微/纳米力学测试技术 仪器化压入的测量、分析、应用及其标准化PDF电子书下载

第一篇 绪论 3

第1章 材料力学性能及其表征 3

1.1 材料力学性能的基本参量 3

1.1.1 金属材料的弹塑性参量和蠕变参量 3

1.1.2 陶瓷材料的断裂参量 4

1.1.3 高聚物材料的黏弹参量 5

1.2 材料压入的功能指标和力学响应 6

1.2.1 硬度 6

1.2.2 力学响应 7

参考文献 10

第2章 力学测试技术 12

2.1 力学量的分类 12

2.2 典型仪器设备 13

2.2.1 传统材料试验机 13

2.2.2 传统硬度计 13

2.2.3 仪器化压入仪 15

2.3 对比分析 16

2.3.1 传统材料试验机和传统硬度计 16

2.3.2 纳米压入仪和显微硬度计 16

2.3.3 压入仪和传统材料试验机 17

2.3.4 仪器设备的综合对比 17

2.3.5 维氏硬度和压入硬度 20

2.4 压入技术的发展、特点和要求 21

2.4.1 仪器化压入技术的发展 21

2.4.2 纳米压入技术的特点 22

2.4.3 仪器化压入技术的内容和要求 23

参考文献 24

第二篇压入测量 29

第3章 测量原理 29

3.1 纳米压入仪的基本结构 29

3.2 纳米压入仪的力学响应 30

3.2.1 系统响应的力学模型 30

3.2.2 载荷-深度曲线的测量 32

3.3 测量参量 33

3.3.1 压入载荷和深度 33

3.3.2 压入总功和卸载功 33

3.3.3 接触刚度 34

3.3.4 马氏硬度 34

3.3.5 压入蠕变率 35

3.3.6 压入松弛率 35

3.4 连续刚度测量 36

参考文献 38

第4章 测量仪器 39

4.1 压入仪器的分类和发展 39

4.1.1 纳米压入仪 39

4.1.2 宏观压入仪 40

4.1.3 仪器设计的基本要素 40

4.1.4 测量仪器的发展趋势 42

4.2 压头的结构、类型和选取 43

4.2.1 压头结构 43

4.2.2 维氏压头 44

4.2.3 玻氏压头 45

4.2.4 立方角压头 46

4.2.5 努氏压头 47

4.2.6 圆锥压头 47

4.2.7 球形压头 48

4.2.8 楔形压头 48

4.2.9 压头选取的考虑因素 49

4.3 开发材料试验机宏观压入功能的实例 50

4.3.1 测量系统的设计 50

4.3.2 仪器的校准和检验 51

4.3.3 试验结果和校核 53

参考文献 55

第5章 校准检验 57

5.1 直接校准和检验 57

5.1.1 载荷测量装置校准 57

5.1.2 位移测量装置校准 57

5.1.3 压头的要求和检验 58

5.1.4 仪器柔度校准 58

5.1.5 压头面积函数校准 61

5.1.6 仪器状态检验 66

5.2 间接检验 66

5.2.1 仪器重复性 66

5.2.2 仪器误差 67

5.3 常规检查 67

5.4 参考样品 67

5.4.1 材料选择 68

5.4.2 样品加工 68

5.5 纳米压入仪测试和校准的实例 69

参考文献 74

第6章 测量环节 75

6.1 试验准备 75

6.1.1 试样尺寸 75

6.1.2 表面加工 75

6.1.3 试样安装 76

6.1.4 压头检查 76

6.2 环境控制 76

6.2.1 温度波动 76

6.2.2 地表振动 77

6.3 表面探测 77

6.4 驱动选择 78

6.5 参数设定 79

6.5.1 测试数量 79

6.5.2 压入间距 80

6.5.3 压入深度 80

6.5.4 泊松比选择 80

6.6 数据处理 81

6.7 测试流程 81

参考文献 82

第7章 影响因素 84

7.1 测量仪器的影响 84

7.1.1 压头钝化 84

7.1.2 接触零点确定 90

7.1.3 测量分辨能力 92

7.2 试样表面的影响 94

7.2.1 表面粗糙度 94

7.2.2 抛光工艺 95

7.2.3 压入凹陷和凸起变形 96

7.2.4 表面吸湿 99

7.3 测试环境的影响 99

7.4 压入位置的影响 101

7.4.1 压入影响区的有限元模拟 101

7.4.2 边界距离影响的有限元模拟 103

7.4.3 压入间距影响的实验验证 104

7.5 纳米压入技术面临的问题 105

参考文献 107

第三篇方法分析 111

第8章 分析原理 111

8.1 压入问题的基本假设 111

8.2 分析模型和适用范围 112

8.2.1 自相似理论 112

8.2.2 弹性压入变形场的基本关系 114

8.2.3 弹塑性压入变形场的基本关系 115

8.2.4 特征应变关系 116

8.2.5 适用范围 118

参考文献 118

第9章 压入能量标度关系 120

9.1 压入能量标度关系的发现 120

9.2 压入能量标度关系的实验验证 122

9.3 压入能量标度关系的理论推导 123

9.3.1 球对称假设下基本方程的化简和求解 123

9.3.2 线弹性和理想弹塑性材料的压入能量标度关系 127

9.3.3 可压缩硬化材料的压入能量标度关系 129

9.4 ISO14577-1:2002中压入功定义的误导 132

9.5 特征应变的物理含义 134

参考文献 135

第10章 压入硬度和弹性模量 137

10.1 三种典型的分析方法 137

10.1.1 接触刚度-接触深度方法 137

10.1.2 压入能量-接触刚度方法 143

10.1.3 纯压入能量方法 144

10.2 三种分析方法的对比 145

10.2.1 有限元模拟评估分析方法的准确性 145

10.2.2 误差分析探讨分析方法的稳定性 150

10.2.3 传统实验和压入实验的对比确认 151

10.2.4 三种分析方法的特点及其与测试方法的关系 156

参考文献 157

第11章 屈服应变和幂硬化指数 160

11.1 研究现状 160

11.1.1 研究进展 160

11.1.2 发展动态 162

11.2 压入能量测试方法 163

11.2.1 分析参量的选取 164

11.2.2 压入总功与识别参量关系的建立 167

11.2.3 Meyer系数与识别参量关系的建立 171

11.2.4 分析方法的建立和实施流程 173

11.2.5 方法准确性和稳定性的数值检验 174

11.2.6 方法可靠性的实验验证 178

参考文献 189

第12章 断裂韧度 192

12.1 研究现状 192

12.1.1 典型测试方法 192

12.1.2 测试的合理性 198

12.1.3 发展动态 198

12.2 断裂韧度的压入能量测试方法 199

12.2.1 测试原理 199

12.2.2 能量标度关系的验证 201

12.2.3 开裂的影响 203

12.2.4 计算表达式的校准 206

12.2.5 测试有效性的确认 207

12.2.6 有效实验数据的判据 207

12.2.7 能量测试方法的特点 211

参考文献 212

第13章 蠕变柔量 215

13.1 研究现状 215

13.1.1 线黏弹接触理论 215

13.1.2 现有压入测试方法 217

13.2 适用于卸载段的测试方法 218

13.2.1 拓宽Lee-Radok解的适用范围 218

13.2.2 三种蠕变柔量测试方法 222

13.3 线黏弹塑压入测试方法 225

13.3.1 修正的阶跃载荷方法 226

13.3.2 新方法的试验验证 227

参考文献 230

第四篇典型应用 235

第14章 测试功能 235

14.1 压入方式 235

14.1.1 块体材料的压入硬度和模量 235

14.1.2 薄膜材料的压入硬度和模量 236

14.1.3 塑性参数 240

14.1.4 断裂参数 242

14.1.5 高聚物的黏弹参数 242

14.1.6 金属材料的蠕变参数 243

14.1.7 典型材料加卸载曲线涉及的部分现象 244

14.2 划入方式 250

14.2.1 块体材料的划入变形和摩擦系数 251

14.2.2 薄膜材料的临界附着力和摩擦系数 252

14.2.3 试样表面的粗糙度 253

14.3 弯曲方式 253

14.3.1 微悬臂梁静载弯曲 254

14.3.2 微桥静载弯曲 255

14.3.3 微悬臂梁动载弯曲 255

14.4 压缩方式 256

14.5 吸附方式 257

14.6 监测技术——声发射测量 257

14.7 环境因素——温度控制 258

参考文献 258

第15章 表面工程Ⅰ——纳米薄膜 262

15.1 不同基材DLC薄膜的纳米力学行为 262

15.1.1 薄膜制备和测试方法 263

15.1.2 纳米压入测试结果与分析 263

15.1.3 纳米划入测试结果与分析 266

15.2 不同基材对TiN薄膜纳米力学行为的影响 269

15.2.1 纳米压入测试结果与分析 269

15.2.2 纳米划入测试结果与分析 270

15.3 典型膜基组合对薄膜力学行为的影响 274

15.3.1 膜材不同 274

15.3.2 基材不同 275

15.3.3 工艺不同 277

参考文献 277

第16章 表面工程Ⅱ——涂层和激光强化 278

16.1 激光熔覆医用涂层的力学性能评定 278

16.1.1 实验准备 278

16.1.2 成分分析和显微观察 279

16.1.3 纳米压入测试及其分析 281

16.1.4 纳米划入测试及其分析 282

16.2 激光强化球墨铸铁的力学性能评定 285

16.2.1 实验准备 285

16.2.2 纳米压入测试及其分析 285

参考文献 290

第17章 先进材料——非晶合金 291

17.1 不同非晶合金体系的压入变形行为 291

17.1.1 试样制备及其热学性质 291

17.1.2 显微压入的塑性变形行为 292

17.1.3 宏观压入的塑性变形行为 297

17.2 钕基非晶合金组分对压入变形行为的影响 305

17.2.1 试样制备及其物理性能 305

17.2.2 力学测试及其结果讨论 307

17.3 锆基非晶合金的压入变形行为 310

17.3.1 两种典型锆基非晶合金变形行为的对比 310

17.3.2 预变形和退火对锆基非晶合金变形行为的影响 313

参考文献 315

第18章 生物材料——人体牙齿和木材细胞壁 318

18.1 人体牙齿的力学性能 318

18.1.1 试样制备和测试方法 318

18.1.2 牙齿力学性能的空间取向 318

18.1.3 牙釉质力学性能的梯度分布 320

18.1.4 牙齿力学行为的类金属性 322

18.2 林杉木管胞细胞壁的力学性能 323

18.2.1 试样制备和测试方法 323

18.2.2 纳米压入测试及其结果分析 324

参考文献 327

第19章 微机电系统——薄膜和微桥 329

19.1 不同工艺制备的二氧化硅薄膜 329

19.2 微桥的弯曲测量及其分析 332

19.2.1 铜微桥的弹性模量和残余应力 332

19.2.2 二氧化硅微桥的弯曲断裂 334

参考文献 335

第五篇标准化 339

第20章 实验室间比对试验 339

20.1 组织和实施 339

20.1.1 组织策划 339

20.1.2 试验方案 340

20.2 比对试验的结果 341

20.2.1 压入深度1200nm的比对结果 341

20.2.2 压入深度200nm的比对结果 346

参考文献 351

第21章 标准化进展 352

21.1 标准文本 352

21.1.1 国际标准 352

21.1.2 美国标准 353

21.1.3 中国标准 353

21.1.4 标准对比 354

21.2 标准样品 356

21.2.1 压入标准样品的作用 356

21.2.2 标准样品的统一和系列化 356

21.2.3 国家标准样品的研制进展 356

参考文献 359

附录A 术语汉英对照及其定义 360

附录B 常用符号表 369

索引 371