微/纳米尺度构件力学性能测试技术研究

微纳米尺度构件作为微纳米机电系统的重要组成部分,其力学性能是设计、制造微纳米机电系统的重要参数,对微纳米机电系统的使用性能、可靠性、服役寿命等均会产生显著的影响.由于受到量子效应、尺度效应、表面效应的影响,传统的测试技术已无法满足需要.结合国内外微纳米尺度构件力学性能测试的最新动态,介绍了纳米压入法、鼓泡法、微拉伸法、微梁弯曲法等测试方法的机理、应用及存在的主要问题.最后指出了微尺度力学性能测试的发展方向.     

纳米压痕法测定微铸件硬度及弹性模量

利用新的金属型微精密铸造工艺制备微米尺度的ZnAl4微齿轮铸件,并用纳米压痕仪测试微铸件的硬度和弹性模量。结果表明,微齿轮铸件不同部位的硬度表现出梯度性,随晶粒尺寸的增加而减小,弹性模量的值比较分散。与常规尺寸铸件的显微硬度相比,微铸件硬度明显提高,最大达到1．70倍,而弹性模量则下降约50％。分析表明快冷造成的非平衡凝固组织是性能改变的主要原因。     

纳米压痕测试技术在复合材料中的应用研究

纳米压痕技术广泛应用于微纳米尺度材料原位力学性能的测试,介绍了近些年来纳米压痕技术在复合材料各组分、界面性能、残余应力等表征方面的应用,在此基础上提出了纳米压痕技术在复合材料应用中存在的问题,并结合今后研究方向展望了其发展趋势和应用前景。     

纳米压痕技术在工程材料研究中的应用

纳米压痕技术具有高灵敏度、操作简单等优点,可以在微纳尺度上获得块体材料、薄膜以及涂层等的多种力学性能参数。尤其随着材料基因组技术的推广,其将成为应用越来越广泛的力学性能表征方法。本研究介绍了纳米压痕技术的Oliver-Pharr方法原理,以及其在载荷-位移、硬度、弹性模量、断裂韧度、蠕变性能、残余应力、纤维界面性能表征方面的应用。在使用过程中仍存在一些问题需要注意和进一步研究:纳米压痕技术获得的力学性能参量需要考虑其测试模型的适用性;材料表面加工过程需要很高的技术及一致性,以最大减小甚至消除材料表面状态及物理特征对测试结果准确性和重复性的影响;由于测试位置较难精确定位,标准压头外形尺寸存在偏差以及设备本身的热漂移,纳米压痕测试重复性差。     

纳米压痕技术在材料力学测试中的应用

近年来,材料纳米级力学测试日益引起广大研究者的重视。纳米压痕仪凭借极高的载荷和位移分辨率,广泛应用于材料表面的微纳米级力学性能的测试,包括硬度、弹性模量、塑性应变、薄膜界面结合强度以及材料疲劳特性等。综述了几种纳米压痕和纳米冲击技术测试材料力学性能的方法和原理,介绍了纳米压痕技术在材料力学性能测试方面的若干先进应用实例及其测试机理,以及原子力显微镜和扫描探针显微镜在力学测试方面的原理和应用。最后,提出了纳米压痕仪存在的若干问题,并对纳米压痕技术的发展进行了展望,认为纳米压痕技术结合有限元模拟建立材料疲劳断裂模型,是纳米压痕在力学测试方面发展的必然趋势。     

微观力学性能与元素分布间的跨尺度评价

材料织构的原位力学性能(弹性模量、硬度)作为计算模拟和材料设计学中重构的基本参数至关重要。通过对高铬铸铁材料表面施加等静压得到显微组织的微区(纳米尺度)弹/塑性形变数据,从而实现样品表面织构力学参数的高通量跨尺度分布分析。同时,对映射区域应用光学显微镜、显微硬度仪、纳米压痕仪和扫描电镜进行微观组织及宏观力学性能的对比分析,所得数据与通过等静压试验所得结果一致。对比常规的测试方法,等静压技术不仅可无损、无腐蚀的得到表面织构的力学性能参数,还可得到高分辨跨尺度的微观组织图谱。     

新型探针问世 测量原子力有了纳米“触角”

正浙江大学胡欢研究员团队联合美国IBM沃森研究中心以及东华大学彭倚天教授团队合作发明出一种新型纳米球探针技术,可以精准测量纳米到微米尺度范围的界面,填补了该尺度空缺,解决了纳米摩擦学领域的重要技术瓶颈。原子力显微镜被用于研究物体接触时的"力量",其核心构件探针如同昆虫的"触角",能够将样品表面的作用力转换成微悬臂梁的弯曲,进而通过激光束探测到。其中球形原子力探针在形变、硬度、力学属性等方面更具优势。     

金属材料显微硬度压痕尺寸效应分析及其试验研究

利用显微硬度计和扫描电镜分别对电工纯铁DT4A、镍铍高弹合金97NiBe、化学镀镍层3种金属材料样品进行显微维氏硬度测试实验。绘制试验载荷与压痕对角线尺寸关系曲线,分析各曲线的拟合公式,建立模型。应用材料力学理论对模型进行深入分析,确定各参量的物理含义。根据各物理参量的含义,对微纳米尺度下出现硬度压痕尺寸效应现象的原因进行解释。结果表明,金属材料的显微维氏硬度表现出了显著的硬度压痕尺寸效应,用修正后的模型P0=a_1d+a_2d~2和HV_(micro)=0.189 1×(a_1/d+a_2)可以描述和解释硬度压痕尺寸效应现象。未修正模型中,a_0参数的物理含义是为了能准确反映设备试验力误差的物理量;a_1参数的物理含义是与样品的弹性模量、接触刚度、显微硬度和宏观硬度有关的物理量;a_2参数的物理含义是试验加载过程中压头压入试样表面产生塑性变形需要的压应力,其值近似等于5.288倍的宏观维氏硬度。金属材料显微维氏硬度压痕表面的接触刚度变化是其在微纳米尺度下存在压痕尺寸效应的主要原因。推导出的显微维氏硬度压痕表面的接触刚度计算模型为S=7Ed-7a1。     

单晶硅的纳米硬度测试分析

介绍了测量硬度的几种方法,分析了纳米压痕硬度测量的基本原理。用美国原位纳米力学测试系统中的TriboIndenter对单晶硅进行了试验研究。试验结果表明,由于尺寸效应纳米硬度值随着载荷的增大而逐渐减小,纳米级的压痕试验得到的单晶硅的硬度值要高于其他传统方法测得的宏观硬度值。     

热变形对TC11/Ti_2AlNb电子束焊接件力学性能的影响（英文）

应用纳米压痕和维氏硬度的方法表征了TC11/Ti_2Al Nb电子束焊接件焊缝区域在不同状态下的硬度和弹性模量分布,结合微观组织演变分析了微纳米尺度的力学变化。结果表明:在TC11合金的热影响区,马氏体α'相的分解是显微硬度降低的主要原因;而在焊缝以及Ti_2Al Nb热影响区区域,析出相导致了显微硬度的增加。通过热变形以及锻后热处理都能够提高焊接区域的弹性模量。相比较而言,焊接态的焊缝弹性模量只有92 GPa;而在变形和热处理后,弹性模量的值达到了130 GPa。通过拉伸实验结果分析,焊缝在变形及热处理后屈服强度得到了较大提高,这和焊缝区域硬度和弹性模量的变化趋势一致。     

微纳米覆盖层材料的力学性能表征探讨

使用Agilent公司G200微/纳米压痕仪对多种微纳米覆盖层材料的力学性能进行了测量。结果表明,通过连续刚度法测量微纳米涂层材料,可以获得涂层硬度和弹性模量,并能得到涂层硬度或弹性模量随厚度的变化规律;通过试验也可以看到,纳米压痕法测量膜材的力学性能存在明显的表面效应;基材对膜材的力学性能没有影响;膜材厚度越大,同一深度测得的膜材的弹性模量越高。     

Microstructure and mechanical behavior of ternary phase ZrB2-SiC-AlN nanocomposite

The ZrB₂-SiC nano composite was produced in a pressureless sintering method. The micro AlN powder was used as an additive. In order to investigate the effect of the simultaneous presence of nano and micro particles of SiC, the ZrB₂ powder with various percentages of nano and micro SiC particles were mechanically milled in a planetary mill for 2 h at a speed of 200 rpm. The resulting mixture was subjected to an initial hot press at 80 °C and a pressure of 100 MPa and then cold isostatic pressing was done (CIP) and the resulting sample sintered at 2150 °C. The AlN particles were then added to ZrB₂-SiC composite and its microstructure and mechanical properties were evaluated. The results show that by changing the volume percentage of nano SiC particles from 20% to 15% and 5% for the micro particles, the porosity decreases and the density increases. Microstructural analysis and mechanical properties of the samples showed the highest hardness (15.9 GPa) and fracture toughness (4.9 MPa.m^1/2) for the sample with 15 and 5 vol% of nano and micro SiC particles respectively. Addition of 7.5 vol% of AlN particles resulted to the density of 98.1% and the hardness and toughness values increased to 17.1 GPa and 5.7 MPa.m^1/2.     

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.     

钛合金表面微弧氧化膜的特点及成膜分析

用微弧氧化方法在钛合金上形成二氧化钛薄膜，用扫描电镜、X射线衍射以及透射电镜分析了膜的组织结构和化学成分，用纳米压入仪和划擦仪测量了膜的硬度和弹性模量及划擦抗力。结果表明，钛合金表面形成一层微弧氧化膜，含有纳米晶结构。薄膜由晶体和少量非晶体组成，硬度和弹性模量分别为0．78GPa和35．6GPa，划擦过程中未出现膜从基体表面的剥落，但高载荷下膜本身有破坏和脱落。     

Micro mechanical properties of n-Al2O3/Ni composite coating by nanoindentation

A new type of nano test system was introduced, the test principle and the indentation data analysis method were described. It was used to test the micro mechanical properties, such as hardness, elastic modulus and indentation creep property of n-Al2O3/Ni composite coating on steel prepared by brush plating, and the variety of mechanical properties with coating thickness was researched. The results show that the mechanical properties are basically identical within the whole coating, the hardness and modulus decrease in the defect fields, especially within the dendritic crystals, whereas the mechanical properties are not influenced greatly at the interspaces among dendritic crystals. The average hardness and elastic modulus of n-Al2O3/Ni coating are 6.34 GPa and 154 GPa respectively, and the hardness is 2.4 times higher than that of steel and the indentation creep curve of n-Al2O3/Ni coating is similar to that of the uniaxial compression creep, and the creep rate of steady-state is about 0. 104 nm/s. These results will supply useful data for process improvement, new type material development and application expansion.     

微/纳米力学技术对金属空泡腐蚀表层力学性质的定量表征

采用微/纳米力学测试技术,在研究奥氏体不锈钢空泡腐蚀规律的基础上,对奥氏体不锈钢受到空化作用后其金属表层的纵向截面微米硬度和腐蚀表层的纳米力学性能进行定量表征,研究奥氏体不锈钢腐蚀表层力学性能参数及其空间分布,并初步探讨腐蚀表层力学性质劣化与金属空泡腐蚀间的关系。结果表明,奥氏体不锈钢在空泡腐蚀过程中,表层中由硬度较小的腐蚀表层、硬度较大的硬化层和机体层构成。在空化作用下,因空化与介质腐蚀交互作用引起奥氏体不锈钢空泡腐蚀表层力学性质劣化,使得奥氏体不锈钢发生严重腐蚀,并存在空泡腐蚀表层力学性质劣化的阈值。其中,奥氏体不锈钢的空泡腐蚀表层纳米硬度起主要作用。无量纲函数--空泡腐蚀表层纳米硬度与弹性模量之比, 可用于描述金属空泡腐蚀表层力学性质劣化程度,并可与金属空泡腐蚀评价深度相关联。     

Mechanical characterization of nano-structured materials using nanoindentation

The principal strengths of the nanoindentation technique, which is used extensively to measure the mechanical properties of nano/micro materials, are easy sample preparation and simple experimental method. Hardness and Young's modulus are essential properties measured by nanoindentation; hardness corresponds to resistance to plastic deformation whereas Young's modulus is related to elastic deformation. Two key difficulties arise in association with nanoindentation on small volumes: measurement accuracy and material response. Here we discuss the indentation size effect (ISE) considering tip bluntness and variation in hardness of nano-multilayers with a bilayer period, representative research on measurement improvement, and material response at nanoscales.     

火花等离子烧结技术制备的WC/Co纳米硬质合金

研究了火花等离子烧结工艺与YG10、YG12两种纳米硬质合金性能的关系.然后采用火花等离子烧结技术制备了硬质合金功能梯度材料,该材料由纳米WC/10%Co、纳米WC/12%Co、微米WC/15%Co混合粉以及不锈钢圆片烧结而成.显微硬度压痕显示该材料各层间的应力较小.     

多尺度纳米银烧结接头连接强度及塑性

以低温烧结连接使用的纳米银膏为研究对象,通过计算获得银膏中纳米银颗粒与微米银颗粒的最佳配比并制备复合银膏. 研究了银膏中不同溶剂对接头孔隙形成的影响,对比了纳米银膏与复合银膏硬度、弹性模量及塑性因子. 结果表明,在250 ℃的烧结温度下松油醇和酒精的混合有机溶剂有利于烧结接头质量的提升,其烧结层孔隙率明显低于乙二醇制备的复合银膏烧结接头. 与纳米银膏烧结接头相比,复合银膏烧结层压痕面积较大,硬度与弹性模量较低. 当烧结时间为10 ~ 30 min时,复合银膏烧结层塑性因子高于纳米银膏烧结层.     

多尺度强韧化碳基润滑薄膜的研究进展

随着海洋、空间、核能等苛刻环境工况下机械装备的发展,兼具高硬度、高承载能力、良好韧性及优异摩擦磨损性能的强韧化复合碳基润滑薄膜成为类金刚石薄膜的研究重点。文中系统归纳和评述了碳基薄膜的多元/多相复合、梯度多层、纳米多层、微/纳表界面织构化等强韧化关键技术及其强韧化机制。包括纳米晶—非晶复合结构的界面强化效应和晶界滑移强韧化;功能化梯度/多层结构膜基界面匹配、应力缓冲和微裂纹抑制强韧化;纳米晶—非晶类石墨结构、类富勒烯结构以及微/纳表面织构强韧化机制等。这些技术大幅改善了类金刚石薄膜的韧性,提高了薄膜抗疲劳磨损性能,使其能有效应用于水润滑、油润滑、高温、真空、特殊气氛以及沙尘等极端苛刻环境。文中指出强韧化碳基薄膜将向着应对极端苛刻环境的多尺度复合强韧化、适应复杂多变环境的智能化,以及满足未来空间需求的超长寿命方向发展。