基于纳米压入法无铅焊料力学参数的有效表征

发布时间：2020-06-25 14:40

【摘要】：科学技术的快速发展不断促使着各种新型材料的诞生,通过拉压、扭转等传统测试手段表征材料的力学性能已经不适用于某些特定的新型材料/结构,如微纳制造领域中的薄膜涂层、微小焊点等。纳米压入法通过对材料的表面微区进行局部原位压入测试可以获得材料的相关力学性能参数,其具有较强的通用性,但目前纳米压入法在表征工程材料的力学性能方面存在着准确性及有效性问题,相关分析手段仍需进一步完善。本文以无铅焊料合金(SnAg3.5)为研究对象,给出了基于纳米压入法,有效表征金属弹塑性力学参数及应变率敏感性的方法,主要研究内容与结果如下:通过纳米压入法结合有限元数值模拟提取无铅焊料的弹塑性力学参数。采用一种圆柱形压头和两种锥角压头对无铅焊料进行纳米压入测试,利用柱形压头测试获得焊料合金的模量值。基于应变梯度塑性理论对两种锥角压头的测试结果予以修正并通过反演分析得到相应的特征应力和特征应变值,经求解方程组得到焊料合金的初始屈服应力与应变强化指数,进而得到无铅焊料的幂强化弹塑性本构关系并给出了纳米压入法表征金属材料弹塑性力学参数的有效方法。基于纳米压入法研究了无铅焊料的应变率敏感性。在四种不同的压入应变率((?)/P)0.005s~(-1)、0.01s~(-1)、0.05s~(-1)和0.1s~(-1)下结合连续刚度测试法对焊料合金进行纳米压入测试,通过计算求得不同压深区段的应变率敏感指数m;基于应变梯度塑性理论剔除四种压入应变率加载过程中所受压入尺度效应的影响,经计算得到不受压入尺度效应影响的应变率敏感指数m_0,将其与未剔除尺度效应影响不同压深区段的应变率敏感指数进行对比分析,结果表明剔除压入尺度效应后的应变率敏感指数值较大,同时随着压入深度的增加,应变率敏感指数不断增大,表明了分析其压入应变率敏感性时剔除压入尺度效应的必要性。
【学位授予单位】：太原理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：O341
【图文】：

以降低其表面的复杂性，从而提高测试精度。 纳米压入测试原理纳米压入法通过特定形状、尺寸的压头对被测材料某一局部区域进行原位压试，材料在受压过程中表现出诸多的力学特征，提取加载载荷与压入深度的曲线以及压痕形貌等信息进行计算分析，以获得材料硬度、模量等力学参数材料力学性能的研究中，硬度这个综合力学性能参数一般是用来描述材料性首选指标[4]。将特定形状、尺寸且具有接近刚体属性的物体压入或划入被测中，获得硬度值与纳米压入法获取材料力学性能的方法类似。但在微尺度测，由于纳米压入的最大深度处于微纳米级，使得需要控制的加载载荷值特别常以 mN 为单位，因此要求纳米压入测试仪具有很高的位移分别率和高精度荷控制系统。

太原理工大学硕士研究生学位论文，位移仍会继续增大；保载结束后，对其进行卸，所以被测材料的弹性模量一般通过卸载曲线来可恢复的塑性变形试样表面会出现压痕。此时压痕残余深度fh 。如图 1-2,1-3 所示，为纳米压入法测加载过程中圆锥压头压入剖面的示意图，通常试样似。

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本文编号：2729289