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。,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,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,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。,纳米压痕法测试材料力学性能的基本原理,Oliver-Pharr方法：,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,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,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：,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700m。,纳米划痕技术表征薄膜/涂层体系的界面强度的原理,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：,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,对比分析,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,实验步骤与方法,1纳米压痕实验原理讲解；2ABAQUS软件模拟压痕过程讲解和演示；3分组选择在镍镀层上压入不同的深度进行压痕实验和ABAQUS模拟，分析得到电沉积镍镀层的应力应变关系；4.在PZT薄膜上进行系列的压痕/划痕测试，根据给出的公式，分析得到PZT薄膜的界面强度，并对不同的测试模型进行比较。,打开玻璃小窗，搁置样品,样品台,注意：样品前低后高、左低右高样品间隔大于传感器尺寸,传感器,(2)开启电脑，打开仪器。,(3)打开软件，进行H-Pattern和AirIndent校准。,光学显微镜视场,力-时间曲线,H-Pattern,Mark,(4)选择位置，设定载荷、时间参数，进行压痕实验。,(5)实验完毕，拷贝数据，关闭仪器，最后关闭电脑。,纳米压痕测试的注意事项,进入实验室必须换鞋，在实验室保持安静，实验过程中不能碰触仪器。放置样品时遵循前低后高、左低右高的原则，样品间隔要大于传感器的尺寸。注意开关机顺序。实验过程中严格遵照软件提示操作。,ABAQUS模拟压痕过程,a.建立几何模型b.输入参数c.划分网格d.提交文件进行计算e.用图形读出计算结果并进行后处理,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