对纳米压痕的加载曲线、压痕能量、及相关尺寸效应的研究

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	对纳米压痕的加载曲线、压痕能量、及相关尺寸效应的研究
	谭孟曦
学位类型	硕士
导师	卢柯
	2006-06-19
学位授予单位	中国科学院金属研究所
学位授予地点	金属研究所
学位专业	材料学
关键词	硬度弹性模量压痕能量尺寸效应
摘要	纳米压痕仪是现代力学性能测试的重要手段。由于纳米压痕仪可以控制非常小的位移，并且具有极高的载荷分辨率，因而在测量微/纳米尺度材料的力学性能上得到了广泛应用。另外，由于实验样品的制备及仪器的操作简单易行，因而也是一般匀质材料力学性能检测的常用设备。本文通过对纳米压痕仪基本技术的分析以及对单晶Cu（110）、多晶Mo、Mg基合金、熔融SiO2、及纳米表面化Cu的实验，对纳米压痕的加载曲线、压痕能量、及相关的尺寸效应等进行了分析与研究，得到了以下的主要结论：（1）对Xu等[16]提出的从一条加载曲线计算硬度-位移关系的方法进行了分析，发现可以通过改善面积函数的使用来提高硬度计算的精度。对于对应变速率敏感的材料，考虑了加载速率的影响。对计算方法的误差也给予了详细分析。（2）应用棱锥形及圆锥形压头时，一般匀质材料的接触刚度-位移（压入深度）关系为线性。该关系可从两个压入深度不同的压痕实验得到，利用该关系能从任意一条加载曲线计算出材料的硬度-位移关系。（3）定义了两种以能量为基础的硬度：Hwt（产生单位接触体积所需要的总功）与Hwp（产生单位体积的塑性变形所需要的塑性功），实验证明它们都能很好地表征材料的硬度；与传统的Meyer硬度相比，它们具有更佳的尺寸比例关系（scaling relationship）。（4）对与能量相关的各种尺寸比例关系进行了分析，并指出Cheng等提出的方法[23,24]不能作为通用公式精确地计算出一般材料的硬度与弹性模量。（5）得到硬度-位移关系的通用表达式H=H0(1+l0/(h+h0))1/2，式中h为位移， h0是表征材料尺寸效应强弱的因子，H0与l0均为常数。（6）分析与实验都显示，对于没有尺寸效应的材料，压头的钝化是加载曲线描述方程偏离理论预测的主要原因；对于有压痕尺寸效应的材料，加载曲线描述方程主要受压头钝化及尺寸效应的影响。（7）应力指数n（蠕变系数m的倒数，即1/m）会随着SMAT Cu晶粒度的减小而略有降低（即m值稍有增加），但不明显。对Berkovich压头与Cube-corner压头，蠕变系数一致随着压入深度的增加而减小，并最终达到一个稳定值，这是因为Cu的蠕变尺寸效应主要是由压痕下密集位错所提供的短程原子扩散通道所控制。（8）对SMAT（surface mechanical attrition treatment）Cu的硬度进行了测量，得到硬度在晶粒度大于约100nm时遵循Hall-Petch关系，在晶粒度小于100nm时硬度基本上不再变化。
页数	104
语种	中文
文献类型	学位论文
条目标识符	http://ir.imr.ac.cn/handle/321006/16839
专题	中国科学院金属研究所
推荐引用方式 GB/T 7714	谭孟曦. 对纳米压痕的加载曲线、压痕能量、及相关尺寸效应的研究[D]. 金属研究所. 中国科学院金属研究所,2006.