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纳米压痕技术及其在薄膜/涂层体系中的应用

表面技术 2022年第6期51卷 138-159页

作者：王宇迪王鹤峰杨尚余赵帅金涛肖革胜树学峰太原理工大学机械与运载工程学院太原030024 太原清泽智成科技合伙企业太原030024

综述了纳米压痕技术的发展历程及其在薄膜领域的应用。介绍了当前实验室条件下主要采用的电磁驱动式纳米压痕仪的构造和工作过程。为了保证测试结果的准确性,要在合适的温度、湿度下进行压入实验,借助保载来消除一些可以避免的误差。阐... 详细信息

综述了纳米压痕技术的发展历程及其在薄膜领域的应用。介绍了当前实验室条件下主要采用的电磁驱动式纳米压痕仪的构造和工作过程。为了保证测试结果的准确性,要在合适的温度、湿度下进行压入实验,借助保载来消除一些可以避免的误差。阐述了压头的分类和选择原则,玻氏压头相比于维氏压头具有更小的中心线与棱面夹角,避免了尖端横刃对于压入结果准确性的影响,因此最常用的压头为玻氏压头;表征断裂韧性最合适的压头为立方角压头;表征微机电系统的弯曲采用楔形压头。总结了通过最大载荷和压入面积得到涂层力学参量的分析流程。归纳了将纳米压痕法应用于表征薄膜涂层的硬度和弹性模量、室温下蠕变性能、断裂韧性、残余应力、塑性性能等力学量的研究,如表征硬度和弹性模量的Oliver-Pharr法的应用,识别蠕变柔量的Lee-Radok模型的应用,分析断裂韧性的Lawn-Evans-Marshall模型的应用。在涂层制备过程中,制备参数的改变可以使得涂层具有不同的力学性能,涂层厚度远小于表面尺寸,硬度和弹性模量仍然存在各向异性,非晶态结构涂层具有更高的硬度和弹性模量。采用碳纳米管强化可以提高涂层的断裂韧性,涂层内存在适量的残余应力数值和合适的残余应力类型,可以改善涂层的力学性能。具有多层结构、梯度结构等新型结构的涂层相比于传统涂层具有更优良的力学性能。纳米压痕法结合AFM原子力显微镜可以实现原位测量,结合有限元法可以对于理论模型进行完善,并拓宽模型的适用范围。最后,对于纳米压痕技术在薄膜涂层中的应用前景进行了展望。

关键词：纳米压痕薄膜涂层力学性能研究现状

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纳米压痕技术在岩石材料中的应用与研究进展

岩石力学与工程学报 2022年第10期41卷 2045-2066页

作者：何智海倪雅倩杜时贵石锦炎金佳旭詹培敏绍兴文理学院土木工程学院浙江绍兴312000 浙江省岩石力学与地质灾害重点实验室浙江绍兴312000 宁波大学岩石力学研究所浙江宁波315211 东南大学材料科学与工程学院江苏南京211189 辽宁工程技术大学土木工程学院辽宁阜新123000 同济大学先进土木工程材料教育部重点实验室上海201804

作为一种非均质的复合材料,岩石的宏观性能很大程度上取决于其在微纳观尺度上的结构特性。随着纳米压痕技术的推广和发展,岩石材料的纳观结构力学信息得到了大量的报道。为了解纳米压痕技术在岩石中的研究现状,对国内外相关文献进行了... 详细信息

作为一种非均质的复合材料,岩石的宏观性能很大程度上取决于其在微纳观尺度上的结构特性。随着纳米压痕技术的推广和发展,岩石材料的纳观结构力学信息得到了大量的报道。为了解纳米压痕技术在岩石中的研究现状,对国内外相关文献进行了综述。首先,应用纳米压痕技术测试岩石材料的弹性模量、硬度、断裂韧性和时效蠕变的基本原理被阐述。其次,用于纳米压痕测试的样品制备方法和测试参数选择被归纳总结。在此基础上,对页岩、煤、砂岩和泥岩等常见岩石材料的纳观尺度特征进行了总结分类,并分析了影响其纳观力学参数的关键因素。结果表明:由于纳米压痕在力和位移两方面都具有较高的精度,可以用于提取单个晶粒的局部力学特性,这避免了常规力学测试对于试件尺寸的要求。但是纳米压痕测试对于样品的表面粗糙度和加卸载制度有着特定要求,特殊的岩样需要与之匹配的制样方式。此外,岩石的矿物组成和外界环境因素对于材料的纳观力学性能有着重要影响。尽管纳米压痕技术已被广泛应用,但其在岩石材料中的研究起步较晚,在数据分析,多尺度模型搭建和纳–微–细–宏观力学性能传递方面还面临着诸多难点。

关键词：岩石力学纳米压痕微观力学性能蠕变性能断裂韧性

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岩石-锚固剂结构水化失稳微观力学特性

岩土力学 2023年第3期44卷 784-798页

作者：荣浩宇王伟李桂臣许嘉徽梁东旭河海大学岩土力学与堤坝工程教育部重点实验室江苏南京210098 河海大学土木与交通学院江苏南京210098 中国矿业大学深部煤炭资源开采教育部重点实验室江苏徐州221116 中国矿业大学矿业工程学院江苏徐州221116 徐州工程学院土木工程学院江苏徐州221116

为研究岩石-锚固剂结构水化失稳微观机制,基于泥岩锚固试样SEM试验与纳米压痕试验,分析了不同含水率下岩石-锚固剂结构微观力学性质演化规律。结果表明:干燥条件下岩石-锚固剂结构完整性好,界面呈一定宽度的黏结区域。随含水率增大,结... 详细信息

为研究岩石-锚固剂结构水化失稳微观机制,基于泥岩锚固试样SEM试验与纳米压痕试验,分析了不同含水率下岩石-锚固剂结构微观力学性质演化规律。结果表明:干燥条件下岩石-锚固剂结构完整性好,界面呈一定宽度的黏结区域。随含水率增大,结构内出现溶蚀孔洞与裂隙,黏结区域范围缩小,饱和含水率下岩石-锚固剂结构脱黏失效。低含水率下,受各组分间力学性质差异影响,压痕数据离散性较大。高含水率下,各组分间胶结能力劣化,结构整体力学性能降低,数据离散性变小。水化损伤加剧使泥岩胶结结构失效并导致宏观破坏,而锚固剂会填充水化作用下界面产生的微孔隙,使其力学性能相对岩石部分有一定提升,故界面微观参数衰减幅度小于泥岩部分。

关键词：泥岩岩石-锚固剂结构水化失稳微观力学特性纳米压痕

Al含量对选区激光熔化Al_(x)CoCrFeNi(x=0.3,0.5,0.7,1.0)的显微组织及纳米压痕的影响

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材料工程 2022年第6期50卷 27-35页

作者：邓操李瑞迪袁铁锤牛朋达中南大学粉末冶金国家重点实验室长沙410083

采用气雾化法制备预合金粉末,通过选区激光熔化(selective laser melting,SLM)制备Al_(x)CoCrFeNi(x=0.3,0.5,0.7,1.0)高熵合金。通过X射线衍射仪、扫描电镜以及纳米压痕实验,综合分析Al_(x)CoCrFeNi的物相、微观组织、硬度、杨氏模量... 详细信息

采用气雾化法制备预合金粉末,通过选区激光熔化(selective laser melting,SLM)制备Al_(x)CoCrFeNi(x=0.3,0.5,0.7,1.0)高熵合金。通过X射线衍射仪、扫描电镜以及纳米压痕实验,综合分析Al_(x)CoCrFeNi的物相、微观组织、硬度、杨氏模量及蠕变曲线,探讨Al含量对Al_(x)CoCrFeNi显微组织及纳米压痕的影响。结果表明:Al含量对物相组织有显著影响,其中Al_(0.3)CoCrFeNi与Al_(0.5)CoCrFeNi为FCC结构,Al_(0.7)CoCrFeNi和Al_(1.0)CoCrFeNi为BCC/B2结构。Al_(0.3)CoCrFeNi和Al_(0.5)CoCrFeNi主要由等轴晶组成,Al_(0.7)CoCrFeNi和Al_(1.0)CoCrFeNi主要由柱状晶组成。随Al含量增加,孔隙及裂纹等缺陷增加。在Al_(0.3)CoCrFeNi和Al_(0.5)CoCrFeNi中没有观察到明显的熔池形貌。随Al含量增加,样品残余应力增加。随Al含量增加,硬度增加,由Al_(0.3)CoCrFeNi的447HV增加至Al_(1.0)CoCrFeNi的567HV。Al_(0.3)CoCrFeNi杨氏模量约为273 GPa,Al_(0.5)CoCrFeNi约为233 GPa,Al_(0.7)CoCrFeNi和Al_(1.0)CoCrFeNi杨氏模量相近,分别为240 GPa和242 GPa,硬度与杨氏模量的变化主要与组织及物相有关。与传统蠕变曲线不同,Al_(x)CoCrFeNi的纳米压痕蠕变曲线只包括瞬时蠕变和稳态蠕变两个阶段,其蠕变机制主要为位错蠕变,其中Al_(0.7)CoCrFeNi具有最好的抗蠕变性能。Al_(0.3)CoCrFeNi具有最好的打印成形性,其屈服强度为702 MPa,伸长率为27.5%。

关键词：选区激光熔化 Al_(x)CoCrFeNi 显微组织纳米压痕

感应熔覆原位自生TiC增强钛基复合涂层的纳米力学性能

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材料工程 2023年第7期51卷 188-196页

作者：张粲东于鹤龙王红美尹艳丽舒林森张伟徐滨士陕西理工大学机械工程学院陕西汉中723000 陆军装甲兵学院装备再制造技术国防科技重点实验室北京100072 京津冀再制造产业技术研究院河北沧州062450

为揭示感应熔覆原位TiC/Ti复合涂层微观结构与力学性能的对应关系,利用单一纳米压痕测试方法研究涂层内不同相结构的纳米力学性能变化规律,利用点阵压痕测试方法研究涂层微区结构的力学性能。单一压痕结果显示原位TiC增强相的纳米压痕... 详细信息

为揭示感应熔覆原位TiC/Ti复合涂层微观结构与力学性能的对应关系,利用单一纳米压痕测试方法研究涂层内不同相结构的纳米力学性能变化规律,利用点阵压痕测试方法研究涂层微区结构的力学性能。单一压痕结果显示原位TiC增强相的纳米压痕硬度和弹性模量分别为21.3 GPa和275 GPa,富α-Ti与富β-Ti区域的基质相平均纳米硬度分别为4 GPa和6 GPa,平均弹性模量分别为130 GPa和155 GPa。点阵压痕与单一压痕测试结果之间具有较好的对应关系,对点阵纳米压痕测试结果进行三峰高斯拟合得到的最小峰值代表了涂层基质相的力学性能,中间峰值反映涂层的综合力学性能,最大峰值因受增强体尺寸与压痕位置的影响低于原位TiC增强体的真实力学性能。在考虑涂层微观结构与增强体尺寸的情况下,通过合理设置点阵压痕测试条件,选择适当的测试区域,可以在获得原位钛基复合涂层不同相结构真实力学性能的同时,揭示涂层的综合性能。

关键词：感应熔覆原位合成钛基复合涂层纳米压痕

热处理对CLAM钢焊缝抗辐照损伤性能影响的研究

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稀有金属材料与工程 2023年第7期52卷 2494-2504页

作者：乔永丰雷玉成姚奕强朱强江苏大学材料科学与工程学院江苏镇江212013 中广核研究院有限公司广东深圳518000

为提高中国低活化马氏体钢(China low activation martensitic steel,CLAM)焊缝抗辐照损伤及辐照硬化的能力,采用AFM、SEM、TEM、掠入射X射线衍射(grazing incidence X-ray diffraction,GIXRD)、拉伸试验和纳米压痕技术等方法,对热处理前后的CLAM钢焊缝在室温下经能量为70 keV、剂量为1×10^(17) ion/cm^(2)的He^(+)辐照后的辐照损伤情况及力学性能进行了研究。研究结果表明,已热处理与未热处理2种焊缝经离子辐照后,焊缝金属中均产生了空洞等微观缺陷。热处理后的CLAM钢焊缝具有晶粒组织更小、晶界密度更高的特点,阻碍了微观缺陷的相互聚集,焊缝内形成的缺陷分布更均匀、尺寸更小,该焊缝在辐照前后始终具有更优异的力学性能。通过热处理工艺来细化焊缝晶粒,提高焊缝抗辐照损伤及抗辐照硬化的能力,是一种可行的思路与方法。

关键词： CLAM钢辐照损伤辐照硬化纳米压痕

纳米晶CoNiCrFeMn高熵合金力学性能的原子尺度分析

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物理学报 2022年第19期71卷 363-374页

作者：陈晶晶邱小林李柯周丹袁军军南昌理工学院机电工程学院南昌330044 南昌理工学院江西省光电材料重点实验室南昌330044

对纳米晶(单晶、多晶)CoNiCrFeMn高熵合金的力学性能评估有助于理解高熵合金材料物性,更好地服务于核反应堆包壳管、航空发动机、喷气涡轮叶片等国防应用领域发展.本文提出对纳米晶CoNiCrFeMn高熵合金微结构演化与力学性能间的相关性展... 详细信息

对纳米晶(单晶、多晶)CoNiCrFeMn高熵合金的力学性能评估有助于理解高熵合金材料物性,更好地服务于核反应堆包壳管、航空发动机、喷气涡轮叶片等国防应用领域发展.本文提出对纳米晶CoNiCrFeMn高熵合金微结构演化与力学性能间的相关性展开研究.基于纳米压痕法,研究了纳米晶高熵合金和纳米晶镍的变形行为与力学性能,比较了使役温度对纳米晶CoNiCrFeMn高熵合金和纳米晶Ni的力学性能与微结构演化差异.结果表明:单晶高熵合金力学性能(最大承载荷、硬度、杨氏模量、接触刚度)优越于单晶镍主要源于单晶高熵合金外形呈鼓包式结构内的位错滑移与拓展传播受到局限域的阻滞作用.极端低温5 K下的材料力学性能表现最佳,多晶Ni相比单晶Ni的最大承载荷、硬度、杨氏模量、接触刚度降幅分别达28.9%,20.27%,32.61%,36.4%;多晶CoNiCrFeMn高熵合金相比单晶CoNiCrFeMn高熵合金的最大承载荷、硬度、杨氏模量、接触刚度降幅依次达21.74%,23.61%,23.79%,22.90%.此外,多晶高熵合金力学性能相比单晶高熵合金对温度敏感性更强,其力学性能随温度升高近似线性下降.对多晶高熵合金和多晶镍而言,晶界不仅是位错滋生、拓展、繁衍的起源区,更是萌生缺陷、产生裂纹拓展与失效的集中域.受应力驱动晶界边缘的微结构演化和缺陷存在,多晶材料力学性能弱于单晶材料.

关键词： CoNiCrFeMn高熵合金纳米压痕温度响应力学性能分子模拟

纳米压痕下VCoNi中熵合金的塑性变形行为

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金属学报 2024年

作者：王方圆张玉龙王章维熊志平王辉宋旼夏文真中南大学粉末冶金国家重点实验室北京科技大学新金属材料国家重点实验室安徽工业大学冶金工程学院微纳组织与力学研究所北京理工大学冲击环境材料技术国家级重点实验室

fcc等原子比VCoNi中熵合金因优异的力学性能受到广泛关注,而探究其塑性变形机制对于力学性能调控至关重要。尽管已有研究揭示了VCoNi中熵合金的塑性变形机制,但晶粒取向对位错运动过程和位错间相互作用机理的影响仍不清楚。本工作利用... 详细信息

fcc等原子比VCoNi中熵合金因优异的力学性能受到广泛关注,而探究其塑性变形机制对于力学性能调控至关重要。尽管已有研究揭示了VCoNi中熵合金的塑性变形机制,但晶粒取向对位错运动过程和位错间相互作用机理的影响仍不清楚。本工作利用纳米压痕探讨了VCoNi中熵合金{101}、{111}和{001}晶粒的塑性变形行为。通过滑移台阶演变和载荷-位移曲线的分析,重点研究了晶体取向对其塑性变形行为的影响,以及位错间相互作用、载荷-位移变化行为与位错运动之间的关系。结果表明,VCoNi中熵合金中晶粒取向决定纳米压痕诱导滑移系激活与开动顺序,以及位错反应过程,进而显著影响压痕压坑和其周边滑移台阶的形貌,以及载荷-位移变化行为。对于位错相互作用的研究发现,在{101}晶粒上位错反应易形成Lomer-Cottrell位错锁和glissile结,在{111}晶粒易形成collinear结和Lomer-Cottrell位错锁,而在{001}晶粒易形成glissile结,这决定不同晶粒压痕载荷-位移曲线中的后续位移突变行为。本研究对VCoNi中熵合金在不同晶向上的塑性变形行为提供了深入的见解,为优化这类中熵合金的力学性能提供重要指导。

关键词：中熵合金纳米压痕滑移台阶塑性变形位错反应

纳米压痕法测量航空发动机关键材料残余应力的研究进展

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同方期刊数据库

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材料导报 2024年第11期38卷 216-228页

作者：罗军李楠王曦刘昌奎中国航发北京航空材料研究院北京100095 航空工业失效分析中心北京100095 航空材料检测与评价北京市重点实验室北京100095 中国航空发动机集团材料检测与评价重点实验室北京100095

随着航空发动机的需求日益增加,人们对合金性能的要求也越来越高。在制造和加工过程中引入的残余拉应力会严重影响合金的力学性能,从而缩短发动机的服役寿命。因此,残余应力的测量对发动机的可靠性和安全性起着关键性作用。本文系统归... 详细信息

随着航空发动机的需求日益增加,人们对合金性能的要求也越来越高。在制造和加工过程中引入的残余拉应力会严重影响合金的力学性能,从而缩短发动机的服役寿命。因此,残余应力的测量对发动机的可靠性和安全性起着关键性作用。本文系统归纳了纳米压痕技术的测量原理,包括接触深度、接触刚度、接触面积、硬度以及弹性模量的计算,介绍了纳米压痕测量残余应力计算模型(如Suresh、Lee、Xu、Wang、Kim以及Peng等模型)的分析过程,对比了计算模型之间的优缺点,详细综述了纳米压痕理论在航空发动机关键材料(如不锈钢、铝合金、钛合金、镍基高温合金)残余应力测量中的最新研究进展,总结了残余应力计算模型存在的不足,同时展望了纳米压痕法测量残余应力的发展方向。

关键词：纳米压痕计算模型残余应力航空发动机关键材料