纳米压痕技术及其在薄膜/涂层体系中的应用

综述了纳米压痕技术的发展历程及其在薄膜领域的应用。介绍了当前实验室条件下主要采用的电磁驱动式纳米压痕仪的构造和工作过程。为了保证测试结果的准确性,要在合适的温度、湿度下进行压入实验,借助保载来消除一些可以避免的误差。阐述了压头的分类和选择原则,玻氏压头相比于维氏压头具有更小的中心线与棱面夹角,避免了尖端横刃对于压入结果准确性的影响,因此最常用的压头为玻氏压头;表征断裂韧性最合适的压头为立方角压头;表征微机电系统的弯曲采用楔形压头。总结了通过最大载荷和压入面积得到涂层力学参量的分析流程。归纳了将纳米压痕法应用于表征薄膜涂层的硬度和弹性模量、室温下蠕变性能、断裂韧性、残余应力、塑性性能等力学量的研究,如表征硬度和弹性模量的Oliver-Pharr法的应用,识别蠕变柔量的Lee-Radok模型的应用,分析断裂韧性的Lawn-Evans-Marshall模型的应用。在涂层制备过程中,制备参数的改变可以使得涂层具有不同的力学性能,涂层厚度远小于表面尺寸,硬度和弹性模量仍然存在各向异性,非晶态结构涂层具有更高的硬度和弹性模量。采用碳纳米管强化可以提高涂层的断裂韧性,涂层内存在适量的残余应力数值和合适的残余应力类型,可以改善涂层的力学性能。具有多层结构、梯度结构等新型结构的涂层相比于传统涂层具有更优良的力学性能。纳米压痕法结合AFM原子力显微镜可以实现原位测量,结合有限元法可以对于理论模型进行完善,并拓宽模型的适用范围。最后,对于纳米压痕技术在薄膜涂层中的应用前景进行了展望。

不同温度和应变率下的Ti-xNb(x=5,10,15)合金压缩力学性能研究

为了探究温度、应变率和Nb元素质量分数对Ti-Nb合金力学性能的影响,采用Zwick万能材料试验机和Gleeble-3800型热模拟试验机对Ti-xNb (x=5, 10, 15)合金在应变率为0.001s^(-1)、0.01s^(-1)、0.1s^(-1)的室温和高温准静态下进行测试。结果表明:三种Ti-Nb合金均为温度和应变率敏感材料,其屈服应力均随着温度的减小和应变率的增加而增大;随着Ti-Nb合金中Nb元素质量分数的增加,合金在准静态下的屈服应力逐渐增加,塑性逐渐减弱。在高温准静态变形下,Ti-5Nb和Ti-10Nb合金分别在800℃、0.001s^(-1)和760℃、0.001s^(-1)条件下的回复机制以动态回复为主,其余条件以动态再结晶为主;Ti-15Nb合金的回复机制均以动态再结晶为主。