钨单晶纳米压痕尺寸效应研究

利用纳米压痕仪和扫描探针显微镜对高纯钨单晶的载荷-位移曲线、弹性模量、压痕形貌、纳米硬度-加载深度以及弹性回复率的变化情况进行了研究。结果表明,W(111)晶面在加载和卸载过程中分别经历了弹性变形和塑性变形阶段,荷载-位移曲线未出现不连续现象,表明在加载过程中压痕内部未产生裂纹或脆性断裂;钨单晶的残余压痕表现出堆积形貌,表明钨单晶有较低的加工应变硬化趋势;采用连续刚度法测量了钨单晶的纳米压痕硬度以及弹性模量,结果表明,钨单晶纳米压痕硬度和弹性模量存在尺寸效应,即随着加载深度的增加,单晶的纳米压痕硬度和弹性模量减小;采用 Nix-Gao 模型对钨单晶的纳米压痕力学特征和进行了分析,计算了钨单晶的微观特征长度（h^*）为1490nm,无压痕尺寸效应时的纳米硬度值（H_0）为6.79GPa,尺寸效应因子（m）为0.18,即压入深度小于1490nm时,钨单晶具有明显的尺寸效应,当压入深度超过1490nm时,尺寸效应将减弱。当压入深度超过2450nm时,钨单晶的纳米尺寸效应将消失。     

铱单晶的纳米压痕尺寸效应研究

采用纳米压痕技术和原子力显微镜对铱(Ir)单晶(100)和(110)取向的载荷-位移曲线、弹性模量、压痕形貌、压痕硬度-加载深度等进行了研究。结果表明,Ir(100)与Ir(110)单晶的弹性模量分别为477和493 GPa;加载深度为10~2500 nm时,Ir单晶的纳米压痕硬度存在压痕尺寸效应,在10~500nm时表现更为强烈,表明随着加载深度的增加,单晶材料的硬度减小;基于Nix-Gao模型,计算出Ir(100)和Ir(110)单晶的纳米硬度H0分别为2.32和2.46 GPa,当加载深度分别大于4910和5220 nm时,Ir单晶的纳米硬度不存在尺寸效应,可作为金属铱硬度测试的重要依据;采用硬度和深度的幂律关系计算出Ir(100)和Ir(110)单晶的尺寸效应因子(m)分别为0.44和0.48,该值远远大于其他金属和半导体材料,这种反常现象可能与铱原子间的异常强的交互作用有关。     

不同晶体取向Mo-Nb单晶的纳米压痕尺寸效应

采用纳米压痕仪和扫描探针显微镜对Mo-Nb合金单晶(110)、(111)、(112)晶面的载荷-位移曲线、弹性模量,压痕形貌、纳米硬度-加载深度以及弹性回复率的变化进行了研究。结果表明,Mo-Nb单晶具有较好的塑性变形能力,Mo-Nb单晶的各晶面在加载和卸载过程中分别经历了弹性变形和塑性变形阶段,荷载-位移曲线未出现突进或突退现象,表明在加载和卸载过程中压痕内部未产生裂纹或脆性断裂;材料的残余压痕呈现凸起形貌,表明Mo-Nb单晶有相对较低的加工应变硬化趋势;采用连续刚度法测量了Mo-Nb单晶的纳米硬度和弹性模量,3个晶面的纳米硬度均呈现出随着加载深度的增加而减小的趋势,表现出明显的压痕尺寸效应;3个晶面纳米硬度和弹性模量的大小关系为:(110)晶面(112)晶面(111)晶面;基于Nix-Gao模型计算了(110)、(111)、(112)晶面的无压痕尺寸效应时的纳米硬度(H_0)分别为3.96、2.61和3.47 GPa,尺寸效应因子(i)分别为0.18、0.16和0.18,微观特征长度(h*)分别为1196、2753和1559 nm。压入深度小于微观特征长度时,Mo-Nb单晶具有明显的尺寸效应,压入深度超过该长度时,尺寸效应将减弱,当压入深度分别超过4106、5645和4693 nm时,纳米压痕尺寸效应将消失。     

单晶铱纳米压痕下位错形核与形变研究

对(100)和(110)不同面的铱单晶进行了纳米压痕实验,拟合计算得到(100)与(110)面上铱单晶位错激活体积分别为1.09×10~(-3)nm~3、1.23×10~(-3)nm~3,证明该实验条件下位错来源于点缺陷的非均质形核;如果位错为均质形核,则位错激活能需达到60.57eV,激活半径达到1.971nm。在对(100)和(110)面的塑性变形中位错密度进行分析时,发现它们变形后位错密度在10~(14)m~(-2)左右,没有出现铱单晶变形后位错密度呈指数级增加的情况;金属铱发生脆性断裂或许因为铱中极小的位错激活体积导致铱产生大量的位错源及位错间剧烈的交互作用。     

纳米尺度单晶锗各向异性摩擦磨损性能试验研究

利用纳米压痕仪和原子力显微镜,分别对单晶锗Ge(100)、Ge(110)、Ge(111)3种晶向的表面进行纳米尺度下的摩擦磨损试验。在较大载荷的条件下,3种不同晶面取向的单晶锗磨损情况均呈现沟槽形式,沟槽两侧出现明显的碎屑堆积现象。在划痕试验过程中,单晶锗的磨损性能受晶面取向影响较小;单晶锗的摩擦力随着滑动速度的增加而增加。而且,随着滑动速度的增大,晶体表面出现严重的磨损-沟槽损伤,沟槽两侧碎屑堆积的体积也越来越大,沟槽的深度也逐渐增大;单晶锗在较低载荷下,摩擦力基本保持稳定,但随着载荷的增大,单晶锗的摩擦力呈非线性增长,载荷增大一定值时,晶体表面发生明显的由塑性变形向脆性破坏转变的脆塑转变过渡过程,导致单晶锗表面发生脆性剥离,形成沟槽两侧碎屑堆积。     

Ti-24Nb-4Zr-8Sn合金单晶纳米压痕研究

利用纳米压痕仪研究Ti-24Nb-4Zr-8Sn (Ti2448)合金不同取向单晶体的硬度和弹性模量.结果表明:Ti2448合金单晶表现出各向异性,不同晶面的压入模量和纳米压痕硬度值不同,(001)、(011)和(111)晶面的压入模量分别为68.1、69.1和78.9 GPa,纳米压痕硬度分别为3.5、3.5和3.0 GPa;不同晶面压入模量和纳米压痕硬度的相对大小规律与常规方法测量结果一致,但无法相互换算.     

纳米压痕实验中单晶Cu初始塑性变形的准连续介质模拟

采用准连续介质方法模拟了纳米压痕实验中单晶Cu初始塑性变形过程．采用3种不同宽度的纳米尺度压头,得到了载荷压痕位移关系曲线,确定了3种不同宽度压痕下位错发射的临界载荷．临界载荷的大小与能量理论的预测结果基本一致．通过对压头下方位移场的分析,揭示了加载过程中位错形核的力学特征和微观结构特征;得到了压头下方几何必需位错密度增加的一般规律．定性地分析了卸载过程中位错的运动与湮灭．     

压痕功方法确定材料的纳米硬度

在综合考虑压头尖端处的钝化效应以及压痕过程中材料的自由表面积变化等因素的基础上,对确定材料硬度的压痕功方法进行了改进.用这一改进的方法分析了钠钙硅酸盐玻璃的纳米压痕实验数据,发现所获得的硬度值与常规的Oliver-Pharr方法所获得的结果一致.     

晶体取向对镍基单晶高温合金纳米压痕行为的影响

为了研究晶体取向对镍基单晶高温合金纳米压痕行为的影响，采用带原子力显微镜的Berkovich压头对[001], [011]和[111]取向的镍基单晶高温合金开展了纳米压痕试验。试验结果显示晶体取向对压痕载荷-深度曲线、硬度和弹性模量有显著影响。晶体取向会影响γ^"强化相形状和体积分数，进而会影响其力学性能。采用晶体塑性理论对三种典型晶体取向下的纳米压痕响应和分解切应力分布开展有限元模拟，模拟结果与试验结果符合得较好。     

纳米压痕法测量经深冷处理后铝青铜的硬度和弹性模量

借助纳米力学测试系统测试经深冷处理后铝青铜的硬度和弹性模量。结果表明:深冷处理后铝青铜的硬度和弹性模量分别为3.82GPa和117.67GPa,且铝青铜的硬度随压入深度的增加而逐渐降低,反映出硬度存在的尺寸效应,但弹性模量不存在尺寸效应现象。     

Al薄膜纳米压痕过程的多尺度模拟

采用多尺度准连续介质法分别模拟无缺陷和具有初始缺陷两种状态下,单晶Al薄膜纳米压痕初始塑性变形过程,得到载荷-位移响应曲线和应变能-位移变化曲线.研究了初始缺陷对纳米压痕过程中位错形核与发射、Peierls应力以及位错发射.临界载荷的影响.结果表明,在整个纳米压痕过程中出现了多次位错形核与发射现象,初始缺陷对第1和第3对位错的形核与发射影响较小,而对第2对位错的形核与发射具有明显的推迟作用,并伴随有裂纹扩展现象;由于初始缺陷引起薄膜材料内部严重的晶格畸变,导致系统应变能和位错运动的Peierls应力增加;裂纹扩展前,发射第2对位错需要的临界载荷增加,裂纹失稳后,位错发射需要的临界载荷下降.模拟获得的纳米硬度和Peierls应力与实验结果吻合.     

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。     

单晶纳米钽粉的电弧等离子体法制备

采用电弧等离子体法成功制备了单晶态的纳米钽超微粒子，采用透射电子显微镜(TEM)、高分辨电子显微镜(HRTEM)对样品进行形貌、微观结构的观察和分析，发现它具有规则的表面，平均粒径大小在10am左右。并通过X射线衍射(XRD)分析其组成成分，发现在所制备的样品中除钽外还含有氧化钽(δ-TaO)，估计是由于纳米钽粒子被氧化所形成的产物。     

镍基单晶合金压痕蠕变研究

为了探索用压痕法确定晶体学蠕变应力指数的可行性,采用晶体塑性理论模型对不同取向镍基单晶合金压痕蠕变行为进行了有限元模拟。研究表明,晶体学对称性会导致压痕表面应力呈现特定的对称性;晶体取向对压痕蠕变深度及其扩展速率具有显著的影响。通过开展不同载荷下的压痕蠕变模拟,获得相应的稳态压痕深度扩展速率,再通过线性回归的方法可有效获得晶体学蠕变应力指数。本文提出的确定蠕变应力指数的方法不受晶体取向的影响,有望应用于各向异性高温合金蠕变性能评估。     

恒应力下BaTiO3单晶压痕裂纹的滞后扩展和畴变

原位研究了残余应力和外加应力导致BaTiO3单晶压痕裂纹在湿空气和水中的滞后扩展及畴变．结果表明;很小的外应力就可使压痕裂纹扩展,裂尖的应力场强度因子KI=0．242σ√c＋0．0117d√YP／c^3／2．残余应力能使卸载压痕裂纹在湿空气和水中滞后扩展并使裂纹所围的畴变区增大．在水中外加恒应力,经过一定时间后畴变区先增大,然后才导致裂纹滞后扩展．     

基于准连续介质法预测薄膜材料纳米硬度和弹性模量

采用准连续介质法模拟了单晶Al和单晶Cu纳米压痕实验中的初始塑性变形过程,获得了压头在不同压深下的加载和卸载曲线.在计算得到的载荷-压深曲线基础上,根据Oliver-Pharr法计算了薄膜材料的接触刚度、纳米硬度和弹性模量,并与相关文献的实验结果进行了比较.研究表明,接触刚度-位移曲线呈线性关系;纳米硬度测量中存在尺寸效应,而在弹性模量测量中却不存在尺寸效应.单晶Al和单晶Cu纳米硬度和弹性模量计算值分别为(0.584±0.013)和(84.088±0.332)GPa,(0.755±0.027)和(131.833±4.449)GPa.预测值与实验结果吻合,表明使用该方法预测薄膜材料的纳米硬度和弹性模量是可行的.     

纳米压痕法研究n-Al2O3/Ni复合镀层的微观力学性能

应用纳米压痕法测试钢基体上n-Al2O3/Ni复合电刷镀层的硬度、弹性模量以及抗蠕变等性能,研究了镀层力学性能随镀层厚度的分布规律.结果表明,在整个厚度范围内复合镀层的力学性能一致,无明显的梯度分布.镀层内部存在缺陷的区域硬度和弹性模量降低,特别是枝状晶内部的组织疏松引起较大区域的性能降低,而枝状晶交界处形成的空隙对周围镀层性能没有明显影响.复合镀层的平均硬度和弹性模量分别为6.34GPa和161GPa,硬度为钢基体的2.4倍,复合镀层的压痕蠕变与传统单轴压缩蠕变过程相似,稳态蠕变速率约0.1nm/s.     

加载速率和峰值载荷对DD407镍基单晶高温合金纳米压痕蠕变行为的影响

在加载速率500～6000 uN/s和峰值载荷4000～12000 uN的条件下进行纳米压痕蠕变实验,研究DD407镍基单晶高温合金在室温下的蠕变行为.结果表明:DD407镍基单晶高温合金具有良好的蠕变抗力性能,但其蠕变性能对加载速率和峰值载荷敏感.依据Findley模型,得到拟合的蠕变参数随着加载速率和峰值载荷的增加...     

基于分子动力学单晶硅的纳米压痕过程研究

基于分子动力学的基本理论,在微纳米尺度下建立了单晶硅的纳米压痕分子动力学模型。研究了在纳米压痕过程中单晶硅基体的变形机理、势能变化和温度变化。研究发现:在纳米压痕过程中基体上出现了位错、空位及滑移带,基体两侧有凸起现象。当压头撤离时,基体与压头间存在颈缩现象。在系统达到平衡时系统的势能出现不同,这是因为原子位错运动使得系统增加的势能小于压头原子所做的功。温度的变化与位错变形的程度相关,位错变形越剧烈系统温度升高的越快。     

时效处理对镍基单晶高温合金显微组织和硬度的影响

针对不同γ′相体积分数(30%和60%)、经不同时间时效后(0、100、500和1000 h)的镍基单晶高温合金,利用X射线衍射仪(XRD)、扫描电镜(SEM)、原子力显微镜(AFM),并结合纳米压痕试验研究了时效处理对镍基单晶高温合金微观结构和硬度的影响。结果表明,随着时效时间的增加,合金γ′相尺寸逐渐增大。γ′相体积分数为30%和60%的合金中γ′相的形态分别为球形和立方形,γ′相的形态并未随着时效时间增加而发生明显变化;同时,由于60%γ′相体积分数的合金难熔元素含量较高,在时效处理过程中产生了TCP相。时效后,两种沉淀体积分数的合金都呈现出显著的硬化效应,分析认为γ′相强化机制未发生转变。合金在压痕周围的堆积高度随着时效处理时间的增加逐渐增高,而堆积影响的范围逐渐减小。