纳米压痕方法在材料研究中的应用

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1、纳米压痕方法在材料研究中的应用汇报人：陈聪汇报内容一薄膜材料的相关力学性能测试二材料中相变的研究三材料的微区力学性能表征四晶体学缺陷的相关研究五展望与存在的问题概述传统材料力学性能测试方法的局限纳米压痕技术也称深度敏感压痕技术，是最简单的测试材料力学性质的方法之一，可以在纳米尺度上测量材料的各种力学性质。薄膜材料的相关力学性能测试硬度(H)、模量(E)和断裂韧性(K)是薄膜材料最关键的几个力学性能指标。1.在传统测试方法中，薄膜的硬度可以通过微型维氏或者努普硬度压头进行测量；薄膜的模量则通过拉伸试验机法、鼓胀测量法或者超声波测速法进行测量。不足之处：装置复杂、参数较多，精度较差、效率较低

2、。2.纳米压痕方法具有操作方便、样品制备简单、测量和定位分辨力高、测试内容丰富等特点，通过连续记录载荷和压人深度两种参数以分析材料多种力学性能。由于不能精确地计算出压头和薄膜的接触面积，使测量的硬度值偏离真值。解决办法：薄膜材料的相关力学性能测试材料中相变的研究利用纳米压痕方法可以测量出材料的载荷一位移曲线，它可以反映出压头压入过程中材料是否发生了固态相变。1.利用纳米压痕研究48.28%Ti-51.72%Ni薄膜伪弹性特点，其载荷--位移曲线(图1)表明，在相同外力加载条件下，随着热处理温度的升高，Ti—Ni薄膜的弹性恢复程度越明显。图1最大载荷为10mN、经不同条件热处理后的Ti—N

3、i薄膜的载荷一位移曲线材料中相变的研究2.利用纳米压痕法使用球形压针研究Ti--50.2%Ni块状金属的形状记忆效应，其载荷一位移曲线如图2所示。压头压入过程中的高形变回复率证明了应力诱发马氏体转变的发生。材料的微区力学性能表征利用纳米压痕方法分析材料微区的力学性能。1.利用纳米压痕方法测试Ti一6Al一4V合金中α相的硬度和模量。图3为α相中压痕的形貌。实验结合EBSD方法分析了晶体学取向。材料的微区力学性能表征2.图4是不同压点所在晶面的反极图，代表了测试平面上不同晶粒的取向在3个特征晶体学方向的投影。3.碳化物的硬度和断裂韧性。利用纳米压痕的方法可以测量其硬度和断裂韧性指标，研究结

4、果表明MC-3型碳化物具有高硬度、高断裂韧性特点。晶体学缺陷的相关研究研究材料中晶体学缺陷的存在形式和变化规律；探索晶体学缺陷自身发生变化后在位移载荷曲线中的反应。1.研究Ti-6Al一4V合金中不同晶体学取向的a相压痕下方位错分布特点。解释了力学性能各向异性的原因。2.晶界研究领域。利用透射电子显微镜中的原位纳米压痕平台研究Mg原子对A1一Mg薄膜中晶界可动性的影响，实验过程如图5所示。图5原位纳米压痕平台晶体学缺陷的相关研究3.材料晶体学缺陷的变化会影响材料的力学性能，硬度的变化可以通过维氏硬度等方法测量，而尺度较小的材料中晶体学缺陷的变化可以通过纳米压痕予以检测。展望与存在问题1.

5、展望从原子量级到微米级研究材料各种性能的重要途径；发展潜力广泛。2.问题（1）研究较少，并没有完整的力学模型（2）尚未发现滑移受阻时孪生主导的变形机制。（3）变温测试平台尚未完善。参考资料1.王力衡，黄运添，郑海涛．薄膜技术[M]．北京：清华大学出版社，1991：1432.田民波，刘德令．薄膜科学与技术手册(上册)[M]．北京：机械工业出版社，1991：1673.张泰华．微／纳米力学测试技术及其应用[M]．北京：机械工业出版社，2004：44.KingRB．Elasticanalysisofsomepunchproblemsforalayeredmedium[J]．IntJSolidsS

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