1.前言

       隨著科技高速發(fā)展，多種新興行業(yè)的不斷壯大，研究人員對于新材料以及零部件的測試提出了越來越高的要求，如下圖所示，分別針對涂層行業(yè)，半導(dǎo)體行業(yè)，復(fù)合材料以及汽車零部件行業(yè)的材料力學(xué)性能研究提出了難以通過傳統(tǒng)測試方法解決的要求：

       如何全面評價耐磨件表面涂層的力學(xué)性能，如硬度、耐磨性、基體結(jié)合性等；

       如何對芯片中的微小焊點等構(gòu)件進(jìn)行強度評價；

       如何實現(xiàn)復(fù)合材料中增強纖維與基體結(jié)合性能的表征；

       如何在不破壞零部件的前提下實現(xiàn)其拉伸性能的研究。

 

       2.儀器化壓痕測試方法

       針對上述難題，我們推薦儀器化壓痕測試方法進(jìn)行研究，儀器化壓痕測試與傳統(tǒng)硬度測試方法存在顯著的區(qū)別，前者根據(jù)直接測量的壓入深度間接計算壓痕面積，結(jié)合加載力值得到硬度值——壓痕硬度或者馬騰氏硬度，而后者分為布氏硬度、洛氏硬度與維氏硬度等方法，測試結(jié)果均由直接測量的壓痕面積或者壓入深度進(jìn)行直接計算得到相應(yīng)的硬度值。

 

       通過對比，我們不難發(fā)現(xiàn)，儀器化壓痕測試方法記錄了壓頭壓入與卸載的全部過程，得到加卸載曲線。然后通過對該曲線的分析可以得到材料的硬度、模量，甚至屈服強度與抗拉強度等力學(xué)性能參數(shù)。

 

       另外，與傳統(tǒng)硬度測試相比，儀器化壓痕測試具備以下顯著優(yōu)勢：

       可獲得壓痕模量等力學(xué)參數(shù)，便于進(jìn)行質(zhì)量控制與殘余應(yīng)力測試；

       無需測量殘余壓痕尺寸，可實現(xiàn)全自動測試，輕松實現(xiàn)硬度/模量的平面掃描。

       3.儀器化壓痕測試案例

       在前言部分我們提出目前面臨的四個測試難題，本期首先針對第三個問題進(jìn)行舉例說明：

       測試設(shè)備：ZwickRoell-納米壓痕儀ZHN2.0

       材料：SiC纖維增強SiC基復(fù)合材料（SiC纖維表面沉積熱解碳PyC）

       樣品制備：利用低速金剛石鋸切割9 mm X 2 mm X 0.5 mm樣品，厚度500微米，然后研磨減薄(Precision Lapping and Polishing System PM5, Logitech Ltd.), 加工得到平行表面，且保證纖維軸向垂直于樣品表面，最終得到厚度為100微米樣品，樣品表面需要拋光處理（硅溶膠32nm），最后，將樣品固定于帶有凹槽的玻璃基體上。

       壓頭：平?jīng)_壓頭（頂端5微米X5微米）

       利用平?jīng)_壓頭對纖維一端加載，通過掃描電鏡觀察發(fā)現(xiàn)隨著加載力的增加，壓痕尖端開始擴展至基體部分。最后，纖維由另一面頂出。

 

       對比兩種壓頭所得壓入力-位移曲線可知，平?jīng)_壓頭所測的纖維-基體開脫臨界力降低，初步推測該現(xiàn)象由玻氏壓頭在壓入過程中觸及邊緣基體所致，而采用平?jīng)_壓頭時，當(dāng)纖維完全脫開基體后，壓入力基本保持不變。此外，采用平?jīng)_壓頭進(jìn)行加卸載測試，進(jìn)而得到纖維與基體兩者之間發(fā)生摩擦所損耗的能量。

 

       加載曲線所包含面積由耗散功和非耗散功組成：其中耗散功包括摩擦功、塑形變形功與界面脫開功，而非耗散功主要為彈性變形功。由此可計算出界面脫開所需能量，進(jìn)而得到纖維-基體的界面破裂韌性。

 

       4.ZwickRoell儀器化壓痕解決方案

       ZwickRoell所生產(chǎn)兩款儀器化壓痕測試設(shè)備，根據(jù)力值范圍不同分為納米壓痕儀和宏觀儀器化壓痕儀，前者主要針對涂層與薄膜進(jìn)行表面力學(xué)性能測試，包括硬度、模量、摩擦磨損、劃痕測試等，后者主要針對較大零部件進(jìn)行測試，如前言中第四個難題的微損測量，利用循環(huán)壓痕測試分析計算材料的單軸拉伸性能，這將會在下期內(nèi)容中進(jìn)行詳細(xì)闡述，歡迎各位關(guān)注。