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【开学季】+纳米压痕仪对材料蠕变的研究

unht

2014/09/30

物性测试综合讨论

许多材料的室温蠕变能力很低，用传统的拉伸方法很难准确测量

蠕变应力指数（与蠕变机制密切相关）纳米压痕仪具有极高的载荷

和位移分辨率，能够方便的用于微小载荷的性能测量，为研究材料

的室温压痕蠕变提供了一种有效的测试手段。纳米压痕仪具有很高

的位移和载荷的分辨率，它为考察材料的局部蠕变行为提供了一种

新的手段。用该法测量蠕变应力指数，不但方法简单，对样品尺寸

要求不高，而且测量精度高。

压痕蠕变时，材料受到的是三维的复杂应力，变形区形状由材料

的硬度、模量和加工硬化能力决定，蠕变过程与材料中弹塑性区边

界向材料内部扩展的速率有关。压痕测量研究的是衡载荷下的应力

弛豫过程，通过单次测量就可得到应变速率敏感指数。

本文以单晶Cu做为实验材料，通过瑞士CSM公司纳米压痕仪进行

蠕变测试。

测试条件：最大载荷20mN,加卸载速率40mN/min，保载时间600s

图1

基于纳米压痕数据，有效压痕应变速率和应力可从下列公式计算

其中ε应变率，σ应变，hi瞬间压痕深度，Ac接触面积，R压头半

径

基于实验所得纳米压痕数据作图

图2(a)t-Pd曲线

图2（b)t-strain rate曲线

图2（c)stress-strain rate 曲线

分析：

图2b示载荷达到一横定值不变时在随着时间推移100秒后应变率降

低到几乎为一恒定值，这表明稳态蠕变已达到。图2（c）本阶段的

稳态蠕变负载20mN，呈S型曲线，所对应不同的应变速率范围内可

以被分成三个稳定的阶段，如图2（c)所示有一个明显的蠕变应力指

数随着压痕深度的增加，应力指数从8.425至3.547减小，之后在负

荷20mN下增加至7.498。

Cu晶内原子排列整齐有序，不存在晶界，使得空位的体扩散和

位错运动路径很长，且室温下原子的扩散能力低。纳米压痕仪具有

极高的载荷和位移分辨率，能够准确的用于微小载荷的性能测量，

为研究材料室温压痕蠕变提供了一种有效的测试手段。

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