表面微观形貌和局部倾斜对压印和划痕测量的影响研究

Indentation and scratch experiments have been widely used to investigate micro-mechanical properties of material. In real testing, the micro-rough morphology and the local tilt of sample’s surface have significant influences on the measured results. We will 1) use statistical method, Fourier analysis, and wavelet analysis to analyze micro-topography characteristics of sample’s surface, 2) characterize surface tilt by measurement of residual indent morphology, a three-point method, and analyzing scanning data of morphology, 3) study effects of surface morphology and surface tilt on nanoindentation, microindentation, and microscratch experiments (force-displacement curve, measured modulus, hardness, and contact stiffness) of different materials (hard and soft materials), 4) modify the ideal model by introducing correction factors accounting for influences of surface morphology and surface tilt in order that material’s properties such as hardness and elastic modulus can be measured correctly under the non-ideal conditions, 5) obtain the expressions of projection areas in the normal and lateral directions as functions of surface tilt and indenter tilt by establishing the analysis model of indentation and scratch processes of tilted samples for different indenters of various shapes, 6) set up three-dimensional finite element model of rough surface, and study influences of surface roughness, sample tilt, and indenter tilt on contact deformation during indentation and scratch testing, and 7) reveal the physical background of autocorrelation function of rough surface in micro-contact deformation process.

压痕划痕实验广泛应用于研究材料的微观力学性能。在实际测试中，试样表面微观粗糙形貌和局部倾斜对测量结果有显著影响。利用统计分析、傅立叶分析、小波分析等方法对试样表面的微观形貌进行分析。利用残余形貌、三点法、扫描数据对表面倾斜进行表征。研究试样表面形貌和倾斜对不同材料（软硬材料）的纳米压痕、微米压痕和微米划痕实验的影响（力与位移曲线、测得的模量、硬度、接触刚度等）。引入考虑表面形貌和倾斜影响的修正因子，对理想模型进行修正，使得在实验条件不理想的情况下也能获得正确的材料性能（比如硬度、弹性模量等）。通过对倾斜表面在不同形状压头下的压痕和划痕过程建立分析模型，获得正向与侧向的投影面积与试样表面倾斜和压头偏斜之间关系的表达式。对粗糙表面建立三维有限元模型，利用有限元方法研究表面粗糙形貌、试样表面倾斜、压头偏斜等对压痕划痕接触变形的影响。揭示粗糙表面的自相关函数在微观接触变形过程中的物理意义。

仪器化压入划入测试是研究表面微观力学性能的重要方法。试样表面的微观粗糙形貌和局部倾斜对实验结果有重要影响。. 利用圆锥和球形压头在渐进和恒定载荷下对聚碳酸酯、紫铜、玻璃、TiN薄膜等材料进行了微米划入测试，揭示了压入深度、残余深度、划痕宽度、摩擦系数等随正压力的变化规律；表征了试样表面倾斜角度对划痕测试的影响，建立了倾斜试样测试结果的校正方法；结合声发射和划痕沟槽形貌研究了材料在划痕过程中不同阶段的变形及损伤机制；对接触区域进行了应力分析；基于线弹性断裂力学和能量尺寸效应理论获得了材料的断裂韧度，比较了不同模型的结果，揭示了压头圆角的重要影响，这是国内首次利用划痕方法表征材料的断裂韧度；基于水平集与各向异性扩散方法可以自动测量划痕的宽度；对划痕三维形貌进行了表征。对粗糙表面和倾斜表面的仪器化压入过程进行了三维有限元模拟，研究了粗糙表面和表面倾斜对压入过程的影响，比较了无摩擦和无限大摩擦两种情况。. 利用玻氏和圆球压头对玻璃和高分子材料进行了纳米压入实验，揭示了压头位移、接触深度、接触刚度等实验参数之间的关系；比较了基于能量的分析方法和Oliver&Pharr方法计算的结果；分析了压头尖端圆角对测试结果的影响，并确定了圆角半径；研究了试样倾斜对测试结果的影响；比较了赫兹理论和Oliver&Pharr方法获得的球形压头面积函数；获得了材料的硬度、模量、屈服应力、硬化指数、幂律指数等力学性能参数。. 另外，研究了奥氏体不锈钢的低周疲劳性能，揭示了裂纹萌生前最大拉应力随循环次数的变化规律；基于压痕几何尺寸可以表征表面的倾斜程度；对抛光表面进行了三维表征，比较了不同抛光布的抛光效果；基于努氏硬度表征了大块金属玻璃的弹性模量、屈服应力和断裂韧度；利用维氏压头基于压痕裂纹表征了硬脆材料的断裂韧度。. 通过研究粗糙表面和试样倾斜对压入与划入过程的影响，为测试结果的分析和校正提供指导，推动压入划入法的应用。