平面压入法在航空铝材力学性能试验中的应用

进行航空飞行器材料性能试验工作,需要尽量减少取样面积对结构整体性和稳定性造成的破坏。平面压入法是非接触力学理论中的一种试验方法,采用微纳米级压入技术代替大面积取样,在不破坏材料结构完整性的基础上进行性能测试。本文研究了平面压入法在航空铝材力学性能测试中的应用,对关键步骤进行分析,指出在构建能量-位移模型、进行结构模型有限元分析、进行参数标定和模型修正以及获取材料性能指标等步骤中的技术实施方法,研究了在试验过程中的注意事项。

基于压入法原理测试混凝土超早期弹性模量

基于压入法原理,提出了1种混凝土超早期弹性模量的测试方法 .采用数值分析方法设计试件尺寸,选用30°球锥形压头作为混凝土超早期弹性模量的测试压头,优化压入深度为5 mm.通过改变混凝土的水胶比和粉煤灰掺量,并与超声波法相对比,对该方法进行验证.以初凝时刻的弹性模量0值为起点,传统应力-应变方法最早测得的弹性模量为终点,用这2点之间的连线预测混凝土超早期弹性模量.该预测法与压入法试验结果相比,误差均在30%以内.

膜基结合强度评定方法的探讨——划痕法、压入法、接触疲劳法测定的比较

薄膜(镀层)与基体之间的结合强度是评价薄膜质量的重要性能指标。目前使用最广泛的是划痕法和压入法。这些都属于一次性加载方式。一种较好的评定硬质膜膜基结合强度的方法是采用以临界剪切应力幅Dc作为判据的滚动接触疲劳法。通过与划痕法,压入法的对比可知表征结合强度大小的剪切应力幅只对界面因素敏感,对非界面因素不敏感,能真实反映膜基结合状态,是一个较为合理的动态结合强度判据。

两步压入法——薄膜力学性能的可靠测量方法

提出了采用力学探针测量薄膜力学性能的两步压入法。该方法通过大载荷压入展示基体变形对薄膜硬度的影响,从而选择不影响基体变形的小载荷测出薄膜的硬度和弹性模量。对高速钢基片上的TiN硬质薄膜,单晶硅片上的金属Ni薄膜和(Ti,Al)N/VN纳米多层膜的测量表明,两步压入法能够测出各种性质薄膜的力学性能,并且具有准确可靠的特点。此外,两步法对(Ti,Al)/VN纳米多层膜的力学性能的测量表明,该体系的纳米多层膜存在硬度和弹性模量异常升高的超硬、超模量效应。

测定金属薄膜屈服强度的纳米压入法研究

利用有限元数值分析方法，对球形刚性压头压入由金属膜与硅基体组成的膜-基体系的加载过程进行了模拟计算．建立了薄膜硬化指数同载荷-位移曲线的特征值，屈服强度、硬化指数及杨氏模量同最大压入载荷间的关系．据此，可由纳米压入仪实测所得载荷-位移曲线的特征值与最大压入载荷，确定金属薄膜材料的应变硬化指数和屈服强度．

用纳米压入法测量硼化铪涂层的弹性模量

用NanoIndenterⅡ对硼化铪 石英和硼化铪 硅等膜 基结构进行纳米压入测量。通过对测得的载荷—位移曲线进行处理 ,得到硼化铪涂层的弹性模量为 188 78GPa。实验表明 ,较软基底对测量结果的影响较大 ,所得的评定值失真 ,用KING提出的评定模型也未获得较好的结果。因此 ,最大压入深度应在保证压头尖钝化和薄膜表面质量对测量结果影响不太大的情况下尽量减少最大压入深度。

纯钛表面微弧氧化膜纳米压入法研究

微弧氧化是一项较新的等离子体化学-电化学成膜技术,硬度和弹性模量是膜的基本微区力学性能.采用交流微弧氧化方法在铝酸盐溶液中在TA2纯钛表面制备出较厚的氧化膜,利用纳米压入法测定了膜的硬度和弹性模量,并探讨了微弧放电对氧化膜相组成和性能的影响.研究结果表明:膜的显微硬度和弹性模量分布有相似的变化规律,从膜表层到膜内部,硬度和弹性模量逐渐增加,并在内层膜达到最大值,分别为9.78GPa和176GPa,比钛基体高的多;膜不同深度处TiO2金红石和TiAl2O5相的相对含量变化决定了硬度和弹性模量的分布.

声发射检测压入法评价涂层的结合强度

采用新研制的配有声发射检测装置的压入式试验机对超音速等离子喷涂的Al2O3陶瓷涂层和FeCrBSi合金涂层进行试验,研究了两种不同性质声发射反馈信号及其临界点的变化特点,以及涂层微观形貌。结果表明,涂层结合强度、涂层表面、界面压痕形貌与开裂程度及其声发射特征参量存在内在联系,表明对较厚的热喷涂涂层通过连续载荷的锥形压入,结合声发射监测技术是表征其结合强度的一种有效方法。

采用汞压入法测量纸张微孔分布和孔隙率

介绍了利用汞压入法测量纸张微孔分布和孔隙率的原理;并采用该方法对铜版原纸、铜版纸及过滤纸的孔径分布和孔隙率进行了分析。结果表明,利用该方法可以精确地分析涂布纸涂层结构,过滤纸板内部阶梯孔径分布等。

纳米压入法MEMS材料力学性能测量与评定标准化的初步设想

根据纳米压入法测量与评定MEMS材料力学性能的原理 ,对诸如测量仪器、压头、评定模型、测试条件等影响力学性能测量精确度、测量结果的可比性的主要因素进行了分析。在此基础上 。

评价强界面涂层界面结合能力的横截面压入法

为了解强界面脆性涂层/硬性金属基体涂层结构横截面压入时的涂层剥落特点,以电镀铬层/硬性金属基体为研究模型,在原位观察系统下进行横截面压入试验,其结果表明:铬层断裂和剥落与载荷-位移曲线上出现的3个载荷下降点相对应,首先是在铬层横截面上形成一条与压头轴线平行的中间裂纹;随后又出现了以第1条裂纹为对称轴的2条斜裂纹;随着3条裂纹的稳态扩展和汇合,形成了与周围铬层相隔离、仅靠基体支撑的2块1/4圆形局部“孤岛”铬层;最后“孤岛”铬层沿界面剥落。以此“孤岛”剥落为力学计算模型,提出定量评价强界面脆性涂层/硬性金属基体的界面结合能力的横截面压入法,该方法利用载荷-位移曲线计算“孤岛”剥落所需要的总能量,测量界面剥落面积,并计算两者的比值,给出临界界面能量释放率,以此数据作为评价界面结合能力的指标,并给出了应用举例。

硬质涂层力学性能可靠测量的两步压入法

正确测量涂层的硬度等力学性能一直是硬质涂层生产和研究中亟待解决的问题。本文提出的采用力学探针对涂层进行两步压入的实验方法可以在未知涂层厚度的条件下通过大载荷逐步加载展示出涂层厚度对载荷选择的要求 ,从而正确选择加载载荷进行小载荷压入实验。

气相沉积硬质薄膜韧性评价方法——压入法

评价气相沉积硬质薄膜的韧性具有重要的工程意义.本文讨论了压入法评价硬质薄膜韧性的原理、方法和参数选择.压入法的原理是载荷导致裂纹形核、扩展,最终形成压痕周围的径向裂纹,而断裂韧性和裂纹之间存在对应关系.压入法的方法是比较压痕形貌特征,其主要影响因素有基体和载荷.对于韧性基体（如金属）,小载荷时硬质薄膜与金属同步塑性变形;大载荷下薄膜破裂,但这种情况可能是结合失效破裂,并不反映薄膜的韧性.对于脆性基体（如硅片）,小载荷时裂纹会在Si片中形核,并扩展到薄膜中,形成压痕对角线径向裂纹;大载荷时薄膜会严重破裂.定量评价薄膜韧性时,一般采用硬质薄膜/Si片体系,以0.98～9.8N载荷压入脆性基体,采用纳米压入仪测定薄膜的硬度和弹性模量,采用显微镜测量径向裂纹的长度,利用Lawn公式计算得到断裂韧性值.

用压入法加锂熔炼铝锂合金的研究

对压入法熔炼铝锂合金的工艺方法进行了研究,对熔炼过程中锂的损失、合金的精炼、熔剂的制备问题进行了探索。发现锂的损失主要源于锂的氧化,良好的保护措施可以减少锂的损失。在压入法工艺中,精炼可以采用两次精炼的方法,使用高纯氩气对铝锂合金进行精炼效果良好。差热分析的结果表明60％LiCl加40％LiF混合熔剂比50％LiCl加50％LiF熔剂更为优越。

力学探针两步压入法研究(Ti,Al)N/AlN纳米多层膜的超硬效应

提出了采用毫牛力学探针技术对硬质薄膜的硬度和弹性模量等力学性能进行准确测量的两步压入法 ,并用此方法研究了 (Ti,Al) N/ Al N纳米多层膜的硬度和调制周期之间的关系。结果表明 ,该纳米多层膜体系的硬度和弹性模量随调制周期的减小单调增加 ,并在调制周期为 1.3nm时达到最高值 HV=2 9.0 GPa和 E=383.0 GPa,表明 (Ti,Al) N/ Al N纳米多层膜存在超硬度和超模量效应。

纳米压入法测量中初始接触点判断问题研究

对于纳米压入法 ,在加载过程中 ,压头尖与试样表面的初始接触点必须判断准确 ,初始接触点判断的精度将对测量结果产生很大的影响。本文利用西安交通大学精密工程研究所研制的微力微位移测试仪 ,对初始接触点判断的相关问题进行了深入研究。在压头尖与试样表面接触前 ,由电容测微仪测得的位移值是加载装置空载下的输出值 ;而当压头尖与试样表面接触后 ,压头与试样之间将产生作用力 ,使电容测微仪的测量值偏离加载装置空载下的输出曲线趋势。分别用一直线和一多项式曲线对压头无载荷和有载荷作用时测得的电压位移曲线进行拟合 ,拟合直线和曲线的交点即可作为初始接触点。大量的实验表明 ,运用上述方法可使初始接触点的判断精度在± 10nm。

连续压入法评定等离子体增强化学气相沉积(PECVD)TiN膜基结合强度

介绍了一种新型涂层压入仪。对比了压入法、划痕法、接触疲劳法测定不同处理基体、同类ＰＥＣＶＤ ＴｉＮ 膜基结合强度的变化规律。结果表明采用该压入仪， 运用连续加载压入法， 可方便地定性或半定量测定ＰＥＣＶＤ ＴｉＮ 膜基结合优劣。该法所测临界载荷Ｐｃ 不仅反映膜基结合的优劣， 还反映了膜基体系的承载能力。

激光淬火区应力-应变关系压入法实验测量研究

为了利用变形体力学理论评价激光淬火区的实际效用,需要知道激光淬火区应力-应变关系。根据应力-应变关系的球形压头压入法测量原理,对激光淬火区应力-应变关系等力学参数进行了测量。以CO_2激光器表面淬火的30CrNi2MoVA钢为材料原型进行实验研究。结果表明,可以利用球形压头、进行循环多次压入激光淬火区表面,即可确定激光淬火区平均应力-应变关系。

用动态冲击压入法测定橡胶的压力松弛

论述了用动态冲击压入法测定橡胶的应力松弛。该测试装置可在宽域的温度范围内(从-160℃到+100℃)进行测试,所得结果与用其它方法获得的结果相似。

纳米压入法点阵分析金属微观组织力学性能

利用Berkovich金刚石压头对3种黄铜和2种碳钢共5种常见双相合金材料进行纳米压入法点阵实验,采用高斯混合模型(GMM)拟合实验数据的频率直方图,评估单相态的微观力学性能(压痕硬度H_(IT)、弹性模量E_(IT))和体积分数.结果表明:黄铜α相和β相的压痕硬度以及弹性模量差距较小,相界效应在频率直方图中没有显现,应采用双峰高斯模型对压痕硬度和弹性模量的频率直方图进行拟合.碳钢的相界效应不可忽略,应采用三峰高斯模型对点阵数据进行拟合.双峰或三峰高斯模型拟合得到的压痕硬度和弹性模量与独立纳米压痕实验结果接近.利用双峰高斯模型对微观力学性能参数(如弹性功W_(e)和总功W_(t)等)的频率直方图拟合得到的材料各相态体积分数与使用Image Pro-plus 6.0软件得到的体积分数f_(r)相近.大载荷下压痕实验得到的弹性模量E_(m)与点阵结果的加权平均值E_(ave)一致,压痕硬度有明显的压痕尺寸效应.