（机械电子工程专业论文）采用有限元方法研究tisin超硬纳米复合表面的力学性能.pdf

r 屯 f 内蒙古科技大学硕士学位论文 内蒙古科技大学硕士学位论文 论文题目：采用有限元法研究t i s i n 超硬纳米复合表面的力学性能 指导教师： 协助指导教师： 论文提交日期： 学位授予单位： 作者：马琴芳 一一趔堂查麴握 单位：凼苤直抖撞太堂 单位： 2 0 10 年0 5 月1 4 日 内蒙古科技大学 声，0 j a ， 、 0 内蒙古科技大学硕士学位论文 采用有限元法研究t i s i - n 超硬纳米复合表面的力学性能 t h es t u d yo fm e c h a n i c a lp r o p e r t i e so ft i - si n s u p e r h a r dn a n o c o m p o s i t ec o a t i n gw i t ht h ef i n i t ee l e m e n ts i m u l a t i o n 研究生姓名：马琴芳 指导教师姓名：刘学杰 内蒙古科技大学机械工程学院 包头0 1 4 0 1 0 ，中国 c a n d i d a t e ：m aq i n f a n g s u p e r v i s o r ：l i ux u e j i e s c h o o lo fm e c h a n i c a le n g i n e e r i n g i n n e rm o n g o l i au m v e m i t ) ，o fs c i e n c ea n dt e c h n o l o g y b a o t o u0 1 4 0 1 0 ，p r c h i n a 声 j ， ， i t 内蒙古科技大学硕士学位论文 独创性说明 本人郑重声明：所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作 及取得研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论 文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得内蒙古科 技大学或其他教育机构的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的同 志对本研究所做的任何贡献均己在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 关于论文使用授权的说明 本人完全了解内蒙古科技大学有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布 论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵循此规定) 期：洲口，6 l o 声 j 内蒙古科技大学硕士学位论文 摘要 本课题是国家自然科学基金项目( 5 0 8 4 5 0 6 5 ) 、内蒙古教育科研基金项目 ( n j 0 6 0 7 7 ) 和内蒙古自然科学基金项目( 2 0 0 9 m s 0 8 1 2 ) 的一部分。主要目的是 通过有限元( f e m ) 仿真纳米压痕测量过程来了解t i s i - n 超硬纳米复合表面的 力学性能，包括应力一应变关系、屈服极限等。在此研究过程中，提出了一种通 过有限元仿真确认材料屈服极限的方法。采用该方法研究了t i n 和t i - s i - n 的 力学性能。 在此研究项目中，我们采用了a b a q u s 有限元软件对t i n 和t i - s i - n 表面的 纳米压痕测量过程进行了仿真，对测量得到的载荷一位移曲线进行了拟合，拟合 过程包括以下几个步骤： ( 1 ) 从测量得到的载荷一位移实验曲线中提取对应数据； ( 2 ) 通过计算获得材料的应力一应变数据； ( 3 ) 有限元仿真模型的建立：几何模型包括压头和被测材料，压头使用的是 和实验相对应的b e r k o v i c h 压头，材料是t i n 和t i s i n ；把计算得到的应力一 应变数据作为材料的性质输入有限元仿真程序中；定义载荷步和施加边界条件， 进行求解； ( 4 ) 采用不同的屈服极限进行有限元仿真，从仿真结果中找出与测量结果相 近似的载荷一位移曲线，从而确定屈服极限值； ( 5 ) 采用所确定的屈服极限和不同的应变值，再进行有限元仿真，进一步拟 合测量结果，最终确定适当的应变值。 采用以上方法在对t i n 和t i s i - n 的有限元仿真中，拟合测量曲线，取得了 比较好的结果。 在完成方法开发后，通过对比分析t i n 表面和t i s i n 纳米复合表面的应力 一应变、等效塑性应变曲线和硬度计算，最终确定t i n 的屈服极限约是1 2 g p a ， 而t i s i n 的屈服极限高达2 4 g p a 。由此可以得出结论：t i s i n 纳米复合表面的 强度明显优于t i n 表面。 研究结果表明，采用纳米压痕法测量实验只能得到关于材料弹性性质的一些 参数，而通过有限元仿真去拟合纳米压痕测量的载荷一位移曲线可以得到材料的 塑性性质( 应力一应变和屈服极限) ，所以本方法对微小体积材料塑性性能的确定 有一定的应用价值。 鲁 关键词：纳米压痕，t i s i n ，力学性能，a b a q u s ，应力一应变曲线，屈服极限 ， 鲁 内蒙古科技大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h er e s e a r c hr e p o r t e di nt h ep a p e ri sap a r to ft h ep r o j e c to fn a t i o n a ln a t u r a l s c i e n c ef o u n d a t i o no fc h i n a ( 5 0 8 4 5 0 6 5 ) 、t h ep r o j e c to fe d u c a t i o n & s c i e n c e r e s e a r c hf o u n d a t i o no fi n n e rm o n g o l i a ( n j 0 6 0 7 7 ) a n dt h ep r o je c to fn a t u r a l s c i e n c ef o u n d a t i o no fi n n e rm o n g o l i a ( 2 0 0 9 m s 0 812 ) t h em a i np u r p o s ei st os t u d y t h em e c h a n i c a lp r o p e r t i e s ，i n c l u d i n gt h es t r e s s - s t r a i nr e l a t i o na n dy i e l ds t r e n g t h ，o f t i - s i - ns u p e r h a r dn a n o c o m p o s i t ef i l mw i t ht h ef e ms i m u l a t i o no fn a n o i n d e n t a t i o n m e a s u r e m e n tp r o c e s s an e wm e t h o do ft h ed e t e r m i n a t i o no fm a t e r i a ly i e l ds t r e n g t hi s p r e s e n t e di nt h es t u d y u s i n gt h i sm e t h o d t h em e c h a n i c a lp r o p e r t i e so ft i na n d t i s i - nf i l m sa r ei n v e s t i g a t e d i nt h i sp r o j e c t ，w ea p p l i e da b a q u st os i m u l a t et h en a n o - i n d e n t a t i o np r o c e s so f t i na n dt i s i nf i l m sa n df i t t e dt h em e a s u r e dc u r v eo ff o r c e - d i s p l a c e m e n t t h e f i t t i n gp r o c e s si n c l u d st h ef o l l o w i n gs t e p s ： 1 t oe x t r a c tt h ec o r r e s p o n d i n gd a t ao ft h ef o r c e d i s p l a c e m e n tc u r v eo b t a i n e di n t h en a n o i n d e n t a t i o nm e a s u r e m e n t ； 2 t oo b t a i nt h es t r e s s s t r a i nd a t av i ac a l c u l a t i o n ； 3 t ob u i l dt h ef e ms i m u l a t i o nm o d e l ：g e o m e t r i cm o d e lc o n s i s t so ft h e b e r k o v i c hi n d e n t o ra n dt h em e a s u r e dt i no rt i - - s i nb l o c k ；t h e ni n p u tt h ec a l c u l a t e d s t r e s s s t r a i nd a t aa st h ep r o p e r t i e so ft h eb l o c ka n ds e t u pb o u n d a r yc o n d i t i o n so ft h e b l o c ka n dt h ea s s e m b l yr e l a t i o no ft h ei n d e n t o ra n dt h eb l o c k ；a f t e rt h a td e f i n el o a d i n g s t e p sa n dc o n d u c tt h ef e ms i m u l a t i o n s ； 4 t ou s ed i f f e r e n ty i e l ds t r e n g t ht of e ms i m u l a t i o n sa n df i n do u tc l o s e dr e s u l t s t ot h em e a s u r e df o r c e d i s p l a c e m e n tc u r v e ，b y w h i c hd e t e r m i n et h ey i e l ds t r e n g t h v a l u e ； 5 t ou s et h ed e t e r m i n e dy i e l ds t r e n g t ha n dd i f f e r e n ts t r a i nv a l u e si nf e m s i m u l a t i o n st of i tt h em e a s u r e df o r c e - d i s p l a c e m e n tc u r v ef u r t h e r u l t i m a t e l y ，f i xo n t h ea p p r o p n a t es t r a i nv a l u e u s i n gt h ea b o v em e t h o d s ，t h ef i t t i n go fm e a s u r e df o r c e d i s p l a c e m e n td a t ao ft h e t i na n dt i s i nc o a t i n g sw i t hf e ms i m u l a t i o n sh a sa c h i e v e dg o o dr e s u l t b yc o m p a r i n ga n da n a l y s i n gt h es t r e s s s t r a i n ，e q u i v a l e n tp l a s t i cs t r a i nc u r v e sa n d t h eh a r d n e s sc a l c u l a t i o no ft i na n dt i s i - nc o a t i n g s ，i ti sd e t e r m i n e dt h a tt h ey i e l d s t r e n g t ho ft i ni sa b o u t12 g p a ，b u tt h a to ft i s i ni sa sh i g ha s2 4 g p a 1 1 声 鲁 内蒙古科技大学硕士学位论文 t h er e s u l t ss h o wt h a tt h ep l a s t i cp r o p e r t i e so fm a t e r i a l sc a nb eo b t a i n e db yt h e m e t h o do ff i n i t ee l e m e n ts i m u l a t i o no fn a n o i n d e n t a t i o n p r o c e s s t h e r e f o r e ，t h e m e t h o dp r e s e n t e di nt h i sp a p e ri su s e f u lf o rt h ep l a s t i cp r o p e r t ys t u d yo ft h i nf i l m s k e yw o r d s ：n a n o i n d e n t a t i o n ，t i s i n ，m e c h a n i c a lp r o p e r t i e s ，a b a q u s ， s t r e s s s t r a i n ，y i e l ds t r e n g t h i l i 4 i i 0 ， 论文 2 纳米压痕技术15 2 1 纳米压痕的一般概念1 5 2 2 纳米压痕技术的理论基础1 6 2 3 纳米压痕技术的应用2 0 3 纳米压痕测量过程的有限元仿真一2 2 3 1 非线性有限元软件a b a q u s 简介2 2 3 1 1a b a q u s 程序概述2 3 3 1 2a b a q u s 模块和分析步骤2 4 3 2 几何模型2 5 3 2 1 压头模型的几何形状2 6 3 2 2 被测试样的几何形状一2 7 3 3 定义材料属性和生成装配件2 7 3 4 定义分析步及接触边界条件2 8 3 5 划分网格2 9 3 6 生成、运行作业3 0 3 7 有限元模型正确性验证3 0 3 8 本章小结3 2 4 力学性能有限元仿真的结果分析一3 3 4 1 应力应变的计算3 3 4 2 载荷位移曲线的拟合一3 6 4 2 1t i n 的载荷位移曲线的拟合3 6 j n 3 3 4 4 6 8 8 8 8 0 l l 3 3 ，ll，l，i l 内蒙古科技大学硕士学位论文 4 2 3t i n 和t i s i n 的最终应力应变曲线对比4 2 4 3 材料硬度的计算4 3 4 4 仿真结果分析4 5 4 5 本章小结5 0 结论51 参考文献5 3 在学研究成果5 9 致谢6 0 严， 内蒙古科技大学硕士学位论文 l 绪论 t i s i n 是典型的纳米复合薄膜，它所特有的纳米复合结构使得其硬度要比 其它薄膜高，一般都在4 0g p a 以上，具有超高硬度。t i s i n 膜是由t i n 相$ 1 1 s i 3 n 4 相组成的，在高温和腐蚀的环境下都不相溶，因此可维持其纳米复合结构，与其 他三元氮化物膜比较，更能适应恶劣的加工环境。另一方面，纳米复合膜受调制 周期的强烈影响，工艺要求苛刻，t i s i n 纳米复合膜则不受该因素的影响，工 艺更为简单。t i s i n 膜以其高硬度、抗高温氧化性能好、摩擦系数小、弹性模 量高、和基体的结合力强、热稳定性优良等性能正在成为超硬材料研究领域里的 研究热点。2 0 0 0 年，v e p r e k 他1 研究组报道了在t i s i n 复合膜中获得了8 0 1 0 5 g p a 的超高硬度，这一超过金刚石薄膜硬度( 7 0 11 0 g p a ) 的结果令人惊讶并引起竞相 研究。这一异常高的硬度促进了纳米复合薄膜的研究，但是其超硬机理还有待于 进一步完善。 1 1 课题背景 近年来有关在t i n 薄膜中添加s i 元素的研究再度引起人们的兴趣心1 。李世 直。”等最早利用直流p c v d ( 物理气相沉积) 技术制备t i s i - n 薄膜，发现s i 的 加入可阻止t i n 的柱状晶长大，形成两相或多相混合物结构，能显著提高薄膜 的显微硬度。德国学者v e p r e k t 引证明射频p c v d 制备的t i s i n 薄膜为纳米复 合结构且具有超常的硬度和性能。射频电源用于大容积的工业设备并不多见，直 流p c v d 目前正朝着脉冲直流的方向发展，其大容积的设备已在工业部门获得 应用，但能否依据射频或直流电源的实验室发备及其研究结果指导或用于工业技 术开发，人们一直存在疑虑。马大衍等m 1 人采用工业型脉冲直流p c v d 设备制 备t i s i n 薄膜，研究等离子气相反应过程中n 2 流量对薄膜相组成和硬度等性 能的影响。在t i s i n 硬质薄膜中，s i 元素的加入抑制了t i n 柱状晶的长大口1 ， 使晶粒进一步细化，而且薄膜自身具有良好的耐高温抗氧化性，因此有希望在薄 膜结构和性能提高上取得更大突破。但目前研究者对t i s i n 薄膜的研究多局限 于使用直流或射频p c v d 技术，并且设备多为实验室水平，在研究成果与实际 应用之间还存在着很大的差距；对t i s i n 薄膜的研究也更多地集中在显微硬度 和组织分析，磨基结合强度和摩擦磨损等性能的提高上心1 ，国内尚很少有人对 t i s i n 薄膜的高温热稳定性进行研究，而这对在实际刀具模具的高温使用中显 得极为重要。 我国李世直研究组在沉积t i s i n 表面时发现了高硬度( 约6 0 g p a ，是t i n 硬 卜 鑫 、 内蒙古科技大学硕士学位论文 度的2 倍多) 1 。v e p r e k 研究组在这个方向上进行了强化研究，1 9 9 9 年宣布此 t i s i n 纳米复合表面的硬度超过1 0 0 g p a ，达到了金刚石的硬度盯3 。这个结果激 活了一个重要的学术问题：恰当安排的纳米复合结构材料是否真的能够超过自然 界中键最短、配位最大的金刚石的强度。这个问题的实质是探究纳米复合结构产 生超硬性能的机理，这既是一个有着科学意义的问题，更是一个有巨大经济价值 的技术问题m 3 。 1 2t i s i n 纳米复合表面的研究概述 纳米多层膜技术正处于发展之中，还有许多理论和技术上的问题有待于进一 步研究和解决。从理论上讲，在致硬机理方面，要深入探讨超硬的根源与机理， 膜硬度可能的最大物理极限，硬度与微观原子、电子结构的定量关系：实验上， 要探讨膜的力学性能与沉积参数、化学成分的确切关系，超硬膜的硬度测量和表 征方法；应用上，要给出具有耐磨、耐腐、耐高温、耐碰撞等特点且适应特定条 件的工业涂层。为达到上述目标，我们还要付出更大的努力呻1 。 1 2 1t i s i n 晶体结构与性能 t i n s i 3 n 4 纳米复合膜的超硬现象具有非常大的吸引力。目前己知的超硬薄 膜有金刚石薄膜、立方氮化硼薄膜以及一些异质材料多层膜，但是由于化学稳定 性以及制备条件等原因，使得这些超硬薄膜的应用受到了限制。而t i n s i 3 n 4 纳 米复合薄膜由于其制备方法简单，具有超高的硬度和很好的化学稳定性，使得其 在耐磨和抗氧化性等方面都具有广阔的应用前景。由于t i n s i 3 n 4 纳米复合薄膜 中无论是晶相的粒径还是非晶相s i 3 n 4 的厚度都要小于1 0 n m ，如此小的尺寸给 观察薄膜的微观结构带来了极大困难n 引。 根据v e p r e k h l 最先对于纳米复合薄膜的设计思路和后来各国研究人员得到 的结果，最理想的t i s i n 纳米复合膜是由纳米尺寸的t i n 晶粒和s i 3 n 4 非晶相 组成。整个膜层以t i n 等纳米晶为主体，晶粒尺寸约为几至十几个纳米，而s i 3 n 4 作为晶间相包裹在t i n 纳米品四周，厚度约为t i n 纳米晶的1 1 0 。具有这样的 n c t i n a s i 3 n 4 纳米复合结构的t i s i n 膜，一般都具有超硬性，即硬度大于 4 0 g p a 。特别值得注意的是在控制制备工艺的条件下，v e p r e k 等人制备了硬度接 近或超过金刚石硬度的t i s i n 纳米晶复合薄膜。大多数研究者通过x r d ，x p s ， t e m 等检测手段确定了t i s i n 膜的这一特殊结构。研究结果表明，在x r d 谱 中只有t i n 晶体的衍射峰，没有其区域，又形成了非晶，即薄膜形成了纳米晶 声 内蒙古科技大学硕士学位论文 和非晶两相混合的微结构口。2 0 0 0 年，v e p r e k 业1 等报道在t i s i n 复合膜中获得 了8 0 1 0 5 g p a 的超高硬度，这一超过金刚石薄膜硬度( 7 0 1 1 0 g p a ) 的结果令人惊 讶并引起竞相研究。 t i s i n 薄膜以其高硬度、耐磨性、优良的热稳定性和化学稳定性吸引了大 家的关注。但是t i s i n 薄膜的性能盯1 受沉积工艺的影响很大。下面介绍一下国 内外关于t i s i n 薄膜性能的研究。 ( 1 ) 硬度。纳米复合膜具有相当高的硬度值，不少科学家使用不同的沉积技 术都已经制得了薄膜硬度值超过4 0 g p a 的复合膜。1 9 9 9 年v e p r r e k “1 等人采用射 频等离子体辅助化学气相沉积的方法制备了t i s i n 薄膜，其硬度值达到了 1 0 5 g p a 。遗憾的是这一硬度值没有人能再现。 影响t i s i n 薄膜硬度的因素有s i 的含量、沉积温度、n ，a r 比值等。随着 s i 含量的增加膜的硬度将达到一个峰值，然后随着s i 含量的增加膜的硬度又可 能会逐渐降低，甚至会低于t i n 的硬度。峰值的大小也会因为工艺条件的不同而 会有所不同，可是相对于t i n 却有明显的提高，一般都大于4 0 g p a 。但弹性模量 随着s i 含量的变化趋势和硬度的变化基本相同。 沉积温度对涂层的硬度也会有显著的影响，当温度在5 0 0 以下沉积时，硬 度会随沉积温度的升高而增加，但当温度在5 0 0 沉积时所制得的t i s i n 膜的硬 。度是最高( 4 5 g p a 左右) 的，然后随着沉积温度的增加，硬度又会逐渐降低n2 j 。 ( 2 ) 抗氧化性。纯t i n 在温度为5 0 0 左右时就开始因氧化而变蓝，当温度 接近6 0 0 时就会出现脱落现象，这严重限制了t i n 涂层在高速成形工具领域的 应用。而t i 。s i n 涂层在温度为8 2 0 左右时才开始稍微变蓝，当温度达到1 0 0 0 以上时才会有部分涂层脱落。这主要是因为s i 是强玻璃质形成元素，在氧化过 程中能在t i s i n 膜的表面形成玻璃状的保护膜，防止涂层继续被氧化，因而使 t i s i n 膜的抗氧化性能明显优于t i n 3 。 ( 3 ) 耐腐蚀性。t i s i n 膜本身在大多数强腐蚀介质中具有优良的化学稳定 性，膜层试样的耐蚀性关键在于基体是否与耐蚀性介质严密隔绝。用p c v d 法 制备的t i s i n 膜1 的晶粒没有针孔和裂纹等显微结构缺陷形成腐蚀介质的通 道，其膜层相当致密，可以使基体与腐蚀介质严密隔绝，腐蚀液很难和基体接触， 因而具有优良的耐蚀性。决定镀层耐蚀性的关键因素应该是镀层组织的致密性和 完整性。 ( 4 ) 涂层与基体的结合力。影响t i s i n 涂层与基体的结合力的主要因素有 两个，即基体的表面状态和薄膜韧性，表面状态对涂层与基体的结合性能起决定 性的作用。研究表明n5 j ，在高速钢基体上沉积晶粒尺寸为5 - 3 4 n m 的t i s i n 涂 内蒙古科技大学硕士学位论文 层时，其整体失效的临界载荷分别为1 1 5 n 和1 0 5 n 。 ( 5 ) 耐磨性。t i s i n 超硬复合膜由于s i 的加入，晶粒尺寸比t i n 晶粒小得 多，表面比较光滑，摩擦系数也比t i n 低很多。使用原子显微镜观察t i n 涂层 具有相对粗糙的表面，其突起晶粒的均方根为5 0 8 n m ，而t i s i n 的表面晶粒要 细小得多。t i s i n 膜的摩擦系数在一定s i 含量范围内会随s i 含量的增加而减小 随着s i 含量由5 1 增加到9 5 ，t i 。s i n 膜的摩擦系数由o 9 2 下降到o 7 。 w e r m e n 6 1 等人将t i b n ，t i b s i n 和t i s i n 等三种涂层进行了比较，证明后者 的耐磨性更好。 大部分研究者都将t i s i n 膜出现的超硬性机理归结为其特有的纳米复合结 构。首先，t i n 和s i 3 n 4 两相强烈分离，即使在1 0 0 0 时也完全不互溶，所以随 着s i 的加入，t i n 膜的生长被吸附于其表面的s i 3 n 4 相所隔断，t i n 晶粒变得非 常小，直径小于7n l n ，在如此小的晶粒内，位错行为无法发生，产生了所谓的 “细晶强化”效果；另一方面，纳米t i n 晶粒与非晶的s i 3 n 4 相的界面结合非常 好，可以防止纳米晶材料中容易出现的晶界滑移失效。 1 2 2t i s i n 研究中的问题 利用纳米复合结构提高材料的强度和硬度是纳米科技研究的重点之一。近年 来很多研究集中在纳米多层结构( 超晶格) 和纳米复合结构的p v d 与c v d 涂层 n 7 旧1 。虽然做了大量的研究，但是，最高硬度难以复现，v e p r e k 研究组的1 0 0 g p a 超高硬度的结果受到质疑引。总结起来在t i s i n 薄膜的研究中还存在着如下问 题： ( 1 ) 不同的工艺，即使同样的工艺参数得到的薄膜的微观结构、性能也有较 大的分散度，最高硬度难以复现。实际上纳米复合表面的制备中，工艺条件、工 艺参数细微的波动对薄膜的成分、微观机构、性能有很大的影响，而传统的工艺 试验方法很难捕捉到工艺条件、工艺参数的最佳组合。 ( 2 ) 己经进行的大量的t i s i - n 试验研究仍然不能够定量地说明：t i s i n 纳 米结构中t i 、s i 和n 原子间的位置关系、形成纳米复合结构的机理、工艺参数 对纳米复合结构的影响以及纳米晶粒尺寸与硬度的定量关系。 ( 3 ) 对于t i s i n 复合膜的超硬机制，目前仅有的理论解释是v e p r e k 提出的 非晶包裹纳米晶的微结构模型。尽管已有的研究采用x 射线衍射( x r d ) 和x 射线 光电子能谱等技术得到高硬度t i s i n 复合膜中s i 以氮化物s i ，n 。的形态存在， 但尚缺乏其是否为非晶态的确切证据。原因主要在于t i s i n 复合膜中t i n 晶粒 直径小 电子束 获得可 ( 4 优取向 造 如原子 能电子 原子尺 踪薄膜沉积过程中粒子相互作用，缺失粒子形成纳米结构过程中的信息。 图1 1 是硬度随晶粒尺寸变化的h a l l p e t c h 理论图啪1 。材料的强度或硬度随晶粒 尺寸的减小而提高。因此，细化晶粒一直是改善材料强度的一种有效的手段。细 化晶粒可以产生更多的晶界，如果晶界的结构未发生变化，则需要施加更大的外 力才能产生位错塞积，从而使材料强化口。但是，硬度并不是随着晶粒尺寸的减 小而无限制的增加，所以当晶粒小到一定尺寸时，h a l l p e t c h 关系不再成立，这 就是反h a l l p e t c h 比纠现象，此时出现了晶界旋转与滑移现象，此后材料硬度将随 着晶粒尺寸的减小而有所降低。 n o r m a l i z e dg r a i ns i z e ，薹。 图1 1h a l l p e t c h 图 z1li_卧1lioi_io1li弓-i肖l 的研究主要有两个方面：一方面继续深入探索t i s i n 膜的强化机制，深入了解 其两相界面的相互作用，另一方面探索适合于大规模连续化制备t i s i n 膜的方 法。相信随着研究的继续发展，t i s i n 纳米复合薄膜的制各和应用将会更加成 熟。 1 3 硬度介绍 1 3 1 硬度的定义及分类 硬度是评价材料力学性能的一种简单、高效的手段。关于硬度的定义，目 前尚未统一。从作用形式上，可定义为“某一物体抵抗另一物体产生变形能力的 度量”；从变形机理上，可定义为“抵抗弹性变形、塑性变形和破坏的能力” 或“材料抵抗残余变形和破坏的能力”。材料硬度的测试原理起源于1 8 8 1 年 h e r z t 的压痕测定法，在测量固体材料的硬度时，将一定形状和尺寸的较硬物体 ( 即压头) 以一定的压力接触被测材料表面。基于该原理的传统的硬度测试方法有 维氏硬度法( v i h e r s ) 、努氏硬度法( k n o o p ) 和洛氏硬度法( r o c k w e l l ) 等。硬度测量 不仅与材料的弹性模量、屈服强度、抗拉强度等力学性能有关，还与测量仪器本 身的测量条件密切相关。所以，硬度本身不是一个物理量，而是材料局部区域力 学性能在特定条件下的整体表现，它是材料对外界物体机械作用( 压入或刻划) 的 局部抵抗能力的一种表现。 1 3 2 硬度测量方法 硬度测量方法包括静态压痕硬度测量法、动态压痕测量或回弹压痕硬度测 量法和划痕法三种。静态压痕硬度测量法使用最为普遍，在本文中只介绍静态压 痕测量法。静态压痕硬度测量，通过球体、金刚石锥体或其他锥体将力施加在被 内蒙古科技大学硕士学位论文 测材料上，使材料产生压痕( 即发生塑性变形) ：再根据总的施加载荷与所产生压 痕面积或深度之间的关系，给出其硬度值。根据施加载荷的大小可分为：宏观硬 度( 日本、美国和前苏联定位1 0 n 以上，欧共体和国际机构定位2 n 以上) ，显 微硬度( 上限：1 0 n 或2 n ：下限：1 0 m n 左右) 和纳米硬度( 一般在7 0 0 m n 以下， 有的生产商为了便于研究者模拟显微硬度，配有1 0 n 载荷附件) 。不同的静态压 痕硬度标准其测量方法见表i 1 。载荷范围见图1 2 。 布氏 篓 洛氏 鬟 表蕊洛氏 毳 常用显微硬度羹 普通材料试验系统 纳米压痕试验系统 图1 2 各种静态压痕试验的载荷范围1 7 6 5 4 3 2 o 0 之 0 4 巧 o o 0 。 0 0 0 o o 0 0 0 0 ll，ll，ll t l i tli，l，i，l 内蒙古科技大学硕士学位论文 硬度试验 测量方法表面制备应用范围备注 1 4 国内外压痕试验的仿真研究 近年来，利用计算机模拟技术研究材料的力学性能日益成为人们感兴趣的课 题。由于计算机处理速度的迅速提高，计算机模拟已经和实验观察、理论分析并 内蒙古科技大学硕士学位论文 列成为本世纪科学研究的三种方法。计算机模拟方法可以用来比较、验证各种近 似理论：也可以用来对实验和模拟进行比较，从而提供了评估一个模型正确与否 的手段。计算机模拟方法的优点就是可以沟通理论和实验。某些量或行为可能是 无法或难以在实验中测量的，而用计算机模拟方法，这些量可以被精确的计算出 来。目前，已经发展了几种可行的计算机模拟方法，如分子动力学( m d ，m o l e c u l a r d y n a m i c s ) 、有限元方法( f e a ，f i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s ) 、分子动力学和有限元相 结合方法。 1 4 1 分子动力学仿真 分子动力学计算的基本思想是赋予分子体系初始运动状态之后利用分子的 自然运动在相空间中抽取样本进行统计计算，时间步长就是抽样的间隔，因而时 间步长的选取对动力学模拟非常重要。太长的时间步长会造成分子间的激烈碰 撞，体系数据溢出；太短的时间步长会降低模拟过程搜索相空间的能力，因此一 般选取的时间步长为体系各个自由度中最短运动周期的十分之一。 l a n d m a n 等1 最先用分子动力学模拟研究了金属探针与金属基体的纳米压 痕过程。他们发现，当探针趋近基体到一定距离时，基体表面鼓起而后突然跳跃 地与探针接触。探针压入基体以后将使基体材料产生塑性变形。 进入九十年代后，劳伦斯实验室的b e l a k 和s t o w e r s 在分析了金刚石刀具压 痕实验的表面微观形貌后，对金刚石探针与铜、银等( 11 1 ) 平面的纳米压痕过 程进行了较全面的分子动力学模拟计算口川。 etl i l l e o d d e n 等心圳对纳米压痕过程中的弹塑性转变进行了分子动力学模 拟。h y l i a n g 等心蜘对纳米压痕过程中初始位错的形成进行了分子动力学模拟。 l e n g 等。则模拟了非常浅的纳米压痕( 1 2 个原子层) ，他们的研究表明在加载和 卸载过程中材料的n 向应是线性的，并且接触应力和采用宏观h e r t z i a n 理论计算得 到的结果是可以相比的。 1 4 2 有限元仿真 有限元方法是一种预测结构的偏移与其它应力影响的过程，有限元建模将这 个结构分割成单元网格以形成实际结构的模型，每个单元具有简单形态( 如正方 形或三角形) 。可以通过建立结构模型，输入材料性质和边界条件，求解出结构 的应力一应变的分布。有限元仿真是基于连续体的，它所能仿真的原子数量大大 增加，所以仿真的结果与实际更接近。 内蒙古科技大学硕士学位论文 压痕试验仿真，首先假设脆性材料在压入深度比较小的时候，材料可以被看 成弹塑性。最初人们把压头简化为轴对称形式，然而，用维氏压头对玻璃和一些 陶瓷进行压痕试验研究显示，残余应力的分布并不是轴对称的，而是与压头形状 有很大关系。因而，对于维氏金刚石压头这类尖角压头，不可避免的要求使用三 维有限元压痕仿真才能满足要求。g i n a n a k p o u o o f s 首先对维氏压痕试验进行了三 维压痕仿真，仿真结果与试验结果吻合的很好。近些年，这种方法有了新的应用， 用仿真得出的载荷一压入深度曲线与试验结果对比，调整仿真参数，拟合出这种 材料的材料特性。 在国内，马德军等。”3 考虑理想与钝化两种压头尖端几何情况，使用三维弹塑 性大应变有限元分析软件a b a q u s ，对沉积在陶瓷基体上金属薄膜的纳米压入 加载过程进行模拟计算，建立了膜、基材料基本力学性能参量及压头相对钝化量 同纳米压入加载曲线间的函数关系，进而提出了利用纳米压入仪测得的连续压入 加载曲线确定陶瓷基体上金属薄膜屈服强度和硬化指数的一般方法。 刘扬等口纠提出了一种基于有限元模拟纳米压痕过程的分析材料塑性性能的 方法。 用有限元方法对p o l y i m i d e 模拟纳米压痕过程， 通过比较有限元计算所 得的压力一压深曲线和实际纳米压痕试验得到的曲线，反复修正就得出材料的 塑性性能。经检验，有限元分析得到的应力一应变曲线和材料实际的应力一应 变曲线吻合得非常好， 因此验证了有限元模型的正确性和材料模拟的正确性。 李敏等。”采用有限元方法模拟了纳米压痕仪的加、卸载过程，三维有限元 模型考虑了纳米压痕仪的标准压头介绍了有限元模型的几何参数、边界条件、材 料特性与加载方式，讨论了摩擦、滑动机制、试件模型的大小对计算结果的影 响，进行了计算结果与标准试样实验结果的比较，证实了模拟的可靠性。 在国外，s u n 等。h 1 对软材料的涂层进行压痕试验，并用有限元仿真的方法分 析涂层的危险度。近年来，v e p r e k 研究组在2 0 0 3 年采用二维有限元非线性模型， 研究了超硬材料表面膜层压痕测量的相关问题，如软性基底对硬度测量的影响 5 1 ；2 0 0 7 年研究了压入变形产生的弹性模量和屈服极限的强化效应对测量的影 响。剐；2 0 0 9 年研究了金刚石压头的塑性变形和钝化情况对测量的影响；硬度与 塑性阻尼的比率关系等等。b o u z a k i s 研究组在2 0 0 1 年采用有限元的方法，研 究了纳米复合材料薄膜的弹塑性变形并提出了一种计算薄膜应力一应变的方法 。驯；2 0 0 4 年在此基础上使用f a n o s 有限元软件通过分析纳米压痕实验测量结果 来确定应力一应变曲线的计算