度剖面分析

采用浸涂及烧结工艺制备了锌铬膜防腐涂层,用辉光放电光谱分析和纳米压痕/划痕试验技术对其成分和力学性能分别进行了深度剖面分析,并探讨了涂层组成对防腐和力学性能的影响。结果表明,各元素随深度呈不同的分布状态和变化趋势,并与烧结过程相关,硬度、弹性模量的深度分布与元素的深度分布相对应,膜层有较低的失效临界载荷。     

Si含量对CrN/TiSiN纳米多层膜显微结构和力学性能的影响

采用不同Si含量的TiSi复合靶和Cr靶,用射频磁控溅射工艺在Si基底片上沉积不同Si含量的CrN/TiSiN纳米多层膜。采用X射线衍射仪(XRD)、高分辨透射电子显微镜(HRTEM)和纳米压痕仪研究Si含量对CrN/TiSiN纳米多层膜显微结构和力学性能的影响。结果表明:随着Si含量的增加,CrN相的结晶程度先增加后降低,涂层的力学性能先提高后降低,当n(Si):n(Ti)=7:18时获得最高硬度为31.5GPa。HRTEM观测表明,在n(Si):n(Ti)=7:18时,TiSiN层在CrN层的模板作用下呈面心立方结构,并且与CrN层形成共格外延生长结构;当n(Si):n(Ti)=11:14时,TiSiN层总体呈非晶结构,与CrN层的共格外生长结构被破坏。硬度的升高主要与TiSiN与CrN形成共格外延生长结构有关。     

热处理温度对生物医用Ti87Nb8Sn5合金微观组织和力学性能影响

采用X射线衍射仪、光学显微镜、万能试验机、显微硬度计以及纳米压痕仪等研究了不同热处理温度下Ti_(87)Nb_8Sn_5合金的显微组织和力学性能。结果表明:铸态和在773 K热处理下合金的组织是由大量α-Ti相和少量的第二相Ti_3Sn相所组成,在873 K和973 K热处理下合金的组织是由大量的α-Ti和少量β-Ti相所组成。室温铸态试样以及在773 K热处理试样的应力-应变曲线呈现出超弹性;而在873 K和973 K热处理的合金具有高的屈服强度,大的塑性形变以及大的弹性能。在873 K和973 K热处理下合金的约化弹性模量(E_r)值分别为43.3 GPa和36.2 GPa,接近人骨的弹性模量值(10～30 GPa)。另外,在873 K和973 K热处理下合金具有大的H/E_r和H~3/E■值,说明了该热处理条件下合金分别具有高的耐磨抗力和高的耐磨性。     

不同退火温度下Cu/Ni纳米多层膜的结构与力学性能稳定性

为研究不同退火温度下Cu/Ni纳米多层膜的结构与力学性能稳定性,采用电子束蒸发镀膜技术在Si(100)基片上沉积不同周期(Λ为4,12,20 nm)的Cu/Ni多层膜,在真空条件下对试样进行温度为200℃和400℃,时间为4 h的退火处理,分析了沉积态(未退火态)与退火态Cu/Ni多层膜纳米压痕硬度、弹性模量与微结构的演变,讨论了不同调制周期Cu/Ni多层膜的热稳定性。结果表明:200℃下4 h退火后,Λ为4,12和20 nm的Cu/Ni多层膜均保持了硬度与弹性模量的热稳定性。而在400℃下4 h退火后,Λ为12 nm的Cu/Ni多层膜出现了硬度和弹性模量的软化现象,硬度由6.21 GPa降低至5.83 GPa,弹性模量由190 GPa降低至182 GPa。这是由于共格界面被破坏,界面共格应力对Cu/Ni多层膜力学性能贡献作用削弱导致的。     

La对Sn-0.3Ag-0.7Cu回流焊点纳米力学性能影响

随着电子产业的不断发展,对微连接焊点可靠性的要求越来越高. 文中在Sn-0.3Ag-0.7Cu的基础上添加第四种微量元素La,并制备出多种不同铼含量的焊球,通过回流焊得到Sn-0.3Ag-0.7Cu-xLa焊点. 采用纳米压痕仪对焊点进行一次加载—卸载试验,对试验所得到的载荷—位移数据通过采用Ma物理反解析法可得出焊点的纳米压痕硬度H、弹性模量E及蠕变速率敏感指数m等焊点的性能参数.研究稀土元素La对焊点纳米力学性能的影响. 结果表明,随着微量稀土元素La含量的增加,焊点的硬度、弹性模量表现出明显的增长趋势,而且抗蠕变性能随着铼含量的上升呈线性上升趋势.     

用纳米压痕法表征钨纳米晶须的力学性能

通过化学气相沉积方法合成截面为六边形的单晶钨纳米晶须,利用纳米压痕仪和原子力显微镜对硅基底上的钨纳米晶须的力学性能进行表征。纳米压痕测试结果表明,钨纳米晶须的硬度为(6.2±1.7) GPa,弹性模量为(225±20) GPa。对比研究结果表明,钨纳米晶须的硬度与钨微米晶须的硬度相当,但比块体钨单晶高35%。这种硬度的增高是由于具有完好晶体结构的钨晶须在压痕测试中不会出现块体钨单晶中的位错崩。钨纳米晶须的弹性模量相当于钨微米晶须的80%,主要是由于纳米晶须的尺寸效应和测量过程中的基底效应所致。     

真空压铸对LA42镁合金热导率和力学性能的影响

以Mg-4La-2Al-0.3Mn(LA42)合金为研究对象,利用OM、XCT等方法,结合复合材料的导热模型、强化模型,研究了真空压铸工艺对合金热导率和力学性能的影响。结果表明,真空压铸对LA42合金的热导率影响不大,归因于压铸件的孔隙率低,其相比固溶原子对热导率的影响,可以忽略不计,但屈服强度和伸长率相比常规压铸件分别提高了5.8%和25.7%。屈服强度的提升主要归因于真空压铸条件下预结晶组织的减少和细小等轴晶分数的提高,伸长率的提升主要归因于真空压铸条件下孔洞缺陷和预结晶组织分数的降低。     

晶粒尺寸对γ-TiAl力学性能影响的纳米压痕研究

为研究纳米压痕过程中晶粒尺寸对γ-TiAl合金力学性能及变形行为的影响,利用Voronoi方法建立多晶γ-TiAl模型,采用分子动力学方法模拟压头压入不同晶粒尺寸模型的压痕过程,得到相应尺寸下的载荷-深度曲线,并计算了7种晶粒尺寸下γ-TiAl的硬度。结果表明：当晶粒尺寸小于9.9nm时,晶粒尺寸与硬度表现出反Hall-Petch关系,位错和晶界活动共同促使材料发生塑性变形,晶界活动起主导作用。当晶粒尺寸大于9.9nm时,晶粒尺寸与硬度符合Hall-Petch关系,晶界对材料变形影响较小,位错主导基体发生塑性变形。另外,分析了γ-TiAl在压痕过程中的应力传递和形变恢复过程,发现致密晶界网格结构能够有效抑制压痕缺陷及内应力向材料内部传递;晶粒尺寸越小,压头下方的内应力分布越均匀,沿压痕方向的弹性恢复比越小。     

热处理温度对Ti85Nb10Sn5合金微观组织及力学性能的影响

采用X射线衍射仪、光学显微镜、电子万能试验机、维氏硬度计以及纳米压痕仪等研究了Ti₈₅Nb₁₀Sn₅合金经不同温度热处理后的显微组织和力学性能。结果表明：773 K热处理后,合金中的α-Ti相和Ti₃Sn相的体积分数分别为79.0%和21.0%,而873 K和973 K热处理后,α-Ti相的体积分数分别为95.8%和98.9%,Ti₃Sn相的体积分数分别为4.2%和1.1%。经873 K和973 K热处理后,合金具有较大的塑性变形、较高的维氏硬度和较大的弹性能。973 K热处理后,合金的约化弹性模量(E_r)为44.0 GPa,与人体骨骼的弹性模量(10～30 GPa)接近,此时合金还具有较大的H/E_r和H³/E_r²值,表明合金具有较高的耐磨性和抗磨性。因此,具有较高弹性能和较低约化弹性模量的973 K热处理合金是一种实用价值较高的硬组织植入物材料。