9纳米压痕划痕技术在表征薄膜涂层体系力学性能中的应用.PPT

纳米压痕/划痕技术在表征薄膜/涂层体系力学性能中的应用 主讲教师：黄勇力 实验目的 1．了解纳米压痕法测试材料力学性能的基本原理。 2．学习用纳米压痕技术表征薄膜/涂层体系的应力应变关系的原理和过程。 3．学习用纳米划痕/压痕技术表征薄膜/涂层体系的界面强度的原理和过程。 实验原理 1．纳米压痕法测试材料力学性能的基本原理 2．纳米压痕技术表征薄膜/涂层体系的应力应变关系的原理 3. 纳米划痕技术表征薄膜/涂层体系的界面强度的原理 4. 纳米压痕技术表征薄膜/涂层体系的界面强度的原理 纳米压痕法测试材料力学性能的基本原理 实验设备及材料 1．设备：纳米压痕仪 2．样品：电沉积镍镀层试样、PZT压电薄膜试样 3．丙酮清洗剂 纳米压痕测试的注意事项 实验报告要求 实验后每个人必须书写实验报告，报告内容包括： 1. 目的、内容和实验的基本原理； 2. 实验设备型号及有关参数，试样材质及几何尺寸； 3. 实验和模拟的结果及其分析； 4. 给出结论； 5. 实验体会； 6. 写明报告人班次、姓名及书写报告的日期。 结合纳米压痕实验与ABAQUS有限元分析，表征电沉积镍镀层材料的应力应变关系； 用纳米划痕技术表征PZT压电薄膜的界面强度； 用纳米压痕技术表征PZT压电薄膜的界面强度。 实验内容 压痕示意图 通常情况下，压痕过程包括两个步骤，即所谓的加载过程与卸载过程。 P Unloading Loading 载荷-位移曲线 h 硬度: 杨氏模量: Oliver-Pharr方法： 2um 100um 100um 70.3° Indenter Coating Substrate 1 2 3 压头、薄膜与基底几何形状组合图 圆锥压头 轴对称模拟 纳米压痕技术表征薄膜/涂层体系的应力应变关系的原理 ABAQUS建模 Substrate Coating 网格划分示意图 网格划分 四节点轴对称线性减缩积分单元(CAX4R) 在压头附近采用密网格，远离压头逐渐使用稀疏网格 纳米压痕技术表征薄膜/涂层体系的应力应变关系的原理 材料应力应变关系遵循幂强化规律： 输入的 材料参数 电沉积镍镀层与低碳钢基底的力学性能参数 0.1 500 0.27 210 低碳钢基底 0.1~0.5 100~2000 0.3 50~250 电沉积镍镀层 应变硬化指数 屈服强度(MPa) 泊松比 杨氏模量(GPa) 材料 纳米压痕技术表征薄膜/涂层体系的应力应变关系的原理 压入过程数值模拟 纳米压痕技术表征薄膜/涂层体系的应力应变关系的原理 压入过程数值模拟的结果 模拟的电沉积镍镀层的载荷-位移曲线 与实验测得的载荷-位移曲线比较，修正输入参数值，直至模拟得到的载荷-位移曲线与实验测得的载荷-位移曲线重合，参数值即为薄膜真实的力学性能参数值。 纳米压痕技术表征薄膜/涂层体系的应力应变关系的原理 纳米划痕技术表征薄膜/涂层体系的界面强度的原理 Kriese等人提出适于估算脆性膜/脆性基底之间界面强度的理论模型： 实验用材料为PZT压电薄膜 ，几何和性能参数如下表： 24.99 46.52 0.30 120.95 350 (MPa) (GPa) (GPa) h (nm) 采用圆锥形金刚石压头，在连续增加的载荷下划入PZT薄膜。在最大载荷为100mN的范围内，金刚石压头横向划过的长度为700μm。 纳米划痕技术表征薄膜/涂层体系的界面强度的原理 （a） （b） (c) (d) 划痕过程中(a)划痕距离-摩擦系数曲线(b)划痕距离-载荷曲线. 划痕距离-划痕深度曲线(c) 试件A; (d)试件B. 扫描电镜记录的PZT薄膜的剥落：(a)划痕的全貌；(b) 划痕A的端部；(c) 划痕B的端部. (a) (b) (c) G (J/m2) α (o) Ad (μm2) B0 (μm) a (μm) VI (μm3) PN,crit (mN) PN,max (mN) μ0= PT/PN 纳米压痕技术表征薄膜/涂层体系的界面强度的原理 Zheng将压电系数和介电系数通过本构方程转换成等效弹性系数，并运用复合梁理论分析、推导出界面裂纹扩展的能量释放率以及I型、II型应力强度因子的解析表达式： PZT薄膜试件的压痕载荷-深度曲线 三维扫描图 纳米压痕技术表征薄膜/涂层体系的界面强度的原理 ? 能量释放率 (J/m2) 剥离区域半径 (nm) 断裂区域 面积 (?m2) 残余印痕半径 (nm) 最大载荷 (mN) 样品厚度 (nm) 对比分析 实验步骤与方法 1．纳米压痕实验原理讲解； 2．ABAQUS软件模拟压痕过程讲解和演示； 3．