非晶态Ni-P合金微小尺寸试样的有限元分析

微尺度Ni 悬臂梁的腐蚀和疲劳性能张强1, 2 定稿日期：作者简介：张强(1976-)，男，博士研究生；武汉：华中科技大学 化学系(430074)E-mail: whzhang0077163com基金项目：国家自然科学基金资助项目（50671040） 郭兴蓬1, 21.华中科技大学化学系，武汉 430074；2.材料化学与服役失效湖北省重点实验室，武汉 430074摘要：采用飞秒激光器制备了纯镍微悬臂梁试样（尺寸为（50m50m80m(hWL)），进行了宏试样和微试样的静态腐蚀实验结果表明，宏试样表面出现明显的局部腐蚀特征，而微试样表面主要表现为全面腐蚀特征用疲劳测试平台研究了制备的微Ni试样的疲劳性能结果表明，应力幅和介质中Cl-的含量对试样的疲劳寿命有显著的影响；试样在疲劳断裂前，最大载荷逐渐降低关键词：悬臂梁；腐蚀疲劳；镍；微系统中图分类号：TG 172.9 文献标识码：ACORROSION AND FATIGUE BEHAVIOR OF MICRO-SIZED Ni CANTILEVER BEAMSZHANG Qiang1, 2 GUO Xing-peng1, 21.Chemistry Department, Huazhong University of Science and Technology, Wuhan 430074；2.Key Laboratory of Materials Chemistry & Service Failure of Hubei Province, Wuhan 430074ABSTRACT: The micro-sized Ni cantilever beams with the dimensions of 50m50m80m(hWL) were fabricated by femtosecond laser processing. Static corrosion tests were carried out on the micro-sized Ni cantilever beams and ordinary-sized Ni plates. The results indicate that the micro-sized specimens exhibit general corrosion behavior on the surface of specimens compared with the localized corrosion behavior on the surface of ordinary-sized plates. The corrosion fatigue properties of micro-sized Ni specimens were studied by using a special fatigue testing machine. The results indicate that the fatigue lives of micro-sized specimens were significantly influenced by load amplitudes and Cl- contents in corrosive solution, and the maximum bending loads of micro-sized Ni specimens decreased gradually prior to final fractureKEY WORDS: cantilever beam; corrosion fatigue; nickel; micro-system微系统组件尺度被认为是微米级的，其机械性能往往不同于大尺度试样1生物医学微系统中的运动组件易受到循环应力和腐蚀介质的影响，为保证微系统长时间工作的稳定性，有必要研究微系统材料在微尺度下的疲劳性能 近年来，随着微加工技术的发展，用于微系统的材料范围不断得到拓展，镍及其合金因具有良好的机械性能而广泛用于微系统，微尺度镍的机械性能得到了广泛的研究2Ivars Gutmanis 在2002年美国陆军腐蚀高级研讨会上指出，微系统中存在着污染物腐蚀、缝隙腐蚀、腐蚀疲劳、电偶腐蚀及点蚀等各种腐蚀形态3.但相关的研究工作国内尚没有报告，国外亦少有发表.微系统的腐蚀行为有别于宏观大器件的腐蚀行为，也不同于宏系统中的微区腐蚀.因此，研究微系统的腐蚀及与宏系统的差异性，不仅对微系统的发展和应用具有重要意义，也是腐蚀科学自身发展的要求.本文采用微动实验台研究由飞秒激光器加工的镍微悬臂梁试样（50m50m80m(hWL)）的疲劳性能,比较微试样与宏试样的静态腐蚀行为的差异性，探讨难以产生大阴极小阳极和酸化自催化条件的微尺度Ni悬臂梁试样腐蚀和疲劳的本征机制，并研究腐蚀介质中Cl- 浓度及载荷幅的变化对微试样疲劳寿命的影响. 1 实验方法1.1 Ni 微悬臂梁试样的制备用飞秒激光器将50 m 厚的Ni(纯度99.95%)薄膜，加工成尺寸为50m50m80m(hWL)的悬臂梁，形状和尺寸见图 1. Fig.1 (a) Notched cantilever-beam-type micro-sized specimens prepared by femtosecond laser processing, (b) schematic of the cantilever beam geometry used in the investigation.加载位置距固定端60 m，切口距离固定端20 m，深度为11 m，宽度为3 m .试样的固定端用307胶密封固定于尺寸为（10mm10mm6mm(BWL)）PETF基底上，悬臂梁外露并伸出于基体.试样和基底全浸在3.0% NaCl 溶液中.溶液由于表面张力的作用不能到达微切口内部，因此将试样和溶液放入抽滤瓶抽真空，用CCD观察，直到溶液充满切口区. 1.2 疲劳实验台腐蚀疲劳实验在特制的仪器上进行，如图2所示微动工作台可以提供X,Y方向最大220m位移，Z方向最大位移为160m，位移分辨率为0.1m，最大响应频率100 Hz不锈钢杆一端与三维微动平台相连，另一端与金刚石测针连接，测针尖端最小直径10m测针附近的CCD系统对试样的空间位置和疲劳实验动态监测微力传感器用于测量试样受到的力，分辨率为10-5 N信号发生器可提供正弦，方波及三角波等信号，输出频率03MHzFig. 2 Block diagram of the fatigue testing machine for micro-sized specimens used in this investigation.1.3 静态弯曲和疲劳实验疲劳实验前，先用无切口试样进行静态弯曲实验，以确定腐蚀疲劳外加载荷大小.为减小探针对试样表面的影响，探针尖端尽量磨钝.用微动平台调节测针空间位置，加载位置距离固定端60m，调整加载速率使试样形变速率为0.3m/s，记录微力传感器的读数. 疲劳实验中最大载荷控制在0.2到0.7 PB，PB为微试样最大静态弯曲强度.每组5个试样，在不同时间停止实验来获得各实验阶段裂纹起始和生长速率的数据.在空气中加载频率为10 Hz，在3.0% NaCl溶液中加载频率为2 Hz. 试样在腐蚀疲劳实验中全浸在同条件的3.0% NaCl溶液中.溶液的温度为室温，pH值为7.00.3，每12h补充一次去离子水.溶液表面与实验室空气相通，以确保有充足气体扩散到试样表面.信号发生器将正弦信号传输至微动平台，微动台带动测针振动实现对试样循环加载. 图3为载荷和位移与时间的关系曲线，可见，载荷为75 mN时，试样产生的位移是26.2 m.用微力传感器随时测量最大载荷数值，疲劳实验后，用SEM 观察试样表面形貌. Fig. 3 Typical load (a) and displacement (b) versus time curves during fatigue test.1.4 静态腐蚀实验 为比较宏试样（0.05mm20mm20mm(hWL)）和微试样（50m50m80m(hWL)）静态腐蚀特征异同，将两种试样各4组进行静态腐蚀，腐蚀时间为1d、10d、20d和30d.溶液温度为室温.将两种试样全浸在3.0%NaCl溶液中，隔12h 补充一次去离子水.用SEM观察静态腐蚀后两种试样表面. 2 结果与讨论2.1 静态腐蚀图5a为10d静态腐蚀后宏试样的表面腐蚀形貌，可见，宏试样表面出现了明显的晶间腐蚀和点蚀.宏试样在循环应力和腐蚀介质的作用下，易在这种晶间腐蚀处形成裂纹源，随着裂纹的扩展，腐蚀介质进入裂纹导致二次点蚀. 在循环应力的作用下，产生的主裂纹转变成穿晶腐蚀疲劳裂纹，最终导致材料失效4.图5b为10d静态腐蚀后微试样的表面腐蚀形貌，可见，微试样表面没有明显的晶间腐蚀和点蚀特征，表现为均匀腐蚀特征，清除腐蚀产物膜后，也没有明显的局部腐蚀痕迹. 当试样小到电解质扩散层厚度以及接近材料晶粒大小尺度时，腐蚀行为从一个近似面反应过程转变为一个体反应过程，难以形成大阴极小阳极和酸化自催化条件；同时，由于试样表面积很小，若微试样与宏试样的亚稳态点蚀发生几率相同，依宏试样的腐蚀规律，微试样难于产生缝隙腐蚀和点蚀5. (a) (b)Fig.5 (a) Pits and intergranular corrosion on the surface of the ordinary-sized specimens exposed to 3.0% NaCl solution for 10 days, (b) Typical appearance of unnotched micro-sized specimen after 10d pre-corrosion in 3.0% NaCl solution.2.2 载荷幅和介质中Cl- 含量对疲劳寿命的影响 微尺度Ni悬臂梁试样的腐蚀疲劳实验正弦加载的平均载荷为67.08 mN，加载频率为2 Hz.图6为载荷幅不同时微尺度试样的疲劳寿命，可见，随着载荷幅增加，试样的腐蚀疲劳寿命降低. Fig. 6 Fatigue life plot of the Ni micro-sized specimens tested in 3.0% NaCl solution at room temperature. 图6中箭头表示试样经过106次循环加载仍然没有疲劳，相应的载荷幅被称为临界载荷幅，本实验测得的临界载荷幅约为15 mN. 实际上，在腐蚀环境中，试样的S-N 曲线永远不会达到水平，因此，不存在严格意义上的腐蚀疲劳临界载荷幅.临界载荷幅和平均载荷对微系统结构的设计具有重要意义，由于宏尺度Ni 的腐蚀疲劳方面数据缺乏，难以实现二者比较. 疲劳实验的循环加载参数如：应力比、加载波形、应力强度因子及腐蚀环境中Cl-浓度对腐蚀疲劳会产生较大影响6. 图7为腐蚀介质中Cl-含量不同时Ni微悬臂试样腐蚀疲劳寿命的变化，可见，3组试样的腐蚀介质NaCl的质量浓度分别为1%、2% 和 3%时，试样的平均腐蚀疲劳寿命分别为1.2105, 8.1104, 6.4104 次循环.当NaCl的含量小于3wt%时，随着Cl-浓度的增加，试样的平均疲劳寿命明显降低. Cl-浓度增加，会加速材料表面裂纹的起始和扩展过程. 实验中加载的应力幅为75mN，应力比R =0.3，加载频率均为2 Hz.Fig. 7 Effect of Cl- content on corrosion fatigue lifetime of micro-sized Ni cantilever beams with a 3 m width notch tested at room temperature.2.3 Ni微尺度试样的腐蚀疲劳性能图8为腐蚀疲劳断裂后微Ni悬臂梁试样和断口形貌，可见，试样断裂首先发生在切口处，试样固定端出现明显的局部腐蚀特征；疲劳断面上有明显的点蚀坑，没有发现明显的腐蚀疲劳长裂纹金属在3.0% NaCl 溶液中腐蚀疲劳机理被认为受阳极溶解控制7，这个机理同样适用于本实验的微尺度试样纯镍具有良好的耐蚀性能，但在循环应力和腐蚀介质共同作用下，具有最大弯曲应力的切口区及较大弯曲应力的固定端，均产生了明显的局部腐蚀在循环加载作用下，微小裂纹处会产生比Ni 的强度极限更大的弯曲拉应力，而导致点蚀区材料的塑性变形持续的塑性变形导致了金属表面活性点的增加和已有活性区活性程度的增大，进而加速了裂纹尖端材料的溶解过程因此，微系统表面的微小缺陷和粗糙度在其加工过程中应备受重视8 Fig. 8 (a) Scanning electron micrograph of the notched specimen after fatigue failure, (b) Fatigue fracture surfaces of micro-sized Ni cantilever beam with 3 m breadth notch tested in 3.0% NaCl solution at room temperature. 循环应力增加了试样切口底部材料的电化学活性，促使局部腐蚀向深度方向发展另外，微尺度试样面体比较大，表面原子在力作用下，易产生缓慢移动9，从而使点蚀沿水平方向扩展微试样表面点蚀体积增大不利于应力的集中，同时加速了局部腐蚀区与外界的物质交换，不易导致酸化自催化的发生微尺度Ni试样有较高的抵抗裂纹的能力，这使得在其表面难以形成裂纹源10这是微尺度金属薄膜材料具有较长疲劳寿命的主要原因 图9为微尺度Ni悬臂梁试样在腐蚀疲劳实验中最大载荷随时间的变化曲线，可见，在断裂前最大载荷的数值不断降低，预腐蚀时间增加，最大载荷下降越显著最大载荷数值不断降低说明疲劳实验中Ni微尺度材料在循环应力和腐蚀介质的作用下产生了不可恢复的蠕变变形Ni在较低温度下产生蠕变变形已有相关报道11微尺度材料的疲劳和蠕变等性能的研究可以为微系统的设计和加工提供重要的依据 Fig. 9 Maximum load relaxation of micro-sized Ni cantilever beams with different pre-corrosion durations at room temperature. 3 结论(1) 静态腐蚀20后，宏试样表面有明显的局部腐蚀特征，微试样表面则表现为均匀腐蚀特征 (2)增加应力幅，疲劳寿命降低；当介质中NaCl的质量浓度小于3.0%时，Cl-的含量增加，试样的疲劳寿命降低 (3)腐蚀疲劳断裂首先发生在试样的切口区，断面有明显的局部腐蚀特征疲劳过程中最大弯曲载荷不断降低，说明微尺度Ni在常温下容易产生蠕变变形 参考文献： 1 C W Beak, Y K Kim, Y Ahn, et alMeasurement of the mechanical properties of electroplated gold thin films using micromachined beam structuresJ.Sens Actuators A, 2005, 117(1): 17.2 T Du, A vijayakumar, K B Sundaram, et al.Chemical mechanical polishing of Nickel for application in MEMS devicesJ.Microelectron Eng, 2004, 75 :234.3 I.Gutmanis.Corrosion affects on microelectromechanical systems(MEMS) A. 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