金屬薄膜材料力學(xué)性能表征與評(píng)價(jià)

針對(duì)金屬薄膜，用納米壓入法結(jié)合微電子機(jī)械相關(guān)技術(shù)研究屈服強(qiáng)度及彈塑性行為；用X光衍射結(jié)合基片彎曲法研究?jī)?nèi)應(yīng)力及分布；用接觸疲勞結(jié)合電磁法和鼓脹法研究靜動(dòng)態(tài)結(jié)合強(qiáng)度；在此基礎(chǔ)上探討薄膜靜態(tài)和動(dòng)態(tài)力學(xué)性能的差異；與基體材料比較發(fā)掘其特異的力學(xué)行為及規(guī)律。建立適用的薄膜力學(xué)性能表征方法和測(cè)試規(guī)范，用以指導(dǎo)薄膜設(shè)計(jì)與應(yīng)用。 2100433B

表征參量

下面便是描述金屬材料力學(xué)性能的表征參量，對(duì)其中已設(shè)專條的，在本條中就從略了。

金屬抵抗永久變形和斷裂的能力的總稱。以光滑拉伸試樣為例，在漸增載荷作用下，材料的典型拉伸應(yīng)力－應(yīng)變曲線如圖1所示。反映金屬材料強(qiáng)度的性能指標(biāo)有如下幾項(xiàng)。

金屬力學(xué)性能的表征比例極限（） 開始加載時(shí)，應(yīng)力與應(yīng)變呈直線關(guān)系，比例極限則是代表金屬應(yīng)力與應(yīng)變成正比關(guān)系（即遵守胡克定律）的最大應(yīng)力。生產(chǎn)中有許多在彈性狀態(tài)下工作的零件，要求應(yīng)力與應(yīng)變間有嚴(yán)格的線性關(guān)系，如炮筒和測(cè)定載荷、位移的傳感器中的彈性元件等，就要根據(jù)比例極限來設(shè)計(jì)。但是,不偏離應(yīng)力-應(yīng)變線性關(guān)系的最大應(yīng)力是隨測(cè)量?jī)x器的精度而變化的，采用不同的測(cè)試方法，對(duì)同一材料可以得出不同的值。因此，在工程上就采用了條件規(guī)定的方法，中國(guó)的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，當(dāng)載荷和伸長(zhǎng)之間的線性關(guān)系發(fā)生偏離時(shí)，若該點(diǎn)的切線與載荷軸間夾角的正切值已較其彈性直線部分之值增加50%，則該點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的應(yīng)力便稱為“規(guī)定比例極限”。實(shí)際上，“規(guī)定比例極限”是產(chǎn)生極微量塑性變形(0.001～0.01%)時(shí)的應(yīng)力值。

彈性極限（） 見彈性和滯彈性。

屈服強(qiáng)度（） 當(dāng)應(yīng)力超過彈性極限后繼續(xù)加載，有的金屬便會(huì)發(fā)生“物理屈服”現(xiàn)象，即在應(yīng)力不增大的情況下,塑性應(yīng)變不斷增長(zhǎng)到一定值(圖1a曲線上的s點(diǎn))以后應(yīng)力-應(yīng)變才同時(shí)以非常數(shù)比例繼續(xù)增長(zhǎng)。這個(gè)保持基本恒定的應(yīng)力（屈服平臺(tái)應(yīng)力）稱為屈服點(diǎn)，有時(shí)也通稱為屈服強(qiáng)度。對(duì)于無明顯物理屈服現(xiàn)象的金屬，則以產(chǎn)生限量的小量塑性應(yīng)變時(shí)的應(yīng)力作為條件屈服強(qiáng)度。如經(jīng)常采用的條件屈服強(qiáng)度即為產(chǎn)生0.2%殘余應(yīng)變時(shí)的應(yīng)力(圖1b)。它和上述規(guī)定比例極限以及彈性極限只是塑性變形量上不同而已，并無本質(zhì)的差別，均是金屬對(duì)微量或小量塑性變形抗力的表征。因此,有一種根據(jù)不同的需要,選用不同的塑性應(yīng)變量來表征微量塑性變形階段材料強(qiáng)度的趨勢(shì)，如、、和等。屈服強(qiáng)度是設(shè)計(jì)承受靜載機(jī)件或構(gòu)件的主要依據(jù)。

抗拉強(qiáng)度（） 超過屈服強(qiáng)度以后應(yīng)力繼續(xù)增加時(shí)應(yīng)變也不斷增長(zhǎng)。當(dāng)應(yīng)力達(dá)到最高點(diǎn)時(shí)，對(duì)于韌性金屬而言，會(huì)在拉伸試樣上發(fā)生局部“縮頸”，而使橫截面積減小，因而承載能力開始下降。我們把最高名義應(yīng)力稱為抗拉強(qiáng)度（）。對(duì)于脆性材料,例如灰口鑄鐵，當(dāng)應(yīng)力達(dá)到最高點(diǎn)時(shí)，試棒即斷裂，此最高應(yīng)力也稱抗拉強(qiáng)度?？梢娍估瓘?qiáng)度對(duì)于韌性金屬是表征其極限均勻塑性變形的抗力，即塑性失穩(wěn)的起始應(yīng)力。對(duì)于脆性金屬，抗拉強(qiáng)度則表征其斷裂抗力。不論對(duì)韌性金屬還是脆性金屬，由于與所對(duì)應(yīng)的載荷是金屬在單向靜拉伸時(shí)試樣（或工件）所能承受的最大載荷，因此習(xí)慣上也把稱為強(qiáng)度極限(UTS)?？估瓘?qiáng)度常作為評(píng)定金屬的依據(jù)，對(duì)于脆性金屬也是設(shè)計(jì)的依據(jù)。

斷裂強(qiáng)度（或n） 通常，金屬的實(shí)際斷裂強(qiáng)度（或n）是由試樣斷裂時(shí)的載荷除以試樣斷裂處實(shí)際橫截面積而求得的。只有根據(jù)試樣的實(shí)際斷裂情況才能確定它的意義。對(duì)于在彈性階段脆斷的金屬，相當(dāng)于,也相當(dāng)于;對(duì)于均勻塑變后即斷裂的金屬,則相當(dāng)于真實(shí)抗拉強(qiáng)度；對(duì)于頸縮后斷裂的金屬,則實(shí)際上主要反映金屬對(duì)剪切斷裂抗力的大小。的數(shù)值要受試驗(yàn)機(jī)系統(tǒng)剛性的影響，同一金屬，在不同試驗(yàn)機(jī)上試驗(yàn),可得到不同的值。

金屬的塑性又稱范性, 為其在斷裂前可以承受的塑性變形的總量。常用的塑性指標(biāo)是光滑試樣拉伸試驗(yàn)所得到的伸長(zhǎng)率，即拉斷后試棒伸長(zhǎng)的百分?jǐn)?shù)=和斷面收縮率，即拉斷后試棒最小斷面積對(duì)原始斷面積縮小的百分?jǐn)?shù)。在技術(shù)意義上，材料具有一定的塑性容量，可以使工件受載時(shí)通過局部發(fā)生的塑性變形，而使應(yīng)力重新分布，從而減少應(yīng)力集中的程度，減少金屬脆斷的傾向。又如金屬的塑性較大，則該金屬的塑性變形與形變強(qiáng)化相結(jié)合，使金屬冷變形成型工藝成為可能。

超塑性 一般工業(yè)用金屬的室溫塑性大都在百分之幾到百分之幾十的范圍。而某些金屬在特定的組織狀態(tài)下（主要是超細(xì)晶粒）、特定的溫度范圍內(nèi)和一定的變形速度下表現(xiàn)出極高的塑性，伸長(zhǎng)率可達(dá)百分之幾百甚至百分之幾千，這種現(xiàn)象稱為“超塑性”。它顯然有利于塑性加工。超塑性首先在Al-Zn合金中發(fā)現(xiàn),應(yīng)用也較廣泛。近年來在鐵基、鐵鎳基合金以及鈦合金等方面也開展了大量研究，在工業(yè)中已得到應(yīng)用。

大多數(shù)金屬（尤其是韌性金屬），當(dāng)外加應(yīng)力達(dá)到屈服極限后，欲使變形繼續(xù)，必須繼續(xù)增加外力，即金屬的塑性變形抗力隨塑性變形量的增加而增加,如圖1所示。這種現(xiàn)象稱為形變強(qiáng)化或加工硬化。金屬的形變強(qiáng)化從屈服極限開始直至斷裂為止的過程中都存在，但是在圖1所示的條件應(yīng)力-應(yīng)變曲線上,并不能真實(shí)反映金屬的形變強(qiáng)化，這是由于在這種曲線上，各點(diǎn)應(yīng)力均是以該點(diǎn)的載荷除以試樣的原始截面積來表示的，未考慮截面收縮；因此，塑性變形量越大，條件應(yīng)力和試樣上所承受的真實(shí)應(yīng)力的偏差也越大；“縮頸”后，由于局部區(qū)域截面積的急劇減少，這種偏差更大，出現(xiàn)應(yīng)力超過后,強(qiáng)度隨應(yīng)變的增加而降低的情況。真實(shí)力-真應(yīng)變曲線能全面描述金屬?gòu)膹椥宰冃伍_始直至斷裂的全過程的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系,如圖2所示。其中真應(yīng)力是由曲線上各點(diǎn)的瞬時(shí)載荷除以試樣相應(yīng)截面積求得,真應(yīng)變?chǔ)攀怯伤矔r(shí)試樣伸長(zhǎng)的微分值d與瞬時(shí)試樣長(zhǎng)度之比的積分求得,即。這種-ε曲線也稱流變強(qiáng)化曲線或硬化曲線,Hollomon公式=ε是這條曲線的最簡(jiǎn)單的擬合表達(dá)式。式中的稱為形變強(qiáng)化指數(shù),稱為形變強(qiáng)化系數(shù)，和均為表征形變強(qiáng)化的材料常數(shù)。形變強(qiáng)化是金屬的可貴性質(zhì)之一,對(duì)金屬壓力加工以及確保機(jī)件在偶爾超載時(shí)的安全有重要作用。形變強(qiáng)化也是金屬材料的一種有效強(qiáng)化手段，與合金化、熱處理處于同等地位（見金屬的強(qiáng)化）。

金屬力學(xué)性能的表征金屬力學(xué)性能的表征又名韌度。金屬在斷裂前吸收變形能量的能力。在靜載情況下可用應(yīng)力－應(yīng)變曲線下的面積來衡量，即以斷裂前單位體積吸收的變形功作為韌性的定量指標(biāo)，稱為靜力韌度。

金屬的韌性隨加載速度的提高、溫度的降低、應(yīng)力集中程度的加劇而下降。沖擊韌性試驗(yàn)，就是綜合應(yīng)用較高沖擊速度和缺口試棒的應(yīng)力集中，來測(cè)定金屬?gòu)淖冃蔚綌嗔阉牡臎_擊能量的大小，即韌性的高低。

中國(guó)常用的沖擊韌性試驗(yàn)是用一個(gè) U型缺口方試棒, 將其置于支座上, 然后用擺錘落下將其一次沖斷。用沖斷試棒所消耗的沖擊功除以試棒缺口根部截面積所得商值(單位為kgf·m/cm),定義為沖擊韌度()。有些國(guó)家則常用帶V型缺口的試棒,直接以沖斷試棒所消耗的沖擊功作為夏氏沖擊韌度(CVN值),而不將此沖擊功除以試棒缺口截面積。不論或 CVN都是在特定條件下測(cè)得的沖擊值。應(yīng)該注意的是，沖擊韌性試驗(yàn)和某些承受反復(fù)沖擊載荷的零件服役條件不同，對(duì)于這些零件，它們的服役性能應(yīng)用小能量多次沖擊（或沖擊疲勞）試驗(yàn)來衡量。

一次沖擊試驗(yàn)也常用于評(píng)定材料的冷脆傾向。即將金屬在一系列不同的試驗(yàn)溫度下進(jìn)行一次沖擊試驗(yàn) (即所謂”系列沖擊試驗(yàn)”),而后確定反映材料冷脆傾向的冷脆轉(zhuǎn)化溫度。對(duì)于試驗(yàn)一般采用能量法即所對(duì)應(yīng)的溫度表示。對(duì)于CVN試樣,一般根據(jù)宏觀斷口形貌確定，當(dāng)斷口上脆性斷口占50%時(shí)所對(duì)應(yīng)的溫度稱為斷口形貌轉(zhuǎn)化溫度FATT。 用系列沖擊試驗(yàn)測(cè)定的冷脆轉(zhuǎn)化溫度和FATT等都是條件性的,只能作為材料脆性傾向的評(píng)定。低溫?cái)嗔秧g度試驗(yàn)可對(duì)金屬的冷脆性作出更合理的評(píng)價(jià)（見斷裂力學(xué)）。此外，還有表征材料在高溫條件下的高溫力學(xué)性能的指標(biāo)（見蠕變）；材料在循環(huán)或反復(fù)加載條件下表征其力學(xué)性能的指標(biāo)（見疲勞）。2100433B

內(nèi) 容 簡(jiǎn) 介

本書首先論述了脆性材料力學(xué)性能評(píng)價(jià)的基本理論，包括脆性材料的

脆性、破壞準(zhǔn)則、破壞發(fā)生區(qū)、含缺陷材料的強(qiáng)度、微裂強(qiáng)度、沖擊強(qiáng)度和疲

勞強(qiáng)度等；其次論述了高技術(shù)陶瓷材料力學(xué)性能的特點(diǎn)和常用評(píng)價(jià)方法，提

出了新的評(píng)價(jià)與設(shè)計(jì)方法；另外還簡(jiǎn)述了高技術(shù)陶瓷材料科學(xué)技術(shù)發(fā)展動(dòng)

向。

金屬力學(xué)性能測(cè)試，對(duì)研制和發(fā)展新金屬材料、改進(jìn)材料質(zhì)量、最大限度發(fā)揮材料潛力（選用適當(dāng)?shù)脑S用應(yīng)力）、分析金屬制件故障、確保金屬制件設(shè)計(jì)合理以及使用維護(hù)的安全可靠，都是必不可少的手段（見金屬力學(xué)性能的表征）。金屬力學(xué)性能測(cè)試的基本任務(wù)是正確地選用檢測(cè)儀器、裝備和試樣，確定合理的金屬力學(xué)性能判據(jù)，并準(zhǔn)確而盡可能快地測(cè)出這種判據(jù)。