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1、第32卷第8期机械工程材料Vol.32No.82008年8月MaterialsforMechanicalEngineeringAug.2008纳米压痕测量精度的影响因素1,21321刘美华,李鸿琦,王静,王江宏,佟景伟(1.天津大学机械工程学院,天津300072;2.天津商业大学机械工程学院,天津300134;3.解放军交通运输学院基础部,天津300161)摘要:通过比较45钢拉伸试验与纳米压痕试验得到的弹性模量,分析了影响纳米压痕测试精度的因素及其对测试结果的影响。结果表明:纳米压痕法得到的弹性模量大于拉伸试验法得到的弹性模量;压头形状与尺寸、试样表面粗糙度、定位零点等是影响测量
2、精度的主要因素,尤其是压头尖端的不规则形状使得压头在压入材料的初始阶段与材料之间的相互作用变得复杂。关键词:纳米压痕;精度;弹性模量;硬度中图分类号:TB302.3文献标识码:A文章编号:1000-3738(2008)08-0004-04InfluencingFactorsofNano-indentationTestPrecision1,21321LIUMe-ihua,LIHong-qi,WANGJing,WANGJiang-hong,TONGJing-wei(1.TianjinUniversity,Tianjin300072,China;2.TianjinUniversityof
3、Commerce,Tianjin300134,China;3.MilitaryTrafficInstitute,Tianjin300161,China)Abstract:Theelasticmodulusof45steelobtainedbythetraditionaltensiletestiscomparedwiththatobtainedbynano-indentationtest.Theresultsindicatethatthelatterislargerthantheformer.Themainfactorsresultingintheexperimentaldiffer
4、enceareshapeoftheindentertip,surfaceroughnessofthesampleanduncertaintyofzeroposition.Especially,random-shapeoftheindentertipmakestheproblemismorecomplexatthebeginningofpressingtestedsample.Keywords:nano-indentation;precision;elasticmodulus;hardness待定系数,再根据载荷-位移曲线获得材料硬度与弹0引言性模量随压痕深度变化的关系。与传统的压痕
5、硬度作为评定材料弹性性能的重要参量,弹性模量测试设备相比,纳米压痕仪最突出的优势在于排除的确定往往采用传统的拉伸试验法。然而随着微纳了测试中人为因素的影响。测试前,首先对设备进米技术的发展,该方法已不适用于对纳米级薄膜类行标定,然后按要求输入有关参数,接下来的测试则材料的测试。目前广泛采用的是纳米压痕测试法。由设备自动完成,所以,纳米压痕仪的测试精度由设而对于某些材料弹性模量的测试,纳米压痕法也是备精度、试验方法及所采用的数学模型等因素决定。唯一的测试方法。目前,商业化的纳米压痕仪在测由于该设备主要用于测试微、纳米级薄膜材料和微、[1]量中所采用的是由Oliver等提出的数学模型,
6、该纳米器件的力学性能,即使是微小的偏差,其影响将[2]数学模型是以Sneddon的圆锥压头与半无限体线是巨大的。所以,研究纳米压痕法测试精度影响因[3-7]弹性接触公式为基础,建立压痕接触深度hc与载荷素的工作很重要,但目前相关报道并不多。因P之间的关系式。考虑测量中压头弹性模量的影此,作者通过比较45钢拉伸试验与纳米压痕法测试响,引入复合弹性模量的概念,以熔融硅作为标准试得到的弹性模量,分析了影响纳米压痕测试精度的样,利用迭代的方法确定接触投影面积A(hc)中的主要因素。1试验结果与分析收稿日期:2007-05-17;修订日期:2008-02-221.1试验结果基金项目:国家自然
7、科学基金资助项目(10402022)作者简介:刘美华(1963-),女,辽宁丹东人,副教授,博士研究生。1.1.1拉伸试验导师:李鸿琦教授被测材料选择唐山钢铁集团生产的45碳钢,经#4#刘美华,等:纳米压痕测量精度的影响因素调质处理后,根据标准GB/T228-2002制备拉伸试样。在CSS-44100电子拉伸试验机上进行拉伸试验,试验温度为20e,试验数据取5次测试结果的平均值,得到抗拉强度Rb=943.3MPa,断后伸长率D=14%,弹性模量E=201.8GPa,泊
