纳米硬度技术的发展与应用.pdf

维普资讯 第32卷 第3期 力 学 进 展 Vo1．32 No．3 2002年 8月 25日 ADVANCESIN MECHANICS Aug．25， 2002 纳米硬度技术的发展和应用 张泰华 杨业敏 中国科学院力学研究所非线性力学国家重点实验室，北京 100080 摘 要 近二十年来，主要用于检测材料表面微米和亚微米尺度力学性质的纳米硬度技术发展迅 速．首先，概述硬度的定义、分类及其适用范围．然后，系统地总结纳米硬度技术的发展，重点介绍 纳米压痕硬度的测量原理及其影响因素，连续刚度测量原理，高分辨率的载荷位移测量原理，几种常 用压头的几何形状，试样表面的准备和确定，相关的测试方法，仪器校准和显微观察等问题．通过压 痕实验可获得硬度、弹性模量、断裂韧性、存储模量和损耗模量、蠕变应力指数等．最后，简要介绍 纳米划痕硬度测量技术的发展和应用． 关键词 纳米压痕，纳米划痕，微力学}生能，硬度，模量，断裂韧性，蠕变应力指数 1 引 言 硬度 (hardness)是评价材料力学性能的一种简单、高效的手段，已有近百年的应用历史． 关于硬度 的定义，目前 尚未统一．从作用形式上，可定义为 “某一物体抵抗另一物体产生变形 能力的度量”；从变形机理上，可定义为 “抵抗弹性变形、塑性变形和破坏的能力”或 “材料 抵抗残余变形和破坏的能力”．无论如何定义，在测量固体材料硬度时，总是将一定形状和尺 寸的较硬物体即压头以一定的压力接触被测材料表面．硬度测量，不仅与材料的弹性模量、屈 服强度、抗拉强度等力学性能有关，还与测量仪器本身的测量条件有密切关系．所 以，硬度本 身不是一个物理量，而是材料局部区域力学性能在特定条件下的整体表现．它是材料对外界物 体机械作用 (压入或刻划)的局部抵抗能力的一种表现，反映了固体物质凝聚或结合强弱的程 度 I1~4】． 为了比较各种固体材料的软硬，人们给出多种不同的硬度标准及其测量方法，归纳起来有： 静态压痕硬度 (staticindentationhardness)，动态压痕或回弹压痕硬度 (dynamicorrebound hardness)，划痕硬度 (scratchhardness)【引． 静态压痕硬度测量，通过球体、金刚石锥体或其它锥体将力施加在被测材料上，使材料产 生压痕 (即发生塑性变形)；再根据总施加载荷与所产生压痕面积或深度之间的关系，给出其硬 度值．根据施加载荷的大小可分成：宏观硬度 (日本、美 国和前苏联等定为 10N 以上，欧共体 国家和国际机构则定为 2N 以上)，显微硬度 (上限： 10N或 2N；下限： 10mN左右)，纳 米硬度 (一般在 700mN 以下，有的生产商为了便于研究者模拟显微硬度，配有 10N载荷附件 (WWW．mrs．com／nano))．不同的静态压痕硬度标准及其测量方法见表 1，载荷范围见图 1~4J． 收稿 日期 ：2001—06-01，修回日期 ：200~05—08 国家自然科学基金 10172086)和中国科学院知识创新工程 (KJCX2-SW-L2，KGCX1—11)资助项目 · 349 · 维普资讯 表 1 常用静态压痕硬度测量方法比较 。【 硬度实验 压头形状 载荷 ／N 方法 表面制备 应用范围 备 注 c静譬25．mm100030000, …属 12o~~kMJ, 600, Rockwel1) soo 一 材料