[材料科学]微纳米力学测试.ppt

力学性能 是评价材料质量的主要指标，也是进行设计与计算的主要依据，不同的应用领域对材料的力学性能要求也不一样 钢材 塑料 橡胶 纤维 胶黏剂 涂层或镀层 力学性能的评价 1、简单应力状态实验 单轴拉伸、压缩和扭转 获得：应力、应变数据 由于制样的局限性只适合尺度在100μm量级的样品 2、复杂应力状态的接触试验 硬度实验 表征材料抵抗局部变形的能力，是衡量材料软硬程度的性能指标 由于只在材料表面局部产生很小的压痕，使其比较适合微尺度材料 常规硬度测量方法 静态压入硬度 通过球体、金刚石椎体或其他椎体经载荷施加到被测材料上，使材料发生塑性形变，再根据总施加载荷与所产生的压入面积或深度之间的关系，给出其硬度值。 宏观硬度；2N≤P≤30KN 显微硬度：P≤2N，h≥0.2μ 纳米硬度：h≤0.2μ 动态或回弹压入硬度（载荷与回弹高度，主要用于金属材料） 划入硬度（法向力、划痕，材料抗划入、摩擦、变形、附着力） Comparative Load Ranges 纳米压入和划入的特点 操作方便 连续记录载荷和压入深度，从载荷-位移曲线中获得硬度、模量 样品制备简单 对样品的尺寸和形状无特殊要求，薄膜、涂层、表面改性样品 测量和定位分辨率高 100nN, 1nm 测试内容丰富 硬度、模量、断裂韧度、应力-应变曲线、高聚物的存储模量、蠕变特性、疲劳特性、粘附；薄膜的临界附着力、摩擦系数等 适用范围广泛 金属、陶瓷、高聚物、复合材料、表面工程系统、微系统器件、生物材料 Techniques Available Today Load, displacement time Hardness and Modulus Continuous Stiffness Measurement Creep and Stress Exponent Fracture Toughness Storage and Loss Modulus Scratch and Friction Profilometry(台阶仪功能） 3D Imaging (原位成像) Conventional Microhardness Apply a specific load on a diamond indenter The residual impression after load removal is a measure of hardness Conventional Microhardness Diagonal, D, is measured optically after removal of load Vickers（维氏）: D = 7h Knoop（努氏）: D = 30.5h What is Depth-Sensing Indentation? Apply a specific, quasi-static or dynamic, load-time history on a diamond indenter Measure the displacement-time response Use these data to extract certain mechanical properties based on analytical models Hardness, Young’s Modulus, Stress-Exponent for Creep, Storage Modulus, Loss Modulus, etc. Hardness Young’s Modulus Hardness is the mean pressure the material will support Young’s modulus is calculated from the composite response modulus, Er Though not shown explicitly here, both H and E require load, depth and stiffness for calculations Load-Displacement Behavior Aluminum（铝）, typical of soft metallic behavior, shows very little displacement recovery upon unloading Fused silica（熔融石英）, typical of ceramic behavior, shows large elastic recovery upon unloading Elastic/Plastic Indentati