小尺度下先进材料弹塑性性能纳米压痕表征分析

摘要

纳米压痕技术是研究材料力学性能的主要测试方法之一，不仅可以研究材料的弹性变形行为，而且可以测试材料的塑性及断裂特性。其中，在纳米尺度下表征先进材料纯弹性、弹塑性转变行为对于其耐磨性能和耐冲蚀性能的评价具有非常重要的科学意义和工程价值。相比于其它宏微观测试表征尺寸，在纳米尺度下对压痕仪器的性能指标要求更高，对样品表面粗糙度要求更加苛刻。本文在考虑压针形状、加载速率、保载时间、样品热处理时间、样品表面粗糙度等因素影响下，测试了等离子喷涂热障涂层、电子束物理气相沉积热障涂层、Zr64.5Cu15.75Ni10.12Al6非晶合金和Ti-22Nb-Ta多晶合金等几种典型先进材料的纯弹性、弹塑性转变特征，讨论了每种材料的硬度尺度效应，并采用赫兹接触理论估算了材料弹塑性转变点处应力场及临界剪切强度。主要研究内容如下：
　　第一，在小尺度下对热循环前后的等离子喷涂热障涂层的弹塑性力学性能进行了测试表征分析。由于样品具有气孔性和不均匀性，导致测试数据的离散性很严重。采用韦伯统计分布方程对样品的硬度和弹性模量进行分析。原始样品的硬度随着压痕深度的增加，在h<64.6nm时具有逆向尺度效应，在64.6　　第二，研究了在不同热处理条件下电子束物理气相沉积热障涂层样品的弹塑性力学性能。由于样品具有气孔性和不均匀性，导致测试数据的离散性比较大。采用韦伯模数分析方法对样品的硬度和弹性模量进行分析。当P<3mN，样品硬度随着压痕载荷的增加而增加，表现出一种逆向尺度效应；弹性模量值比较稳定，原始样品、热循环200次样品和恒温氧化400小时样品的弹性模量平均值分别是146、195和199GPa。热处理之后样品的硬度和弹性模量都增加，其中恒温氧化400小时的样品测试数据比热循环200次的数值偏大。用压痕能量原理计算得到的原始样品、热处理200次样品和恒温氧化400小时样品的真实硬度值分别是27.9、36.5和92.2GPa。用赫兹接触理论计算得到原始样品、热处理200次样品和恒温氧化400小时样品弹塑性转变点的最大剪应力值分别是6.9、7.4和4.8GPa。
　　第三，在小尺度下对Zr64.5Cu15.75Ni10.12Al6非晶合金和Ti-22Nb-Sn合金的力学性能进行研究分析。对于Zr64.5Cu15.75Ni10.12Al6非晶材料，当h<120nm时，其硬度由10GPa逐渐减小到8.6GPa，表现出正压痕尺度效应；其弹性模量随着压痕深度的增加基本稳定，变化范围是155±12GPa；用压痕能量原理得到真实硬度值是21.5GPa；根据赫兹接触理论计算得到其弹塑性转变点的最大剪应力是6.1GPa。对于Ti-22Nb-Ta合金材料，当h<285 nm时,硬度由6.6GPa逐渐减小到2.5GPa，表现出正压痕尺度效应。弹性模量随着压痕深度的增加由89减小到69GPa；用压痕能量原理计算得到的真实硬度值是9.4GPa；根据赫兹接触理论计算得Ti-22Nb-Ta合金弹塑性转变点的最大剪应力是3.6GPa。

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第1章 绪论

1.1 引言

1.2 纳米压痕技术的概述

1.3 纳米压痕技术理论基础

1.4 本文选题依据和主要内容

第2章 热循环条件下等离子喷涂热障涂层弹塑性性能纳米压痕测试分析

2.1 样品制备与处理

2.2 实验测试方案

2.3 压头尖端面积校准

2.4 实验结果与分析

2.5 本章小结

第3章 热处理条件下电子束物理气相沉积热障涂层弹塑性性能纳米压痕测试分析

3.1 样品处理

3.2 实验测试方案

3.3 压头尖端面积校准

3.4 实验结果与分析

3.5 本章小结

第4章 合金弹塑性性能纳米压痕测试分析

4.1 实验样品制备和测试方案

4.2 实验结果及其分析

4.3 本章小结

第5章 总结和展望

5.1 工作总结

5.2 工作展望

参考文献

致谢

附录A：攻读硕士学位期间发表学术论文