本发明专利技术公开了一种仪器化纳米压入测试材料杨氏模量的方法，该方法使用仪器化纳米压入加载功、卸载功以及名义硬度来测定被测试材料的杨氏模量。与现有技术相比，本发明专利技术的测试方法具有以下优点：１）不需要考虑压头与被压材料间的接触深度和接触面积，避免了现有技术在这方面引入的误差；２）不需要利用卸载曲线的初始卸载斜率，避免了对测试条件和数据处理方式敏感的导数的使用；３）测试原理更加科学；４）测试精度高。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于材料力学性能测试领域。具体涉及一种利用仪器化压入仪和金刚石Berkovich压头在纳米测量尺度(压入深度大于10纳米小于1000纳米)上测量材料杨氏模量的方法。
技术介绍
随着表面改性材料、薄膜材料、MEMS(微电子微机械系统)材料、复合材料、纳米材料等领域的快速发展，表面、界面及微尺度材料的工作可靠性由于面临苛刻工作条件的挑战，越来越引起人们的重视，成为国内外研究的热点。然而受尺寸限制，传统的材料力学性能测试技术及手段已经无法满足上述材料的力学性能测试需要，使得材料微区力学性能的测试成为亟待解决的关键问题。 仪器化压入技术是在传统布氏硬度和维氏硬度试验基础上发展起来的一种微区和非破坏性的新的材料力学性能测试技术，它可以高精度的同步测试和记录各种几何形状的压头压入试样及撤离试样时的载荷与位移数据，从而可以提供比传统硬度试验更多的反映被测试材料力学性能的有用信息，这为材料诸多基本力学性能参数的识别提供了重要的技术手段。1992年美国商用仪器化纳米压入仪的专利技术人W.C.Oliver与Rice大学教授G.M.Pharr共同提出了著名的基于仪器化压入测试技术确定材料杨氏模量的经典方法，即Oliver&Pharr方法。尽管该方法目前已经在各类商用仪器化压入仪中获得广泛使用，但该方法的理论基础是小变形弹性理论，即不考虑被测试材料在压头压入加载时的塑性行为和几何变形，这与真实材料的压入行为明显不符。正是由于忽略了材料物理和几何非线性，使得该方法在应用于低硬化水平的被测材料时，可以导致被测材料的杨氏模量严重偏离其真值。因此精度不高是目前各类商用仪器化压入仪存在的突出问题。 针对上述杨氏模量难以精确测量的问题，本专利技术提供一种使用仪器化纳米压入技术测试材料杨氏模量的方法。
技术实现思路
本专利技术的目的之一是提供一种，该方法只需利用压入加载功、卸载功以及名义硬度便可确定被测试材料的杨氏模量。该方法在工业上是可行的且非常有效。 为了实现上述目的，本专利技术采用如下的技术方案 一种，该方法使用仪器化纳米压入加载功、卸载功以及名义硬度来测定被测试材料的杨氏模量，具体包括以下步骤 (1)利用仪器化压入仪和金刚石Berkovich压头对被测试材料表面实施最大压入深度hm大于10纳米小于1000纳米(10nm＜hm＜1000nm)的垂直压入，获得被测试材料的载荷-位移曲线； (2)根据被测试材料的载荷-位移曲线计算名义硬度Hn≡Pm/A(hm)，其中，Pm为对应最大压入深度时的最大压入载荷；A(hm)为对应最大压入深度时的压头横截面积，由Berkovich压头的面积函数来确定； (3)通过分别积分加载曲线和卸载曲线计算压入加载功Wt、卸载功We，并在此基础上计算压入比功We/Wt； (4)根据Berkovich压头的面积函数A(h)和最大压入深度hm，确定该压头的体积钝化率Vr 和高度钝化率hrhr≡hideal/hm＝0.5/hm； (5)计算对应体积钝化率为Vr、压头尖端钝化形式分别为平端、球帽和锥形钝化的三种钝化压头的高度钝化率hrf、hrs和hrc。其中，hrf＝1/；hrs分以下两种情况确定当Vr≤1.361时，hrs＝1/{1-1/3}；当Vr＞1.361时，hrs由式Vr＝2hrs3/(3hrs2+cot2θ)确定；hrc＝Vs； (6)基于比功We/Wt和表1-表3中系数axjm(x＝f，s，c；j＝1，…，4；m＝1，…，6)计算下列函数值 其中，系数afjm(j＝1，…，4；m＝1，…，6)的取值 其中，系数asjm(j＝1，…，4；m＝1，…，6)的取值 其中，系数acjm(j＝1，…，4；m＝1，…，6)的取值 (7)基于函数值(Hn/Ecj)f(j＝1，…，4)、(Hn/Ecj)s(j＝1，…，4)、(Hn/Ecj)c(j＝1，…，4)和四个体积钝化率Vrj(j＝1，…，4)用三次拉格朗日插值法计算对应体积钝化率为Vr的三种压头钝化形式下的名义硬度Hn与压头和被压材料联合杨氏模量Ec的比值(Hn/Ec)f、(Hn/Ec)s、(Hn/Ec)c以及C (8)基于数值(Hn/Ec)f、(Hn/Ec)s、(Hn/Ec)c和三个高度钝化率hrf、hrs和hrc用二次拉格朗日插值法计算对应高度钝化率为hr的三种压头钝化形式下的名义硬度Hn与压头和被压材料联合杨氏模量Ec的比值Hn/Ec Hn/Ec＝(Hn/Ec)f{(hr-hrs)(hr-hrc)/} +(Hn/Ec)s{(hr-hrf)(hr-hrc)/} +(Hn/Ec)c{(hr-hrf)(hr-hrs)/} (9)计算压头及被压材料的联合杨氏模量Ec＝Hn/(Hn/Ec)，并最终确定被测试材料的杨氏模量 其中，金刚石压头的杨氏模量为Ei＝1141GPa，泊松比为vi＝0.07，被测试材料的泊松比可根据材料手册确定。 步骤(9)中，如果被被测试材料的泊松比不能由材料手册确定，则对金属材料取v＝0.3，对陶瓷材料取v＝0.2。 与现有技术相比，本专利技术具有以下优点 (1)不需要考虑压头与被压材料间的接触深度和接触面积，避免了现有技术在这方面引入的误差； (2)不需要利用卸载曲线的初始卸载斜率，避免了对测试条件和数据处理方式敏感的导数的使用； (3)测试原理建立在对弹性压头压入弹塑性材料所进行的量纲及弹塑性大变形有限元数值分析基础上，因而更加真实、可靠。 (4)测试精度高。 附图说明 图1是理想锥压头与钝化锥压头的示意图； 图2是对应同一体积压头钝化率下的三种压头钝化几何与理想锥压头几何； 图3是仪器化压入加、卸载曲线及加、卸载功示意图； 图4是平端钝化对应Vr2＝1.336、η＝0以及n的两个极端取值n＝0和n＝0.45情况下的Hn/Er-We/Wt关系； 图5是平端钝化对应Vr2＝1.336、η＝0.0671以及n的两个极端取值n＝0和n＝0.45情况下的Hn/Er-We/Wt关系； 图6是平端钝化对应Vr2＝1.336、η＝0.1917以及n的两个极端取值n＝0和n＝0.45情况下的Hn/Er-We/Wt关系； 图7是平端钝化对应Vr2＝1.336、η＝0.3834以及n的两个极端取值n＝0和n＝0.45情况下的Hn/Er-We/Wt关系； 图8是平端钝化对应Vr2＝1.336以及η不同取值下的4个代表性的Hn/Er-We/Wt关系； 图9是平端钝化对应Vr2＝1.336以及η不同取值下的4个代表性的Hn/Ec2-We/Wt关系； 图10是球帽钝化对应Vr2＝1.336、η＝0以及n的两个极端取值n＝0和n＝0.45情况下的Hn/Er-We/Wt关系； 图11是球帽钝化对应Vr2＝1.336、η＝0.0671以及n的两个极端取值n＝0和n＝0.45情况下的Hn/Er-We/Wt关系； 图12是球帽钝化对应Vr2＝1.336、η＝0.1917以及n的两个极端取值n＝0和n＝0.45情本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种仪器化纳米压入测试材料杨氏模量的方法，该方法使用仪器化纳米压入加载功、卸载功以及名义硬度来测定被测试材料的杨氏模量，具体包括以下步骤：（１）利用仪器化压入仪和金刚石Ｂｅｒｋｏｖｉｃｈ压头对被测试材料表面实施最大压入深度ｈ↓［ｍ］大于１０纳米且小于１０００纳米的垂直压入，获得被测试材料的载荷－位移曲线；（２）根据被测试材料的载荷－位移曲线计算名义硬度Ｈ↓［ｎ］≡Ｐ↓［ｍ］／Ａ（ｈ↓［ｍ］），其中，Ｐ↓［ｍ］为对应最大压入深度时的最大压入载荷；Ａ（ｈ↓［ｍ］）为对应最大压入深［ｆ１２］＝－０．１５７６７，ａ↓［ｆ１３］＝０．１１０９４，ａ↓［ｆ１４］＝－０．０４８４０，ａ↓［ｆ１５］＝－０．００５５２，ａ↓［ｆ１６］＝０．００７６３；ａ↓［ｆ２１］＝０．１１３５５，ａ↓［ｆ２２］＝－０．１５５２２，ａ↓［ｆ２３］＝０．３６５２６，ａ↓［ｆ２４］＝－０．６０３９１，ａ↓［ｆ２５］＝０．４９８４３，ａ↓［ｆ２６］＝－０．１５９３８；ａ↓［ｆ３１］＝０．０５４５７，ａ↓［ｆ３２］＝－０．０８０２６，ａ↓［ｆ３３］＝０．２２２６１，ａ↓［ｆ３４］＝－０．３７２９３，ａ↓［ｆ３５］＝０．２９８５５，ａ↓［ｆ３６］＝－０．０９１０５；ａ↓［ｆ４１］＝０．０２８０９，ａ↓［ｆ４２］＝－０．０４１６５，ａ↓［ｆ４３］＝０．１０６８３，ａ↓［ｆ４４］＝－０．１５９９５，ａ↓［ｆ４５］＝０．１１３２１，ａ↓［ｆ４６］＝－０．０２９９８；与４个不同体积钝化率Ｖ↓［ｒ１］＝１、Ｖ↓［ｒ２］＝１．３３６、Ｖ↓［ｒ３］＝２．５４７和Ｖ↓［ｒ４］＝４．７６４相对应的系数ａ↓［ｓｊｍ］（ｊ＝１，…，４；ｍ＝１，…，６）的取值分别为：ａ↓［ｓ１１］＝０．１７０２０，ａ↓［ｓ１２］＝－０．１５７６７，ａ↓［ｓ１３］＝０．１１０９４，ａ↓［ｓ１４］＝－０．０４８４０ａ↓［ｓ１５］＝－０．００５５２，ａ↓［ｓ１６］＝０．００７６３；ａ↓［ｓ２１］＝０．１１８９０，ａ↓［ｓ２２］＝－０．１６３８８，ａ↓［ｓ２３］＝０．３５９８２，ａ↓［ｓ２４］＝－０．６００２４，ａ↓［ｓ２５］＝０．５０９６７，ａ↓［ｓ２６］＝－０．１６８４５；ａ↓［ｓ３１］＝０．０６０３４，ａ↓［ｓ３２］＝－０．０７７９４，ａ↓［ｓ３３］＝０．１６１５４，ａ↓［ｓ３４］＝－０．２５８３１，ａ↓［ｓ３５］＝０．２１０９０，ａ↓［ｓ３６］＝－０．０６７５０；ａ↓［ｓ４１］＝０．０３１７３...
【技术特征摘要】
【专利技术属性】
技术研发人员：马德军，
申请(专利权)人：马德军，
类型：发明
国别省市：11[中国|北京]
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