薄膜厚度对其纳米压痕行为影响的有限元分析研究.pdfVIP

核动力工程 0 2 06年10月 Oct．2 6 NuclearPowerEngineering 0 0 薄膜厚度对其纳米压痕行为影响的有限元分析 2 张晓玲1t 王彪2 (1．中国棱葡力研宪设计虎，成鄄，610041；2哈尔冀工业大学复合材科贼所，LsCCOD 摘要：纳米压痕试验主要用于测定微米级及以下尺度的材料表面力学性能的特点，本文基于纳米压痕实 验原理。采用简化的二维模型，对薄膜材料的纳米压痕行为进行了有限元模拟。分析了薄膜的厚度对其力学 性能，主要是弹性模量和硬度的影响。 关键词：纳米压痕；有限元；薄膜厚度 1 引 言 等)，以及压痕周围无凸起Qile-up)l均材料(如大多 微小尺寸的材料与具有相同化学成分的块体 数陶瓷、硬金属等)，硬度和弹性模量的测量精度 材料在力学性能上存在显著的差异【11。对于纳米 通常优于圭10％Ivl。 薄膜材料来说，即使是相同材料构成的薄膜与基 本文拟对=维模型进行纳米压痕的有限元模 体之间，其力学性能也存在较大的差异12]。纳米 拟，从而得到薄膜材料的弹性模量和硬度等力学 薄膜材料由于其组成的特殊性，使得该类材料呈 性能随薄膜厚度变化的改变情况。 现出小尺寸效应、量子尺寸效应、表面效应和宏 2．2弹性模■和硬度的测试原理啊 观量子隧道效应等大体积材料所没有的特殊效 在纳米压痕技术测试中，最主要也最直接的 应；在力学性能上也表现出不同于常规材料的特 是硬度和弹性模量的测试。薄膜材料的纳米压痕 殊性能，如超模量、超硬度效应等。本文将基于 行为在整个加载过程中，先后发生弹性和塑性变 纳米压痕实验原理，借助有限元模拟，对纳米薄 形。加载曲线随着荷载的增加非线性变化，卸载 膜材料的特殊力学性能与其厚度之间的关系进行 曲线是薄膜材料弹性恢复过程的反映。通过分析 讨论分析。 载荷—位移曲线可计算求得薄膜材料的硬度和弹 性模量。关于纳米压痕技术的测试原理在很多相 2纳米压痕技术测试原理 关的文章中都有介绍【6-剐，本文将不再赘述。 2．1纳米压痕技术概述 压痕法测量材料弹性模量的实验最早出现于 3有限元模型 上世纪70年代【3、4J，并于近年来得到发展和更为3．1建立模型及网格划分 为减小在测试过程中压头对位移的影响，压 广泛的应用％纳米压痕州锄oilldentati鲫)技术是 通过压头对被测材料施加载荷，使之产生压痕(即 头形状的选择显得至关重要。通常选用的压头具 发生弹塑性变形)，并根据总施加载荷与所产生压 有很高的硬度和弹性模量，一般为金刚石，其硬 痕面积或深度之间的关系，给出其弹性模量和硬 度为1140GPa，在压痕测试中视为刚体。 度值。 ． 本文选用的是圆锥形压头，为保证与 纳米压痕技术是通过计算机控镅载荷与位移 Berkovich压头有相同的投影面积函数，定义轴对 在加载和卸载过程中的变化，从而获得材料的力 称模型，可得到与三维模型相同的结果191，压头 学性能的一种方法。因其具有极高的力分辨率和 的等效半锥角为70．30。计算时，取模型的I／2 进行分析。根据已有的参数关系【嘲算得压头的尺 位