利用纳米压痕法研究单晶锗的力学行为

利用纳米压痕仪和原子力显微镜对单晶锗(100)晶面进行纳米压痕试验。通过载荷-压深曲线和弹性回复率的变化情况对材料的变形机理以及硬度和弹性模量进行研究。结果表明:单晶锗(100)晶面在不同的压入深度下分别经历了弹性变形、塑性变形和脆性断裂;载荷-压深曲线中出现明显的突进和突退现象,该现象与材料的内部结构发生相变密切相关;单晶锗(100)晶面存在明显的压痕尺寸效应。该材料弹性模量的变化趋势与硬度相一致。     

金属与氮复合注入对Inconel 718摩擦磨损性能的影响

为提高Inconel 718零件的抗磨损性能,采用直线式高能离子注入机对Inconel 718材料进行表面强化。利用X射线衍射仪、电子背散射衍射、X射线光电子谱、俄歇电子能谱等表征材料的组织结构、相组成和元素浓度-深度分布,采用纳米压痕仪、摩擦磨损试验机检测材料的纳米硬度和摩擦磨损性能。结果表明,不同离子注入工艺对Inconel 718抗磨损性能提升具有不同效果,(N+Ti)组合注入可提升基体抗磨损性能达2.5倍以上,纳米硬度提升幅度达到36%。(N+Ti)组合注入工艺在Inconel 718表层形成非晶以及纳米级Ti Nx析出相,随注入深度增加,注入原子主要以间隙或置换形式存在于基体晶格中。     

Fe合金化对Cu36Zr48Ag8Al8非晶合金的组织和力学性能影响

选择Cu36Zr48Ag8Al8BMG作为基体合金,研究Fe元素合金化对组织和力学性能的影响,分析了相分离非晶结构和纳米晶对合金力学行为的作用机理,并利用维氏硬度计考察了 Fe的掺杂对合金各相的相对硬度、塑性和压痕形貌的影响规律。结果表明,TEM衬度的眀相为富Fe相,暗相为富Cu、Ag相,由于具有不同的模量和硬度的相分离两相结构的存在,非晶合金在外力加载时呈应变硬化,而晶粒尺寸<5 nm的纳米晶起到弥散强化作用,使合金的强度进一步提高。维氏压头作用下使准脆性的非晶合金发生显著的塑性变形,非晶相硬度较高,其维氏压痕的周围形成了少量半圆型剪切带,且在同样的塑性变形量,塑性越好,剪切带的数量较多、间距较小。晶相硬度较低,其压痕周围没有裂纹出现     

不同晶体取向锗单晶的压痕尺寸效应（英文）

为了研究锗单晶的压痕尺寸效应,对(100)、(110)和(111)晶面取向的锗单晶进行纳米压痕实验。基于Meyer方程、比例试样阻力(PSR)模型和Nix-Gao模型计算锗单晶各晶面无压痕尺寸效应时的真实硬度值,并基于Manika幂律关系计算锗单晶各晶面的尺寸效应因子。结果表明:锗单晶在加载过程中发生弹性变形、塑性变形和脆性断裂3个阶段,且3个晶面均表现出明显的尺寸效应现象。3种模型均能较好地描述锗单晶的尺寸效应,其中Nix-Gao模型的计算值最为准确。相比于其他两个晶面,Ge (110)的尺寸效应因子m值最高,且具有最高的硬度值,表明该晶面的塑性性能最差。     

W、Mo离子注入对离子镀TiN薄膜表面结构和性能的影响

目的进一步改善氮化钛薄膜的摩擦学性能。方法利用金属蒸汽真空弧源(MEVVA)在离子镀TiN薄膜表面进行等剂量W、Mo离子注入。采用扫描俄歇系统、光学三维形貌仪、X射线衍射仪和纳米压痕仪,分别分析了TiN薄膜的离子注入深度、表面形貌及粗糙度、相结构和不同压入深度的薄膜硬度。在球盘滑动摩擦磨损试验机上考察了TiN薄膜的摩擦学性能,并利用扫描电子显微镜和三维形貌仪对其磨损形貌进行分析。结果等剂量离子注入后,TiN表面注入层中W离子的含量明显大于Mo离子,两种离子注入对TiN薄膜的表面形貌和硬度的影响较小。XRD结果表明,W离子和Mo离子注入后均发现了Ti_2N硬质相。两种离子注入均可以不同程度地降低TiN薄膜的摩擦系数和磨损率。结论 W、Mo离子注入均可显著改善TiN薄膜的摩擦学性能,但Mo离子更有利于其摩擦系数的降低,而W离子注入更有利于TiN薄膜磨损率的降低。     

钴离子注入对Fe基非晶合金摩擦磨损行为的影响

利用金属气相真空电弧(MEVVA)法对由电弧熔炼、喷铸法制备的大块Fe基非晶Fe41Co7Cr15Mo14C15B6Y2进行Co离子注入,注入剂量为3×1017ion/cm2.利用纳米压入法表征了离子注入对铁基非晶力学性能的影响,采用SRV球-盘式高温摩擦磨损试验机进行干摩擦磨损试验,分析了离子注入和晶化处理对Fe基大块非晶摩擦磨损性能的影响.利用形貌仪测定磨痕横截面形貌,SEM观察磨损表面形貌,EDS进行成分分析.结果表明,对非晶进行离子注入后,硬度从15 GPa提高到了21 GPa,弹性模量从230GPa提高到了290 GPa;离子注入和晶化处理后抗磨损性能得到了很大的提高;铁基非晶磨损机理以脆性剥落为主,同时伴随着氧化磨损;而经离子注入后,脆性剥落块明显减小,晶化后的磨损机理主要是硬质相从非晶基体中剥离.     

非晶层对单晶锗纳米切削影响的分子动力学研究

为探究非晶层结构对单晶锗纳米切削机制和力学特性的影响,采用分子动力学方法模拟不同非晶层厚度的非晶-晶体层状结构(A-C模型)的纳米切削过程.对纳米加工中切削力波动规律,应力状态,亚表面损伤和材料去除等关键问题进行分析.结果 表明:非晶锗(A-Ge)厚度的增加使得切削力和应力减小,切削温度升高;材料的可塑性随着A-Ge厚...     

激光熔覆和重熔制备Fe-Ni-B-Si-Nb系非晶纳米晶复合涂层

采用激光熔覆和重熔的方法在低碳钢CCS-B上制备Fe-Ni-Si-B-Nb系非晶纳米晶复合涂层。利用X射线衍射、扫描电镜、EDAX能谱及透射电镜分析涂层的物相、组织结构,运用显微硬度计、纳米压痕仪及摩擦磨损试验机研究涂层的显微硬度分布、微观力学性能及摩擦磨损性能。结果表明:熔覆层的组织由表面至基体分为非晶纳米晶复合区、熔覆层与基体,其中,复合区为Fe2B、γ-(Fe,Ni)多晶和非晶相的混合组织;涂层的最高显微硬度达到了1 369 HV;涂层的平均摩擦因数为0.275;涂层的主要磨损形式是磨粒磨损和粘着磨损,具有良好的摩擦磨损性能。     

氙离子辐照后Hastelloy N合金的纳米硬度及其数值模拟

利用纳米压痕仪的连续刚度测量模式测试了常温氙离子辐照后Hastelloy N合金的纳米硬度。结果表明,辐照样品的纳米硬度均大于未辐照样品的纳米硬度,且辐照剂量在0.5～3.0 dpa这一范围内时,辐照样品的纳米硬度处于饱和状态。在Nix-Gao模型的基础上,分离出未辐照样品和辐照样品的压痕尺寸效应,并通过VLM (volume law of mixture)模型来模拟实验测得的纳米硬度。由于随着压头压入深度的增加,塑性影响区中将同时包含辐照损伤层与基体,在VLM模型中引入"界面参数"(χ)以修正基体的形变量,改进后的模型能够更好地模拟纳米压痕的实验结果。     

钽离子注入对GZ51K镁合金力学性能及耐蚀性能的影响

研究了钽(Ta)离子注入对GZ51K生物镁合金力学性能和耐蚀性的影响,通过扫描电镜、纳米压痕、摩擦磨损试验和电化学试验对镁合金形貌及性能进行了分析。结果表明:适当剂量的Ta离子注入能有效改善GZ51K镁合金表面的力学性能和耐蚀性能。随注入剂量的增加,其硬度不断升高,而摩擦系数和腐蚀电流密度先下降后上升。当注入剂量为2×1016ions/cm2时,其摩擦系数与腐蚀电流密度降到最低,与基体相比,分别下降了约60%与90%。     

Indentation size effect of germanium single crystal with different crystal orientations

In order to study the indentation size effect (ISE) of germanium single crystals, nano-indentation experiments were carried out on the (100), (110) and (111) plane-orientated germanium single crystals. The true hardness of each crystal plane of germanium single crystals was calculated based on the Meyer equation, proportional sample resistance (PSR) model and Nix—Gao model, and the indentation size effect (ISE) factor of each crystal plane was calculated. Results show that, the germanium single crystals experience elastic deformation, plastic deformation and brittle fracture during the loading process, and the three crystal planes all show obvious ISE phenomenon. All three models can effectively describe the ISE of germanium single crystals, and the calculated value of Nix—Gao model is the most accurate. Compared with the other two crystal planes, Ge (110) has the highest size effect factor m and the highest hardness, which indicates that Ge (110) has the worst plasticity.     

WC-Co硬质合金离子束表面改性研究

研究了注入不同剂量Ｍｏ,Ｍｏ＋Ｃ离子及Ｔｉ,Ｔｉ＋Ｙ离子的ＷＣ－Ｃｏ硬质合金的硬度、成分及相组成的变化,经离子注入后,材料表面硬度显著提高,其中双元注入比单元注入效果要好,相分析表明,离子注入使ＷＣ晶面间距增大,稀土元素Ｙ的注入在材料表面形成了Ｙ的氧化物膜层。     

Ti-Al-N 涂层的组织结构与摩擦学性能

目的采用多元等离子体注入与沉积(MPIIID)技术制备Ti-Al-N涂层,系统研究涂层的微观组织结构、力学性能与摩擦学特性。方法借助XRD,XPS,SEM和TEM等,观察分析Ti-Al-N涂层的微观组织结构与物相组成,采用纳米压入试验仪、布氏硬度试验仪、摩擦磨损试验仪和激光共聚焦显微镜等测试分析Ti-Al-N涂层的力学性能、膜基结合力和摩擦磨损性能。结果 Ti-Al-N涂层表现出较高的膜-基结合强度。Al元素掺杂诱发Ti-Al-N涂层发生严重晶格畸变。当Al原子数分数为6.18%时,Ti-Al-N涂层以c-TiAlN相结构为主,表现出超高硬度(达到39.83 GPa);随着Al元素含量增加,涂层中的软质h-TiAlN相结构增多,硬度随之下降。摩擦试验结果表明,低Al含量Ti-Al-N涂层的抗磨损能力良好,其主要磨损机制为磨粒磨损;高Al含量Ti-Al-N涂层的抗磨损能力较差,其主要磨损机制倾向粘着磨损。结论 MPIIID技术成功实现了Ti-Al-N涂层的低温制备与成分调控,低Al含量的Ti-Al-N涂层具有优良的力学性能和优异的抗磨损能力。     

C_n团簇注入制备石墨烯的研究进展

石墨烯是碳原子构成的单层二维晶体,在高频电子学和光电子器件领域具有广泛应用前景,厚度可控的大面积石墨烯的制备是实现规模化应用的前提。文中在介绍现有石墨烯制备技术优缺点的基础上,重点介绍了近几年离子注入过渡金属镍制备石墨烯的研究成果。研究表明:在低能碳团簇C_n注入制备石墨烯的过程中,离子能量、注入剂量、团簇尺寸、基体材料特性和退火条件是影响石墨烯物理性质的重要因素。团簇离子注入在基体表层引起的辐照损伤具有非线性效应,精确控制剂量的C_n团簇注入到基体中主要起到提供可控掺杂碳源的作用,高质量石墨烯的合成需要进行多晶基体预热处理以减少晶界密度,同时需采取精细的后续热处理工艺,控制碳原子在基体表面横向扩散和偏析,以满足石墨烯形核生长的关键条件。     

铁基非晶粉末对金刚石工具胎体的影响

将不同质量分数（分别为0,5%,10%和15%）的铁基非晶粉末加入铁基预合金粉末胎体中,通过热压烧结制成胎体试样后,测试其洛氏硬度、抗弯强度及磨损率。当不添加非晶粉末时,普通胎体的洛氏硬度、抗弯强度和磨损率分别为104.6 HRB, 610 MPa和3.3;加入10%的非晶粉末后,其洛氏硬度和抗弯强度分别提高至107.7 HRB和965 MPa,比原胎体分别提高了3.0%和58.2%,磨损率降低至0.9,降低了72.7%;加入15%的非晶粉末后,其洛氏硬度和抗弯强度分别提高至110.0 HRB和790 MPa,分别提高了5.2%和29.5%,磨损率降低至0.6,降低了81.8%。因而铁基非晶粉末的加入可以显著提高胎体试样的机械性能和耐磨性。此外,铁基非晶粉末的DSC及XRD测试发现,在500～700℃时,铁基非晶粉末会产生晶体化相变,NiSi相中融入了B元素转化成NiSiB相,CrFe相中融入了Si元素形成SiCrFe相,都起到改善胎体结构、提高胎体性能的目的。     

NiTi合金表面类金刚石膜的表面特征和腐蚀行为

采用等离子浸没离子注入和沉积（PIIID）法以C2H2为等离子源对NiTi合金进行表面改性。利用Raman光谱分析膜层结构。采用原子力显微镜和纳米压痕分析涂层前后NiTi的表面形貌和力学性能。利用电化学测试、扫描电镜和原子吸收光谱测试涂层前后基体的耐腐蚀性和Ni离子析出。结果表明：NiTi合金表面的膜层是类金刚石（DLC）；经过PIIID处理后，基体表面的粗糙度降低；纳米硬度得到提高；耐腐蚀性能获得明显改善；Ni离子析出得到有效的抑制。     

Ti-Mo-Zr-Fe合金的微观结构与纳米压入特性的关系

通过不同的热处理制度控制TMZF合金中的相组成和含量，利用XRD分析确定各种相结构。利用纳米压入测量仪测试了不同组织结构下的硬度和弹性模量。结果表明，当合金中存在ω相时，合金的的硬度和弹性模量最高，随着热处理温度的提高，合金中的ω相消失，代之而来的是α相，而且越接近β转变温度，α相含量越少，对应的弹性模量和硬度越来越低。对于Ti—Mo—Zr-Fe合金来说压入性能（硬度、弹性模量）与相成分之间存在着良好的匹配关系。     

Ti6Al4V合金表面离子注入N+C,Ti+N和Ti+C性能研究

采用等离子体基离子注入的方法在Ti6Al4V合金表面分别注入N+C、Ti+N和Ti+C元素,注入剂量均为2×1017 ions/cm2,N+C和Ti+N元素的注入负脉冲偏压为-50 kV,Ti+C元素的注入电压分别为-20 kV、-35 kV和-50 kV。通过X射线光电子能谱仪（XPS）和X射线衍射仪（XRD）对注入层进行了微观结构分析,结果表明：Ti+C注入层中存在TiC和Ti-O,Ti+N注入层中存在TiN和Ti-O键。采用纳米压痕仪和球盘磨损试验机对注入层的硬度和摩擦学性能进行了研究。结果表明：在相同注入电压下,Ti+C注入层的硬度最高,其次是Ti+N注入层,N+C注入层的硬度最低;Ti+C 注入层的硬度随着注入电压的增大而增大,最大硬度为11.2GPa。50kV注入层Ti+C具有最低的比磨损率,其值为6.7×10-5mm3/N.m,比磨损率较未处理Ti6Al4V基体下降了1 个数量级以上,表现出优异的耐磨损性能。     

Properties of Zr-ZrC-ZrC/DLC gradient films on TiNi alloy by the PIIID technique combined with PECVD

The Zr-ZrC-ZrC/DLC gradient composite films were prepared on TiNi alloy by the techniques combined plasma immersion ion implantation and deposition (PIIID) and plasma enhanced chemical vapor deposition (PECVD). With this method, the Zr-ZrC intermixed layers can be obtained by the ion implantation and deposition before the deposition of the ZrC/DLC composite film. In our study, an optimal gradient composite film has been deposited on the NiTi alloys by optimizing the process parameters for implantation and deposition. The surface topography was observed through AFM and the influence of the deposition voltage on the surface topography of the film was investigated. XPS results indicate that on the outmost layer, the Zr ions are mixed with the DLC film and form ZrC phase, the binding energy of C 1s and the composition concentration of ZrC depend heavily on the bias voltage. With the increase of bias voltage, the content of ZrC and the ratio of sp³/sp² firstly increases, reaching a maximum value at 200 V, and then decreases. The nano-indentation and friction experiments indicate that the gradient composite film at 200 V has a higher hardness and lower friction coefficient compared with that of the bare NiTi alloy. The microscratch curve tests indicate that gradient composite films have an excellent bonding property comparing to undoped DLC film. Based on the electrochemical measurement and ion releasing tests, we have found that the gradient composite films exhibit better corrosion resistance property and higher depression ability for the Ni ion releasing from the NiTi substrate in the Hank's solution at 37°C.