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维普资讯 第22卷 第4期 材 料 热 处 理 学 报 Vo1．22 No 4 2001年 12月 1 ANSACT1ONSOF MATERIALSAND HEAT 1 E^TⅥEW December 2001 纳米压入技术表征薄膜 (涂层)的力学性能 李河清， 蔡 殉， 陈秋龙 (上海交通大学教育部高温材料及高温测试开放实验室 ，上海 2OOO30) 摘 要 ：采用纳米压^技术测试薄膜(涂层)的力学性能 31益受到关注 。测试过程 中可 自动记录载荷 压深 曲线 ，能够获取薄膜 (涂层)的硬度 、弹性模量 、薄膜(涂层)自身结台强度 、膜基界面结台强度 、残 留应力 屈服强度 以及应变硬化率等力学性能数据。本文扼要介绍 了纳米压^技术表征薄膜(法层)力 学性能 的测试原理。 关键词 ：薄膜 (馀层)； 纳米压^； 力学性能 中围分类号：TG115．5 文献标识码 ：A 文章编号：1009．6264(2001)04．0052．04 材料的主要失效诸如疲劳、磨损和腐蚀等均发生 可高达 lOnN和 0．1nm 。其次它可作为 SEM、TEM 于表层或近表层 ，因此 ，提高材料 的表面性能对保证 或 STM／SFM的附加装置，实现动态细致观察压痕周 材料使用的可靠性和使用寿命 ，充分发挥材料潜力有 围薄膜 (涂层)材料的变形形貌 ，可获得压人尺寸的精 极重要的意义。实际应用中往往对零件工作表面和 确数值。通过连续记录压人过程 中位移和载荷变化 心部的性能要求有较大差别 ，在材料表面形成改性层 的数值，将硬度作为压痕深度的函数 ，大大提高硬度的 (薄膜或涂层)不仅可以较好地满足表面和心部不同 测试精度，还可以测得弹性模量、结合强度 残 留应力、 的性能要求 ，而且可以满足在特定条件下零件工作表 屈服强度以及应变硬化率等数据，能够实现边加载边 面性能要求 测量，从而为 自动化 、数字化检测创造了有利条件。 2O世纪 6o～7O年代发展起来 的激光 、电子束和 离子注入等表面改性方法丰富和发展了表面热处理 l 硬度和弹性模量 技术，薄膜 (涂层)的厚度从亚微米级到纳米级。由于 硬度从物理意义上讲是材料本质结合力的度量， 薄膜 (涂层)材料不同于块状材料的晶体结构和特性 ， 它与材料的抗弹性与塑性变形的能力 、拉伸强度 、疲 而且存在膜 、界面和基体材料三者之间的交互作用 ， 劳强度 、耐磨性 以及残 留应力等密切相关。因而 ，薄 这就给它们的力学性能表征带来很大的困难，块状材 膜 (涂层)硬度的表征显得极为重要 。传统 的硬度数 料的常规试验如拉伸 、冲击等方法对于薄膜 (涂层)材 值 通过下式计算 ： 料 已不再适用。 P 1978年 Tazaki、Nishiborl和 Kinosita介绍 了一种通 H =二。 (1) 儿 - 过对载荷和压人深度的连续测量和监控测量硬度的 式中A 为残 留压痕面积～P 是最