纳米压入应变速率对不同材料力学性能的影响

论文总字数：37731字

摘 要

随着器件向微观纳米、细薄方向发展，材料在微纳尺度上的力学性能引起研究者的广泛关注。然而，传统的材料力学性能测试方法无法满足要求，尤其在高速应变速率下材料的动态响应更是难以表征。本论文基于纳米压入仪，系统研究不同加载速率下（0.05mN/s-50mN/s），对不同金属材料力学性能的影响，包括多晶铜（polycrystalline -Cu）与非晶锆基合金（amorphous-Zr alloy），探讨微纳尺度下加载速率对材料力学性能的作用机理。

主要的结果如下：

1、对于polycrystalline -Cu，其塑性变形与加载速率有着依赖关系。加载速率增加，压入硬度表现出增加的趋势，蠕变应力指数表现出减小的规律。结合表面形貌分析，在高加载速率下，位错的形成速率提高，增大了位错与位错之间运动的阻力，导致材料表面的硬化现象，从而硬度增大，蠕变应力指数减小。

2、对于amorphous-Zr alloy，塑性变形依赖于自由体积的变化，与加载速率关系密切。随着加载速率的增加，形变时间减少，导致自由体积增多，进而内部的剪切转变区域增多，蠕变应力指数表现减小的趋势。当加载速率增大到5mN/s时，自由体积区域大幅度减少，导致剩余自由体积变少，蠕变应力指数表现增大的趋势。硬度变化趋势与蠕变指数类似，但在50mN/s时出现降低，可能是在极高速条件下，冲击效应增加，非晶结构发生了晶化。

关键词：多晶Cu；Zr-基块体非晶合金；纳米压入；应变速率；硬度；蠕变

Abstract

Materials gradually become micro/nano size, small and thin. The mechanical properties of the materials are attracting the attention of researchers at the micro/nano scale. Traditional test methods ofmechanical properties has been unable to meet the test requirements. Particularly, the dynamic response of the material is difficult to characterize at high speed.This paper is based on nano-indentation, which Systematically study mechanical properties of different metal materials (including poly-Cu and amorphous-Zr alloy) under different loading rates 0.05mN/s-50mN/s.

Some of the main results and conclusions are listed following:

1. For polycrystalline-Cu, plastic deformationdepend on loading rate.With the increase of the loading rate, the indentation hardness shows an increasing trendand the creep stress exponent showed a decreasing trend.Analysing surface morphology, the formation rate of the dislocation increases with the increase of the movement between the dislocations and the dislocations at the high loading rate, which cause the hardening of the material surface. Thus the hardness increases and the creep stress exponent decreases.

2. For amorphous-Zr alloy,Plastic deformation depends on the change of free volume, and is closely related to the loading rate.With the increase of the loading rate, the deformation time decreases, and the free volume increases.The internal shear transition region is increased and the creep stress exponent decreases.When the loading rate increases to 5mN/s, the free volume region decreases significantly.The remaining free volume becomes lessand the creep stress exponent is increased.The change trend of hardness is similar to creep stress exponent.However, when the loading rate reached 50mN/s, the decrease ofhardness occurred. It is probably thought that impact effect increased andthe amorphous structure can occurred crystallization under extremely high speed conditions.

Keywords: polycrystalline Cu, Zr-based bulk amorphous alloy, nano indentation, strain rate, hardness, creep

本论文工作的主要创新点

1、以往不同加载速率下，纳米压入技术对材料变形研究时，由于设备和理论分析的问题，研究还不系统。而本论文研究了不同速率对材料力学性能的影响，实验中采用的加载速率的变化范围比较大，尤其是在高加载速率下材料的动态响应研究。这样的目的是观察和分析材料在纳米压入过程中，不同的加载速率下的力学性能的变化特点，分析和总结了不同应变速率对材料弹塑性变形过程中力学性能的影响。

2、实验中，选择了两种不同类型的材料，分别对晶体和非晶体进行了纳米压入实验，通过两种材料在塑性变形过程中的特点，找出在纳米压入过程中，不同材料变形的相似点与不同点，对不同材料的研究更加地深入。

3、在纳米压痕实验的结论分析和总结的过程中，根据实验中材料所表现出来的力学性能的特征，进行材料内部变形机理的探究和解释。

目录

摘要 I

Abstract II

本论文工作的主要创新点 III

第一章绪论 1

1.1引言 1

1.2课题背景 1

1.3纳米压入技术及其材料研究中的应用 2

1.3.1纳米压入技术概述 2

1.3.2纳压入技术在国内外的发展现状 3

1.3.3纳米压入技术在材料研究中的应用 4

1.4多晶Cu的概述 5

1.4.1多晶Cu的变形机理 5

1.4.2晶体塑性变形的研究现状 6

1.5 Zr-基块状非晶合金的概述 7

1.5.1 Zr-基非晶合金的简介 7

1.5.2块状Zr-基非晶合金的变形机理 9

1.5.3块状非晶合金变形机理的研究现状 11

1.6本课题的主要研究内容和意义 14

1.6.1本课题的主要研究内容 14

1.6.2本课题的主要研究意义 14

第二章实验材料与实验方法 16

2.1本论文工作所选用的材料 16

2.2本论文工作所选用的主要仪器及设备 16

2.3实验的方法 18

2.3.1实验的技术手段 18

2.3.2实验的检测方法 18

2.4实验的原理 18

2.4.1 纳米压入技术的测试原理 18

2.4.2显微硬度的测试原理 20

2.4.3 XRD的工作原理 21

2.5本论文涉及的实验 21

2.5.1XRD实验 21

2.5.2纳米压入实验 22

2.5.3材料表面观察实验 23

2.5.4显微硬度试验 23

第三章多晶Cu纳米压入实验与结果分析 24

3.1引言 24

3.2实验所用的方案 24

3.3实验的结果与分析讨论 25

3.3.1载荷-位移曲线 25

3.3.2硬度变化分析讨论 26

3.3.3蠕变的结果与分析 27

3.3.4 3D表面形貌观察 29

3.3.5压痕下的变形形貌研究 30

3.4本章小结 32

第四章块状Zr-基非晶合金纳米压入实验与结果分析 33

4.1引言 33

4.2实验所用的方案 33

4.3实验的结果与分析讨论 33

4.3.1载荷-位移曲线 33

4.3.2蠕变的结果与分析 34

4.3.3硬度和弹性模量的结果与分析讨论 36

4.3.4 3D表面形貌观察 38

4.4非晶合金塑性变形的机制 39

4.5本章小结 40

第五章纳米压入不同应变速率对晶体Cu与Zr-基非晶合金力学性能的影响 41

5.1纳米压入对晶体Cu和Zr-基非晶合金硬度的影响 41

5.2纳米压入对晶体Cu和Zr-基非晶合金蠕变的影响 41

5.3晶体Cu与Zr-基非晶合金3D表面形貌观察对比 42

5.5本章小结 43

第六章结论 44

6.1 实验结论 44

6.2 展望 45

致谢 46

参考文献 47

第一章绪论

1.1引言

随着材料研究方向的不断转变，纳米尺寸材料、表面工程、微机电系统、薄膜材料等迅速发展，传统的材料性能试验方法在测试的精度上、局部观察上、材料质量的评定上等方面已经无法来完成这些材料的实验要求。另外，在实验中，也无法保证薄膜材料的完整性。因此，对材料的微区力学性能测试是迫切解决的问题。而纳米压入技术的产生，使其广泛应用于微机电系统中的微构件、薄片材料、特殊性能材料和生物组织等力学性能的研究中。另外，由于应变速率对材料影响较大，并且一般研究偏向于宏观尺度。因此，材料微纳尺度上的力学性能研究尤为重要。

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