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纳米压痕技术试验标准 仪器化纳米压痕试验逐渐成为纳米力学表征领域最重要的试验手段;然而利用该技术进行试验时,易受到方法、仪器、样品以及试验人员等诸多因素的影响,这往往导致试验结果的可比性差,因此国内外标准的一致性十分重要。 国际标准化组织(ISO)从 1997 年开始仪器化压痕 试 验 的 标 准 化 工 作 , 于 2002 年 正 式 发 布 ISO14577——2002 《金属材料 硬度和材料参数的仪器化压痕试验标准》。 经过 2007,2015,2016 年 3 次修订,现行的 ISO 14577.1-3——2015、ISO 14577.4——2016包含 4 部分,分别为试验方法、试验机的检定和校准、 标准块的校准以及金属和非金属覆层试验方法。 2007 年,美国材料与试验协会(ASTM)颁布标准 ASTM E2546——2007《仪器刻痕试验的标准实施规程》, 并于 2015 年颁布了修订版ASTM E2546-15《仪器刻痕试验的标准实施规程》。 2008 年,国内方面参考了 ISO 和 ASTM 的相关标准,同时考虑未来的技术发展趋势,颁布了两个相关的国家标准:GB/T21838——2008 《金属材料 硬度和材料参数的仪器化压痕试验》和 GB/T 22458——2008《仪器化纳米压入试验方法通则》。 其中 GB/T 21838——2008等同采用了 ISO 14577——2007,而 GB/T 22458——2008则主要针对使用纳米压入仪进行的仪器化压入试验。 国内外标准在试验方法和数据分析方法上整体趋于一致,但在适用范围、试验方法、标准块标定、仪器校准与检验等方面的细节要求上还存在着不少差异,本文对 3 个标准最新版本进行总结和梳理,对比其异同点。 1.标准适用范围 国际标准中,ISO 14577——2015 的 1,2,3 部分规定了在所有力和位移的范围内对块体材料进行仪器化压痕试验的方法和要求,适用范围相对宽泛;而第 4 部分则针对微纳米范围内的覆盖层给出细节化的试验方法。 该标准不仅适用于金属块体材料,也适用于薄的金属和非金属覆盖层以及非金属材料。ASTM E2546-15 规定了对仪器化纳米压入试验器的能力要求和试验的基本方法, 并给出了确定硬度和材料参数所需的数据分析方法等,该标准适用范围与 ISO 14577——2015 一致。 国内标准中,GB/T22458——2008 在参照上述国际标准的同时,更有针对性地适用于压入深度在纳米量级的压入试验,使得在此范围内的各种块体材料和薄膜材料参数的测量更加准确和有据可依。 2.试验原理及方法 3 个标准在试验原理上趋于一致,基本思想均是利用压入过程的载荷-位移(F-h)曲线,通过 Oliver-Pharr 方法得到材料的硬度和弹性模量。 通过应用一个连续尺度力学模型,可以从 F-h曲线中得到被测材料硬度 H 和弹性模量 E,分别由下式求出: 3.试验方法标准差异性对比 4.试验方法对标准块的要求 ![]() 来源: [1]王春亮. 纳米压痕试验方法研究[D]. 机械科学研究总院, 2007. [2]陈亚军, 郁佳琪, 王付胜,等. 仪器化纳米压痕试验标准对比研究[J]. 中国测试, 2018, 044(001):9-15. [3]陈今龙, 周素洪, 叶兵,等. 纳米压痕表征技术的应用与发展[J]. 热加工工艺, 2018, v.47;No.494(16):20-24. [4]魏振伟, 刘昌奎, 周静怡,等. 纳米压痕技术在工程材料研究中的应用[J]. 失效分析与预防, 2018, 13(004):255-260. |
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