纳米压痕.doc

纳米压痕实验一、实验目的 1. 了解材料微纳米力学测试系统的构造、工作原理。 2. 掌握载荷- 位移曲线的分析手段。 3. 用纳米压痕方法测定电沉积镍镀层的杨氏模量与硬度。二、实验仪器和设备 TriboIndenter 型材料微纳米力学测试系统(见附录) 三、实验原理与方法纳米压痕技术又称深度敏感压痕技术, 它通过计算机控制载荷连续变化,并在线监测压入深度。一个完整的压痕过程包括两个步骤,即所谓的加载过程与卸载过程。在加载过程中,给压头施加外载荷,使之压入样品表面,随着载荷的增大,压头压入样品的深度也随之增加,当载荷达到最大值时,移除外载,样品表面会存在残留的压痕痕迹。图1 为典型的载荷- 位移曲线。从图 1 中可以清楚地看出,随着实验载荷的不断增大,位移不断增加,当载荷达到最大值时, 位移亦达到最大值即最大压痕深度 maxh ;随后卸载, 位移最终回到一固定值, 此时的深度叫残留压痕深度 rh , 也就是压头在样品上留下的永久塑性变形。刚度 S 是实验所测得的卸载曲线开始部分的斜率,表示为 h PSd d u?(1) 式中, uP 为卸载载荷。最初人们是选取卸载曲线上部的部分实验数据进行直线拟合来获得刚度值的。但实际上这一方法是存在问题的, 因为卸载曲线是非线性的, 即使是在卸载曲线的初始部分也并不是完全线性的, 这样, 用不同数目的实验数据进行直线拟合, 得到的刚度值会有明显的差别。因此 Oliver 和 Pharr 提出用幂函数规律来拟合卸载曲线,其公式如下?? mhhAP fu??(2) 载荷位移 max h rh max PS 卸载曲线加载曲线图1典型的载荷-位移曲线其中,A 为拟合参数, fh 为残留深度, 即为 rh , 指数 m 为压头形状参数。m ,A 和 fh 均由最小二乘法确定。对式(2) 进行微分就可得到刚度值,即?? 1f max ud d ????? m hhhhAmh PS (3) 该方法所得的刚度值与所取的卸载数据多少无关, 而且十分接近利用很少卸载数据进行线性拟合的结果,因此用幂函数规律拟合卸载曲线是实际可行的好方法。接触深度 ch 是指压头压入被测材料时与被压物体完全接触的深度,如图 2 所示。在加载的任一时刻都有 schhh??(4) 式中,h 为全部深度, sh 为压头与被测试件接触处周边材料表面的位移量。接触周边的变形量取决于压头的几何形状,对于圆锥压头?? rsπ 2πhhh???(5) S Phh???2 r (6) 故S Phε s?(5a) 则S Phhε c??(7) 对于圆锥压头,几何常数?? 2ππ 2ε???,即 ε?。同样可以算得,对于平直圆柱压头 ?,对于旋转抛物线压头 75 .0ε?,对于 Berkovich 压头建议取 75 .0ε?。接触面积 A 取决于压头的几何形状和接触深度。人们常常用经验方法获取接触面积 A 卸载后的材料表面最大压力下的材料表面 a Ph rh ch(h max ) h s原始表面图 2压头压入材料和卸载后的参数示意图与接触深度 ch 的函数关系?? chA ,常见的面积函数为?????? 41c4 21c3c2 2c1hChChChCA (8) 式中, 1C 取值为 ,对于理想压头,面积函数为 2c56 .24hA?。 2C 、