基于壓痕功的微納米表層硬度檢測技術研究.pdf

1、隨著微小零部件與薄膜材料的廣泛應用，對于材料微納米表層力學性能的檢測必須給予重視。在材料力學性能的檢測中，硬度是評價材料力學性能的一種簡單、高效的手段。然而材料微納米表層硬度的測量結果出現(xiàn)了硬度值隨著壓痕深度或載荷減小而增大的壓痕尺寸效應，并且不同的硬度評價方法計算得到的硬度值差別較大，導致無法得到材料微納米表層的真實硬度值。因此對于微納米表層硬度檢測技術及其理論方法的研究具有重要的現(xiàn)實意義和使用價值。
　　本文提出一種基于壓痕功

2、的微納米表層硬度檢測方法，并開發(fā)了樣機。基于壓痕功的材料微納米表層硬度檢測系統(tǒng)可以得到材料的載荷-壓深曲線和壓痕三維形貌，為獲得材料微納米尺度下的真實硬度和理解壓痕尺寸效應的產(chǎn)生根源提供理論基礎和實驗手段。
　　運用有限元分析軟件對純鋁試樣進行了微納米硬度的有限元仿真研究，建立了有限元仿真模型，通過仿真結果得到材料的載荷-壓深曲線和壓痕三維形貌，采用多種硬度計算方法評價和分析試樣硬度，提出了基于壓痕功的硬度檢測方法，認為采用通過分

3、段擬合并積分載荷-壓深曲線得到的塑性功除以壓痕塑性變形總體積得到的材料硬度值更能反映材料的真實硬度，更有利于建立起微納米尺度下硬度與宏觀硬度之間聯(lián)系。
　　針對基于壓痕功的微納米表層硬度檢測方法的要求，設計了集載荷力加載與壓頭位移測量功能于一體的測頭，采用電磁力方式進行載荷驅動，通過優(yōu)化驅動器結構，滿足了無摩擦、小尺寸、高分辨率和大載荷的設計要求。位移測量采用電容式位移傳感器，適用于小量程高分辨率的測量要求。載荷力驅動及位移測量控

4、制器的研制過程中采用合理的設計方案并充分考慮外界干擾的影響，取得了令人滿意的實驗效果。設計了一種將壓痕制備和形貌掃描功能相結合的微納米表層硬度檢測系統(tǒng)，并進行了樣機的研制。此檢測系統(tǒng)能同時獲得材料的載荷-壓深曲線和壓痕三維形貌，可靈活應用多種硬度計算方法獲得材料微觀硬度值。
　　在基于壓痕功的硬度檢測系統(tǒng)基礎上，通過實驗得到單晶鋁和單晶硅在不同壓痕深度下的載荷-壓深曲線和壓痕三維形貌，結合數(shù)學計算軟件對數(shù)據(jù)進行處理，應用多種硬度計

5、算方法進行硬度值的計算和分析，驗證了基于壓痕功的硬度計算方法相對于其他方法具有隨壓痕深度的減小變化平緩，更能反映材料真實硬度的優(yōu)點?；趬汉酃Φ奈⒓{米表層硬度檢測系統(tǒng)的研制為分析和研究壓痕尺寸效應的成因奠定了基礎，根據(jù)單晶鋁和單晶硅實驗數(shù)據(jù)，通過分析多種理論模型，提出了一種基于能量平衡方法的理論模型——HAV模型，用來解釋壓痕尺寸效應的成因。
　　基于壓痕功的硬度檢測方法，減小了壓痕尺寸效應的影響，可以得到材料微納米尺度下的真實硬