单晶铝纳米级硬度试验研究

使用纳米硬度计对单晶铝进行了纳米压痕试验，利用原子力显微镜对压痕形貌进行扫描并计算硬度值，重点观察和分析了纳米级条件下单晶铝的硬度性质，结果表明，当压痕深度小于2000nm时，单晶铝纳米硬度存在尺寸效应现象；从材料性质的角度分析了纳米硬度尺寸效应现象；探讨了纳米硬度和传统硬度本质上的区别，指出其根本原因在于不同尺度下人们对材料性质的关注点不同。     

纳米压痕试验中圆柱形压头尺寸效应

针对薄膜材料在纳米压痕试验时出现的压痕尺寸效应,运用准连续介质法模拟单晶铝膜纳米压痕试验初始塑性变形过程。分析了不同直径的刚性圆柱形压头分别压入同一深度时弹性和塑性变形特点,并获得了相应的载荷—压深曲线。基于Oliver-Pharr法,预测了纳米硬度值和弹性模量。研究数据表明:纳米硬度值随着压头直径的增加而减小,呈现出明显的压头尺寸效应;当压头直径达到或超过80时纳米硬度值趋于稳定值,即压头尺寸效应消失。同时表明弹性模量不存在尺寸效应。表明材料的弹性模量本质上仅依赖原子间的结合能,而和压头尺寸基本无关。     

基于准连续介质力学法预测单晶铜的纳米硬度

采用准连续介质力学的数值方法,模拟了单晶铜纳米压痕试验中的初始塑性变形过程,获得了压头在不同压深时的载荷-压深的加载和卸载曲线,然后根据Oliver-Pharr方法计算出压头在不同压深时单晶铜的接触刚度、纳米硬度,并将获得的计算结果与相关文献的试验结果相比较。研究发现:单晶铜的接触刚度-位移曲线呈线性关系,纳米硬度-位移曲线存在尺寸效应现象,计算获得的纳米硬度值为0.755±0.027Gpa,这些结果与文献中实验获得的结果非常吻合,表明使用该方法预测材料纳米硬度是非常有效、正确和可行的。