第四章 材料的硬度及其尺度效应.pptVIP

* * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * 纳米划痕技术的特点 划痕计的法向力和压痕深度由高分辨率的压痕计提供，同时可以记录匀速移动试样台的位移，使压头能精确的在试样表面刻划，同时也能高分辨的测量出切向力的大小。这使得纳米划痕技术在研究材料的摩擦性能、断裂性能以及涂层和薄膜与基底间的结合强度方面有着广泛的应用。 主要针对研究材料抵抗正应力为小载荷如1～100mN范围内的刻划能力设计，通常与纳米压痕硬度计设计时合二为一。 纳米划痕试验时，其法向载荷除了可以保持一定外，还可以以步进和连续这两种方式增加，直到涂层和薄膜破坏，并将造成破坏的最小法向载荷称为临界载荷，并以临界载荷作为结合强度的度量。 硬度与其它力学性能之间的关系 硬度与强度之间的关系 硬度和断裂韧性的关系 硬度是独立的力学性能？否 问题： 存在上述问题的原因分析： 硬度试验方法简单 硬度与强度之间的关系 硬度是物理常数？否 硬度是否是材料的重要参数？是 硬度是材料的力学性能的综合反应 硬度与其它力学性能如强度关系密切 硬 度 强 度 材料的两个基本指标 操作简单、迅速、不损坏零件。但没有明确的物理意义 决定着材料的使用价值，但测试困难 且浪费材料 建立二者的联系必要 ？ 硬度与强度之间的关系 硬度与强度之间的关系 宝贵的书籍因为带着知识的魅力和价值吸引着大家 同样，硬度和强度之间关系的实用性和前景也吸引着研究者们和国际政府的重视。从三十年代以来，以及经建立了几十种关系表。 硬度与强度之间的关系 材料力学教材多种多样，但有共同点和各自的特色 我们应找到硬度与强度关系表的共同点并建立适合自己的特色。 硬度与强度之间的经验关系 共同点：常见的关系式 一些金属材料的经验换算公式： (1) 灰铸铁： ； (2) 铸钢： S为压痕边长，D为压痕对角线长度 硬度与强度之间的经验关系 (3) 有色金属： 材料 K值 材料 K值 铝 0.27 铜 0.55 铅 0.29 铝、黄铜 0.48 锡 0.29 锌合金铸件 0.09 硬度与强度之间的经验关系 我国在建立硬度与强度关系表方面的发展： 最早没有自己的关系表，而借鉴外国。 1973年建立了“黑色金属硬度及强度换算值”。 1982年建立了我国自己的“铝合金硬度与强度换算值”标准，“铜合金硬度与强度换算值”标准。 ？不适用国内的材料和硬度测量标准。 硬度与断裂韧性之间的关系 断裂韧性是材料的重要力学性能指标。但是断裂韧性测试却非常困难。 建立硬度与断裂韧性之间的关系也是科学家们努力的重要方面。可惜结果却很少 结论： 硬度越大，断裂韧性越低 不同材料无法比较 硬度与断裂韧性之间的关系 材料 硬度 断裂韧性 AlMgSi 112 1200 AlZnMgCu 160 750 39CMnV139 700 1300 氧化锆 1000 380 铁－碳化钛 1300 800 硬脂合计K10 1700 1100 氧化钼 2300 110 某些材料的硬度和断裂韧性 结论：没有直接的关系 材料的尺度校应及其对硬度的影响 尺度效应 应变梯度理论对硬度尺度效应的解释 表面自由能对硬度尺度效应的影响 尺度效应 Fleck等(1994)在细铜丝的扭转试验中观察到：当铜丝的直 径为12μm时，无量纲的扭转硬化增加至170μm直径时的3倍 钨的硬度值随着压入深度的减小，如压痕深度从10um减小到1um时，硬度增加了2倍。 h/um ？ h/nm 台阶是什么原因呢？ 硬度随着压痕深度的减小而增大——尺度效应 尺度效应是指普通材料达到纳米尺寸时产生的奇妙物理化学特性。当非均匀塑性变形特征长度在微米量级时，材料具有很强的尺度效应。 应变梯度理论对硬度尺度效应的解释 位错理论表明材料的塑性硬化来源于几何必需位错和统 计储存位错 几何必需位错 压头表面和样品表面之间 形成的夹角为 ，接触半径 为 ，压痕深度为 假设单个的位错环在压痕表面的跨度相等，不难得出 为压痕表面单个滑移台阶的间距 如果 为位错环的总长度，那么在 与 之间有 积分之后得到 假设所有的位错环都存在于半球体积 内 所以几何必需位错的密度可表示为 应变梯度理论对硬度尺度效应的解释 利用位错密度的Taylor关系可得到如下剪应力强度公式 估算材料的变形阻力 为总的位错密度 为统计存储位错密度 为几何必需位错密度 为剪切模量 为Burggers矢量 为经验常数，一般取0.5 应变梯度理论对硬度尺度效应的解释 对于多数韧性材料，单