小尺度下先進(jìn)材料彈塑性性能納米壓痕表征分析.pdf

1、納米壓痕技術(shù)是研究材料力學(xué)性能的主要測試方法之一，不僅可以研究材料的彈性變形行為，而且可以測試材料的塑性及斷裂特性。其中，在納米尺度下表征先進(jìn)材料純彈性、彈塑性轉(zhuǎn)變行為對(duì)于其耐磨性能和耐沖蝕性能的評(píng)價(jià)具有非常重要的科學(xué)意義和工程價(jià)值。相比于其它宏微觀測試表征尺寸，在納米尺度下對(duì)壓痕儀器的性能指標(biāo)要求更高，對(duì)樣品表面粗糙度要求更加苛刻。本文在考慮壓針形狀、加載速率、保載時(shí)間、樣品熱處理時(shí)間、樣品表面粗糙度等因素影響下，測試了等離子噴涂熱障

2、涂層、電子束物理氣相沉積熱障涂層、Zr64.5Cu15.75Ni10.12Al6非晶合金和Ti-22Nb-Ta多晶合金等幾種典型先進(jìn)材料的純彈性、彈塑性轉(zhuǎn)變特征，討論了每種材料的硬度尺度效應(yīng)，并采用赫茲接觸理論估算了材料彈塑性轉(zhuǎn)變點(diǎn)處應(yīng)力場及臨界剪切強(qiáng)度。主要研究內(nèi)容如下：
　　第一，在小尺度下對(duì)熱循環(huán)前后的等離子噴涂熱障涂層的彈塑性力學(xué)性能進(jìn)行了測試表征分析。由于樣品具有氣孔性和不均勻性，導(dǎo)致測試數(shù)據(jù)的離散性很嚴(yán)重。采用韋伯統(tǒng)計(jì)

3、分布方程對(duì)樣品的硬度和彈性模量進(jìn)行分析。原始樣品的硬度隨著壓痕深度的增加，在h<64.6nm時(shí)具有逆向尺度效應(yīng)，在64.6

4、彈性模量和真實(shí)硬度都隨著熱循環(huán)的增加呈現(xiàn)出先增加后減小的變化規(guī)律；分析和確定彈性變形和彈塑性變形的轉(zhuǎn)變載荷大小，并用赫茲接觸理論分析得到彈塑性轉(zhuǎn)變點(diǎn)的最大剪應(yīng)力分布。用赫茲接觸理論計(jì)算得到原始樣品、熱循環(huán)50次樣品、熱循環(huán)100次樣品、熱循環(huán)150次樣品和熱循環(huán)175次樣品的最大剪應(yīng)力分別是6.4、5.8、5.2、4.8和6.1GPa。
　　第二，研究了在不同熱處理?xiàng)l件下電子束物理氣相沉積熱障涂層樣品的彈塑性力學(xué)性能。由于樣品具有

5、氣孔性和不均勻性，導(dǎo)致測試數(shù)據(jù)的離散性比較大。采用韋伯模數(shù)分析方法對(duì)樣品的硬度和彈性模量進(jìn)行分析。當(dāng)P<3mN，樣品硬度隨著壓痕載荷的增加而增加，表現(xiàn)出一種逆向尺度效應(yīng)；彈性模量值比較穩(wěn)定，原始樣品、熱循環(huán)200次樣品和恒溫氧化400小時(shí)樣品的彈性模量平均值分別是146、195和199GPa。熱處理之后樣品的硬度和彈性模量都增加，其中恒溫氧化400小時(shí)的樣品測試數(shù)據(jù)比熱循環(huán)200次的數(shù)值偏大。用壓痕能量原理計(jì)算得到的原始樣品、熱處理20

6、0次樣品和恒溫氧化400小時(shí)樣品的真實(shí)硬度值分別是27.9、36.5和92.2GPa。用赫茲接觸理論計(jì)算得到原始樣品、熱處理200次樣品和恒溫氧化400小時(shí)樣品彈塑性轉(zhuǎn)變點(diǎn)的最大剪應(yīng)力值分別是6.9、7.4和4.8GPa。
　　第三，在小尺度下對(duì)Zr64.5Cu15.75Ni10.12Al6非晶合金和Ti-22Nb-Sn合金的力學(xué)性能進(jìn)行研究分析。對(duì)于Zr64.5Cu15.75Ni10.12Al6非晶材料，當(dāng)h<120nm時(shí)，其硬

7、度由10GPa逐漸減小到8.6GPa，表現(xiàn)出正壓痕尺度效應(yīng)；其彈性模量隨著壓痕深度的增加基本穩(wěn)定，變化范圍是155±12GPa；用壓痕能量原理得到真實(shí)硬度值是21.5GPa；根據(jù)赫茲接觸理論計(jì)算得到其彈塑性轉(zhuǎn)變點(diǎn)的最大剪應(yīng)力是6.1GPa。對(duì)于Ti-22Nb-Ta合金材料，當(dāng)h<285 nm時(shí),硬度由6.6GPa逐漸減小到2.5GPa，表現(xiàn)出正壓痕尺度效應(yīng)。彈性模量隨著壓痕深度的增加由89減小到69GPa；用壓痕能量原理計(jì)算得到的真實(shí)硬