1 大连理工大学 高性能精密制造全国重点实验室，辽宁大连6024
2 华侨大学 制造工程研究院，福建厦门36101
钇铝石榴石（YAG）晶体是制造固体激光器的重要材料，超精密磨削是加工YAG晶体等硬脆材料零件的重要方法，研究硬脆材料加工表面的微观变形、脆塑转变机理对超精密磨削加工具有重要的指导作用。为了实现YAG晶体低损伤磨削加工，获得高质量表面，基于弹塑性接触理论和压痕断裂力学，通过分析单磨粒划擦作用下材料表面的变形过程，考虑材料的弹性回复、微观下力学性能的尺寸效应，建立了脆塑转变临界深度的预测模型，并计算得到YAG晶体的脆塑转变临界深度为66.7 nm。在此基础上，通过不同粒度砂轮超精密磨削YAG晶体试验对建立的脆塑转变临界深度预测模型进行验证，并计算不同粒度砂轮在相应工艺条件下的磨粒切深。结果表明，磨粒切深高于脆塑转变临界深度时，YAG晶体磨削表面材料以脆性方式被去除，磨削表面损伤严重；磨粒切深低于脆塑转变临界深度时，磨削表面材料以塑性方式被去除，能够获得高质量磨削表面，加工表面粗糙度达到1 nm。建立的脆塑转变临界深度预测模型能够为YAG晶体的低损伤超精密磨削加工提供理论指导。
超精密磨削 YAG晶体 纳米压痕 纳米划痕 脆塑转变 YAG crystal nano-indentation nano-scratch brittle-to-ductile transition ultra-precision grinding
1 西安理工大学, 省部共建西北旱区生态水利国家重点实验室, 西安 710048
2 中国电建集团西北勘测设计研究院有限公司, 西安 710065
为了进一步认识中国西北气候环境对混凝土材料微观结构的影响, 采用纳米压痕技术对不同温湿度养护条件下混凝土的微观结构特征开展试验研究。结果表明: 从不同水化产物相的体积分数结果来看, 养护温湿度不足会使得水泥砂浆中毛细孔隙和低密度水化硅酸钙(C-S-H)凝胶含量增多。通过对不同养护条件下混凝土界面过渡区的压痕模量和硬度统计结果可知, 相比于20 ℃-95%相对湿度(RH)养护条件, 当养护条件为10 ℃-70% RH和3 ℃-50% RH时, 混凝土的界面过渡区平均厚度分别增加了5 μm和10 μm。
混凝土 养护条件 纳米压痕 微观力学 界面过渡区 concrete curing conditions nano-indentation microscopic mechanics interfacial transition zone
1 华南理工大学 材料科学与工程学院, 广州 510640
2 广东省新材料研究所 现代材料表面工程技术国家工程实验室, 广东省现代表面工程技术重点实验室, 广州 510651
低温沉积α-Al2O3薄膜是拓展其实际工程应用的关键。本研究以Al、α-Al2O3和Al + 15wt% α-Al2O3为靶材, 用射频磁控溅射在Si(100)基体上沉积氧化铝薄膜。用掠入射X射线衍射(GIXRD)、透射电子显微镜(TEM)、能谱仪(EDS)对所沉积薄膜的相结构和元素含量进行研究, 用纳米压痕技术测量薄膜硬度。结果表明, 在550 ℃的基体温度下, 反应射频磁控溅射Al+α-Al2O3靶可获得单相α-Al2O3薄膜。靶中的α-Al2O3溅射至基片表面能优先形成α-Al2O3晶核, 在550 ℃及以上的基体温度下可抑制γ相形核, 促进α-Al2O3晶核同质外延生长, 并最终形成单相α-Al2O3薄膜。
α-Al2O3 反应溅射 复合靶 低温沉积 纳米压痕 α-Al2O3 reactive sputtering composite target low-temperature deposition nano-indentation
1 哈尔滨工业大学 机电工程学院, 黑龙江 哈尔滨 150001
2 哈尔滨工业大学 能源科学与工程学院, 黑龙江 哈尔滨 150001
对熔石英材料的光学特性进行研究, 利用分光光度计得到了不同波长下元件的光透过率、吸收率及其变化规律。通过熔石英材料纳米压痕实验, 研究了熔石英材料的机械特性, 得到了熔石英晶体的弹性模量和材料硬度。研究了熔石英材料的断裂特性, 分析熔石英光学元件超精密加工亚表层损伤形成机理, 对亚表层损伤裂纹的结构、组成以及裂纹扩散的形成过程进行了分析和研究。利用纳米压痕实验, 模拟研磨加工时, 材料表面受单颗粒磨粒静态压印和动态冲击时形貌演变的过程, 得到了维氏硬度、断裂韧性及临界压力载荷。
光学材料 熔石英 光学特性 断裂韧性 纳米压痕 optical materials fused silica optical characteristics fracture toughness nano-indentation
大连理工大学 精密与特种加工教育部重点实验室, 辽宁 大连 116021
为了揭示磷酸二氢钾(KDP)晶体三倍频晶面微观弹塑性力学行为及加工性能, 开展了纳米压痕研究。建立了KDP晶体三倍频晶面各向异性力学模型, 基于光滑粒子流体动力学(SPH)方法对纳米压痕进行了数值仿真并完成了纳米压痕测试实验。实验结果表明: 实验与仿真计算的载荷-压入深度关系曲线的相关系数为0.996 328, 吻合度较高, 验证了力学模型的正确性, 得出KDP晶体三倍频晶面的屈服强度为240 MPa。数值仿真结果显示: 由于材料的各向异性, 工件内部应力呈不规则圆弧状分布; 载荷大小与等效应力影响深度呈近似线性递增关系; 材料表面等效塑性应变分布形状与压头投影面几何形状相类似, 存在复映效果。当载荷小于2 mN时, 各压头的残余应力深度差异性较小(小于0.2 μm); 随着载荷逐渐增大, 这种差异不断扩大。得到的结果为实现KDP晶体三倍频晶面的高效低损伤加工提供了理论支撑。
磷酸二氢钾晶体 三倍频晶面 纳米压痕 光滑粒子流体动力学 数值仿真 potassium dihydrogen phosphate(KDP) crystal tripler plane nano-indentation Smoothed Particle Hydrodynamics(SPH) numerical simulation
长春理工大学 机电工程学院，吉林 长春 130022
基于应变梯度理论,提出了一种玻璃基底光栅铝膜本构关系的表征方法。建立了包含基底参数和铝膜参数的本构关系数学模型，并逐一表征了相关参数。进行了79 g/mm中阶梯光栅铝膜的纳米压痕实验，验证了上述本构关系表征过程的正确性。提出了光栅薄膜材料和基底材料都具有尺度效应的假设，并应用纳米压痕实验对铝膜的尺度效应和基底效应进行了实验表征。对光栅铝膜压痕实验与含基底压深实验的结果进行了比较，结果显示，在有无基底条件下，压痕结果在应力方向上相差0.8倍，在应变方向上相差3倍。进行了光栅刻划实验，结果显示压痕实验对刻划实验具有重要的指导作用。研究过程及研究结果表明: 理论分析和两种实验可有效地分析光栅刻划过程，有助于在实际光栅刻划过程中减小误差，对光栅刻划的工艺过程具有较好的理论指导意义。
光栅刻划 光栅铝膜 玻璃基底 本构关系 纳米压痕 grating ruling grating aluminum film glass substrate constitutive relationship nano-indentation 光学 精密工程
2015, 23(10): 2843
大连理工大学 精密与特种加工教育部重点实验室, 辽宁 大连 116021
提出了一种石英玻璃仿真模型的构建方法, 并应用分子动力学(MD)仿真结合纳米压痕实验对石英玻璃进行了纳米级加工性能的研究。通过计算石英玻璃模型的密度和纳米硬度, 验证了模型的准确性。对石英玻璃进行了纳米压痕实验, 得到了压痕曲线并观察了纳米压痕形貌。最后, 对纳米级压痕过程进行了仿真, 通过计算配位数研究了损伤层的形成及扩展机理。计算得到的石英玻璃模型的纳米硬度约为9.7~10.7 GPa, 密度约为2.28 g/cm3, 与实际测量结果基本一致。仿真结果表明: 石英玻璃有着稳定的塑性变形和少量的弹性变形, 且存在压痕的尺寸效应。当压头压下时会形成大量的原子稠密区, 失去原来共价键的强度, 形成损伤层;而表面形貌主要是由于压头向两侧挤压原子和压头的黏附作用形成的。仿真和实验结果都表明石英玻璃比较适合超精密加工。
光学玻璃 石英玻璃 纳米压痕 分子动力学 超精密加工 optical glass quartz glass nano-indentation molecular dynamics ultra-precision machining 光学 精密工程
2014, 22(11): 2959
介绍了纳米压痕测试技术的基础理论及纳米压痕法常用的Oliver -Pharr方法的计算原理。采用纳米压痕试验测得不同表面粗糙度的Li2O-Al2O3-SiO2微晶玻璃样品的纳米硬度、弹性模量和载荷-位移曲线。结果表明样品表面粗糙度会降低纳米压痕测试结果的稳定性、准确性和可靠性: 样品表面粗糙度越小, 测得的纳米硬度和弹性模量值波动越小, 载荷-位移曲线重合性越高。随着最大载荷的增大, 测得的弹性模量逐渐减小, 其原因是压痕边缘材料发生了塑形变形。在超光滑表面样品(Ra=0.9 nm)上测得较为准确的Li2O-Al2O3-SiO2微晶玻璃纳米硬度和弹性模量值分别为8.8 GPa和7.79 GPa。纳米压痕测试结果的重合度对于评价超光滑表面完整性研究具有指导意义。
纳米压痕 纳米硬度 表面粗糙度 nano-indentation nano-hardness surface roughness
1 江苏科技大学 材料科学与工程学院, 江苏 镇江 212003
2 上海交通大学 材料科学与工程学院, 上海 200240
采用大功率半导体激光熔覆和重熔的工艺在低碳钢表面制备Ni-Fe-B-Si-Nb合金非晶复合涂层，并对所得涂层进行了纳米压痕性能测试。研究结果表明，当激光熔覆时激光功率为0.8 kW，熔覆速度为0.36 m/min，送粉速度为12 g/min，重熔时激光功率为3.5 kW，熔覆速度为8 m/min，在低碳钢表面成功制备了Ni40.8Fe27.2B18Si10Nb4非晶复合涂层，涂层主要由非晶相和NbC颗粒相组成。纳米压痕测试结果表明经激光重熔后所得非晶复合涂层的显微硬度和弹性模量远远大于未重熔的熔覆层，并且也大于同成分大块非晶。
激光熔覆 激光重熔 非晶涂层 纳米压痕 laser cladding laser remelting amorphous coating nano-indentation 强激光与粒子束
2014, 26(3): 031016
