微/纳米尺度硬度测量技术及研究

　　0　引言

　　硬度是评价材料性能的一个主要指标,从变形机理上讲是指物体抵抗弹性变形、塑性变形及破坏的能力。硬度不是一个单纯的物理量,它可以综合反映材料的弹性、塑性、强度及韧性等一系列物理性能。由于硬度测量直观、简单,通常利用测量硬度来研究材料的其它力学性能,如抗拉强度、疲劳强度磨损性能等。传统硬度测量的主要仪器为硬度计,通过硬度计压头以一定压力接触被测量材料表面,使材料表面产生压痕,根据载荷与压痕面积之间的关系给出硬度值。硬度试验中,通常把压入载荷大于10N时所得硬度值称为宏观硬度(macrohardness),可用洛氏硬度计、布氏硬度计等测量;把压入载荷在10mN~10N之间所得硬度值称为显微硬度,可用努氏硬度计、显微维氏硬度计来测量。

　　随着微机械及材料加工技术的不断发展,传统的测试技术不再满足于新的发展需要,基于以下三方面的主要原因,给硬度的测试技术提出了新的要求。

　　(1)尺度效应带来的理论问题

　　当材料结构细微到微/纳米尺度后,材料本身的物理性能及其与环境的响应力学性能在环境介质中的行为在都会发生变化,表现为尺度效应,研究表明,即使是结构完好、成分纯正的金属材料在微尺度下也表现与宏观尺度极大不同的力学行为。由于尺度效应的存在,传统的力学理论,已不再适用于微纳观领域。

　　(2)小尺度带来的测量技术难度

　　薄膜已在微构件、电子信息产品及其它机械产品等众多领域广泛使用,它与产品的工作性能及使用寿命密切相关,薄膜的力学性能研究也引起了广泛关注。随着薄膜力学性能的不断提高,薄膜的厚度越来越小,最小的薄膜厚度可达到十几至几个纳米,当微构件尺寸、薄膜涂层的厚度细微到微/纳米尺度,传统的测试技术无论在测试手段还是测量精度上都无法满足需要,给测量技术带来了新的挑战。

　　(3)一些新材料无法用传统测试技术来测量随着材料制备技术、加工方法的不断发展,新材料不断涌现,如纳晶材料、超硬材料、脆性材料、多孔材料、复合材料及有机高分子材料等等,传统的硬度测试技术对这些特殊材料无法测量。

　　近年来,随着测量工具的不断发展,先进观测手段的出现,及理论研究的不断深入,硬度测试技术取得了较大的进步,本文主要介绍基于纳米硬度计测量微纳米尺度压痕的硬度测量技术原理、方法及相关理论研究进展。

　　1　纳米硬度计测量机理分析

　　纳米硬度计又称深度敏感压痕硬度计(depthsensing indentation),主要测量微纳米尺度压痕的硬度。近年来,随着纳米硬度技术的发展,国际上已有多个厂家研制出商业化纳米硬度计,如美国的MTS公司、瑞士的CSEM公司、英国的micromalerials公司。商业化纳米硬度计以连续介质力学理论为基础,采用oliver-pharr计算方法,根据测量接触刚度S方式的不同,分以下两种机理。