測(cè)試位置對(duì)納米壓痕法測(cè)Nb／Cu復(fù)合材料線材硬度的影響

徐曉燕，梁 明，王鵬飛，焦高峰，李成山

（西北有色金屬研究院，西安710016）

0 引 言

隨著納米壓痕技術(shù)的不斷發(fā)展和完善，納米壓痕儀在微電機(jī)系統(tǒng)［1-2］、材料科學(xué)［3-5］、生物工程［6］中得到了廣泛應(yīng)用。納米壓痕技術(shù)可以在納米尺度上測(cè)量材料的各種力學(xué)性能，不但可以測(cè)出材料的硬度和彈性模量，而且可以定量表征材料的流變應(yīng)力和形變硬化特征、摩擦磨損性能、蠕變性能、應(yīng)變速率敏感指數(shù)、斷裂韌性和殘余應(yīng)力等。對(duì)于一般金屬材料，利用納米壓痕測(cè)試中出現(xiàn)的壓痕尺寸效應(yīng)可對(duì)材料的結(jié)構(gòu)和性能進(jìn)行檢測(cè)和評(píng)價(jià)［7］。

鈮連續(xù)纖維增強(qiáng)銅基復(fù)合材料（以下稱Nb／Cu復(fù)合材料）是經(jīng)過(guò)多次復(fù)合、熱擠壓和集束、冷拉拔加工后，獲得含有上億根芯絲為鈮絲的復(fù)合線材，鈮絲的尺寸和間距均可達(dá)到納米級(jí)。目前關(guān)于Nb／Cu復(fù)合材料的報(bào)道較多，包括該材料的顯微組織［8-10］、力學(xué)性能［11-14］、物理特性［9，13-14］以及在實(shí)際工程 應(yīng)用［15-16］等。在這些研究中，關(guān)于材料強(qiáng)度、蠕變、應(yīng)變等的分析大多采用拉伸或壓縮試驗(yàn)、顯微硬度測(cè)試等方法，但由于鈮絲及部分銅層達(dá)到了納米尺寸，一般的硬度測(cè)試方法難以獲得準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)。因此，在大量的關(guān)于尺寸和界面對(duì)Nb／Cu復(fù)合材料塑性影響的基礎(chǔ)上［17-19］，作者通過(guò)納米壓痕技術(shù)，在微米及納米尺度上對(duì)Nb／Cu復(fù)合材料的硬度進(jìn)行系統(tǒng)分析，研究了壓痕形貌及硬度與測(cè)試位置的關(guān)系，確定可真實(shí)有效反映材料納米硬度的測(cè)試條件，并分析不同線徑Nb／Cu復(fù)合材料中納米復(fù)合區(qū)域的硬度變化趨勢(shì)。

1 試樣制備與試驗(yàn)方法

將純度均為99.9%的無(wú)氧銅和鈮作為原材料，通過(guò)一系列熱擠壓、集束和冷拉拔過(guò)程制備出含有5833（約為1.98×108）根鈮絲的（鈮的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為18%）Nb／Cu復(fù)合材料。具體制備過(guò)程如下：將一根φ70mm的鈮棒裝入外徑為100mm、壁厚為15mm的無(wú)氧銅包套（稱為Cu-0層）中，經(jīng)真空封焊、熱擠壓、冷拉拔工藝獲得單芯線材，然后經(jīng)定尺裁剪，把583根該單芯線集束，裝入新的銅包套（Cu-1層）中，重復(fù)三次上述集束組裝、熱擠壓、冷拉拔等工藝，可獲得銅基體層為多尺度結(jié)構(gòu)（Cu-2層，Cu-3層）且包含5833根連續(xù)納米鈮芯絲的Nb／Cu復(fù)合材料（φ3.8mm）。將含有5833根連續(xù)納米鈮絲的Nb／Cu復(fù)合材料在670℃進(jìn)行2h再結(jié)晶退火，通過(guò)拉伸加工，加工真應(yīng)變分別為26.7，26.9和27.1，最終獲得三種直徑分別為2.25，2.0，1.77 mm的試樣。

納米壓痕的測(cè)試采用Hysitron 750i型納米硬度儀（NHT），其安裝了原位掃描探針顯微鏡（SPM），可獲得高分辨的壓痕圖像。采用Berkovich金剛石壓頭進(jìn)行壓入試驗(yàn)，加載方式為載荷控制，最大加載為5mN，加載到最大載荷用時(shí)5s，保壓2s，5s后卸載至0mN。利用以下公式計(jì)算硬度H和彈性模量E。

式中：P為加載載荷；Ac為接觸面積；β為常數(shù)，取決于硬度計(jì)壓頭幾何形狀（β＝1.034）；S為接觸剛度，用90%卸載曲線的斜率求得；Er為約化彈性模量，與彈性模量有如下關(guān)系：

式中：Ei，E分別為金剛石壓頭和材料的彈性模量；νi，ν分別為金剛石壓頭和材料的泊松比。Ei取1 140GPa，νi取 0.07。

分別對(duì)不同線徑的Nb／Cu復(fù)合材料進(jìn)行納米壓入試驗(yàn)，通過(guò)式（1）～（3）計(jì)算材料的硬度和彈性模量。對(duì)φ2.25mm和φ1.77mm兩種試樣，重復(fù)測(cè)試8次，對(duì)φ2.0mm試樣重復(fù)測(cè)試20次。采用JSM-6460型掃描電子顯微鏡（SEM）及掃描探針顯微鏡（SPM）對(duì)微區(qū)形變特征進(jìn)行分析。

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 壓痕形貌

Nb／Cu復(fù)合材料經(jīng)過(guò)多次復(fù)合變形加工后，鈮絲數(shù)量和材料真應(yīng)變逐漸增加，鈮絲尺寸可以達(dá)到納米尺度范圍，而銅基體卻是一個(gè)典型的多尺度結(jié)構(gòu)，即銅層厚度從最外面 （Cu-3層）的幾十微米減小到最內(nèi)層（Cu-0層）的幾十納米。因此，試樣不同區(qū)域的形貌和硬度是不同的。

由圖1可以看出，壓痕位置多數(shù)分布在Cu-2層以內(nèi)的區(qū)域，少部分在（Cu-2）／Nb邊界或Cu-2層上。根據(jù)壓痕位置將試樣劃分成若干個(gè)區(qū)域：1＃區(qū)域位于鈮絲、Cu-0層和Cu-1層的納米復(fù)合區(qū)域；2＃和3＃區(qū)域位于Cu-2層、鈮絲、Cu-0層和Cu-1層的納米復(fù)合區(qū)域，其中2＃區(qū)域中鈮絲、Cu-0層和Cu-1層所占比例較大，3＃區(qū)域中Cu-2層所占比例較大；4＃區(qū)域完全位于Cu-2層上；另外，還可以清楚發(fā)現(xiàn)，按1?！?＃的順序，壓痕表面面積逐漸增大，這說(shuō)明，在相同加載條件下，試樣內(nèi)部不同區(qū)域的硬度是不同的。壓痕處于1＃區(qū)域時(shí)，壓痕表面面積較小，硬度比較高，而2＃、3＃區(qū)域硬度降低，壓痕完全位于4＃區(qū)域時(shí)，壓痕面積比在1＃區(qū)域時(shí)大2倍以上，該區(qū)域硬度最低。

圖1 φ2.0mm Nb／Cu復(fù)合材料在不同區(qū)域的納米壓痕形貌Fig.1 SEM images of indents on Cu／Nb composite in diameter of 2.0mm：（a）1＃and 4＃positions and（b）2＃and 3＃positions

2.2 載荷-位移曲線

從圖2中可以看出，同一載荷下對(duì)應(yīng)的壓痕深度（即位移）越深，則該區(qū)域的硬度越小。計(jì)算得到1＃區(qū)域的硬度最大，超過(guò)3GPa，完全卸載后的壓痕深度小于200nm；2＃和3＃區(qū)域的硬度分別為3GPa和1.83GPa，硬度隨著Cu-2層所占比例的增加而迅速下降；4＃區(qū)域卸載后的壓痕深度最深，約有310nm，硬度也最低，只有1.55GPa。因此，壓痕在鈮絲和納米銅復(fù)合區(qū)時(shí)位移較小，硬度相對(duì)較高，而在含有微米級(jí)銅層區(qū)時(shí)位移較大，硬度也相對(duì)較低。

圖2 φ2.0mm Nb／Cu復(fù)合材料在不同區(qū)域的載荷-位移曲線Fig.2 Load-displacement curves of different positions in Cu／Nb composite in diameter of 2.0mm

2.3 測(cè)試位置的選取

對(duì)于沒(méi)有加工硬化或者加工硬化較小的金屬材料，在壓頭加載過(guò)程中由于壓痕表面的堆積有可能引起測(cè)量誤差，針對(duì)這種情況通常采用卸載后的壓痕深度與最大壓痕深度的比值（hf／hmax）來(lái)確定材料的壓痕行為。試驗(yàn)得到1＃～4＃區(qū)域的hf／hmax分別為0.78，0.81，0.86，0.88。

從圖3和圖4可以發(fā)現(xiàn)，隨著hf／hmax的增大，壓痕周圍的凸起和堆積增多；hf／hmax為0.78和0.81時(shí)，壓痕周圍的局部區(qū)域僅存在少量堆積，壓痕表面比較平整；而hf／hmax大于0.86后，壓痕周圍存在大量堆積，表面凸起較多，材料形變非常明顯。根據(jù)Oliver-Pharr法，若在殘留的塑性壓痕表面存在大量堆積，會(huì)使其真實(shí)接觸面積高于計(jì)算面積，導(dǎo)致測(cè)試得到的硬度和有效彈性模量明顯偏高。

圖3 φ2.0mm Nb／Cu復(fù)合材料在不同區(qū)域壓痕的表面形貌Fig.3 Surface morphology of indentations in different positions of Cu／Nb composite in diameter of 2.0mm：（a）1＃position；（b）2＃position；（c）3＃position and（d）4＃position

據(jù)文獻(xiàn)［20］可知，hf／hmax小于0.7時(shí)，壓痕表面有少量堆積，測(cè)試值比較可靠；hf／hmax處于0.7～0.8范圍內(nèi)時(shí)，真實(shí)接觸面積與計(jì)算面積相差10%，測(cè)試值存在誤差；比值大于0.8時(shí)，壓痕表面有較多堆積，測(cè)試結(jié)果需要仔細(xì)分析。對(duì)于處在加工態(tài)且真應(yīng)變大于25的Nb／Cu復(fù)合材料來(lái)說(shuō)，hf／hmax不大于0.81時(shí)，位于1＃區(qū)域的壓痕周圍只存在極少量堆積，壓痕表面比較平整，使得真實(shí)接觸面積與計(jì)算面積接近，測(cè)試結(jié)果能夠真實(shí)反映其微觀硬度。為了保證數(shù)據(jù)的可靠性，采用hf／hmax小于或等于0.8作為壓痕測(cè)試結(jié)果有效性的判據(jù)，然后選取符合判據(jù)要求數(shù)據(jù)點(diǎn)的平均值作為材料納米硬度。

從圖5中可以發(fā)現(xiàn)，三種試樣的硬度均隨著hf／hmax的減小而增大，這是一種比較典型的材料塑性性能隨著硬度提高而降低的現(xiàn)象。由以上分析可知，當(dāng)測(cè)試點(diǎn)位于納米復(fù)合區(qū)時(shí)，其相應(yīng)的硬度被認(rèn)為是可靠的。因此，在hf／hmax不大于0.8時(shí)，φ1.77mm的Nb／Cu復(fù)合材料平均硬度約3.4GPa，而φ2.25mm Nb／Cu復(fù)合材料的硬度約3GPa左右，這說(shuō)明硬度是隨著Nb／Cu復(fù)合材料的尺寸減小而增加的，即1＃區(qū)域芯絲尺寸的細(xì)化促進(jìn)了材料硬度的提高。

3 結(jié) 論

（1）當(dāng)壓痕位置位于含有微米銅區(qū)時(shí)，hf／hmax大于0.8，壓痕表面存在較多堆積，硬度測(cè)試結(jié)果存在誤差。

圖4 φ2.0mm Nb／Cu復(fù)合材料在不同區(qū)域壓痕不同方向的SPM圖Fig.4 SPM images of indentations in different positions of Cu／Nb composites in diameter of 2.0mm：（a）1＃position；（b）2＃position；（c）3＃position and（d）4＃position

圖5 不同直徑Nb／Cu復(fù)合材料hf／hmax與硬度的關(guān)系Fig.5 Hardness vs hf／hmaxof Cu／Nb composites in different diameters

（2）壓痕位于鈮絲、Cu-0層和Cu-1層的納米復(fù)合區(qū)域時(shí)，hf／hmax不大于0.8，壓痕表面平整，硬度可以準(zhǔn)確地反映Nb／Cu復(fù)合材料的硬度。

（3）Nb／Cu復(fù)合材料中納米復(fù)合區(qū)硬度遠(yuǎn)超過(guò)包含微米銅區(qū)的硬度；另外，隨復(fù)合材料線徑的減小，納米復(fù)合區(qū)硬度呈明顯增加趨勢(shì)。

［1］陳吉安，楊春生，周勇，等.微橋結(jié)構(gòu)鎳膜的彈性模量和殘余應(yīng)力研究［J］.微細(xì)加工技術(shù)，2003（3）：66-71.

［2］張?zhí)┤A.納米硬度計(jì)在MEMS力學(xué)檢測(cè)中的應(yīng)用［J］.微納電子技術(shù)，2003，40（7）：212-214.

［3］石廣豐，徐志偉，史國(guó)權(quán)，等.柵鋁膜的納米壓入測(cè)試［J］.機(jī)械工程材料，2013，37（7）：94-97.

［4］張星，王鶴峰，袁國(guó)政，等.基于納米壓痕試驗(yàn)的316L不銹鋼表面鈦、TiN薄膜結(jié)合性能的有限元模擬［J］.機(jī)械工程材料，2013，37（9）：90-95.

［5］熊自柳，蔡慶伍，江海濤，等.TRIP1000鋼顯微組織及不同組織的變形行為［J］.機(jī)械工程材料，2010，34（10）：19-22.

［6］趙彥如，佟金，孫霽宇，等.蜻蜓膜翅前緣脈的納米力學(xué)性能［J］.農(nóng)機(jī)化研究，2009（11）：26-29.

［7］龔江宏，趙喆，吳建軍，等.陶瓷材料Vickers硬度的壓痕尺寸效應(yīng)［J］.硅酸鹽學(xué)報(bào)，1999，27（6）：693-700.

［8］HONG S I，HILL M A.Microstructure and conductivity of Cu-Nb microcomposites fabricated by the bundling and drawing process［J］.Scripta Materialia，2001，44（10）：2509-2515.

［9］POPOVA E N，POPOV V V，ROMANOV E P，et al.Effect of deformation and annealing on texture parameters of composite Cu-Nb wire［J］.Scripta Materialia，2004，51（7）：727-731.

［10］鄧麗萍，楊曉芳，盧亞鋒，等.Cu／Nb微觀復(fù)合線材中Cu沿徑向的織構(gòu)研究［J］.電子顯微學(xué)報(bào)，2011，30 （4／5）：399-402.

［11］VIDAL V，THILLY L，VAN PETEGEM S.Plasticity of nanostructured Cu-Nb based wires： strengthening mechanisms revealed by in situ deformation under neutrons［J］.Scripta Materialia，2009，60（3）：171-174.

［12］NAYEB-HASHEMI H，VAZIRI A，ZIEMER K.Wear resistance of Cu-18%Nb （P／M）composites［J］.Materials Science and Engineering：A，2008，478：390-396.

［13］BOTCHAROVA E，F(xiàn)REUDENBERGER J，SCHULTZ L.Mechanical and electrical properties of mechanically alloyed nanocrystalline Cu-Nb alloys［J］.Acta Materialia，2006，54：3333-3341.

［14］SANDIM M J R，SANDIM H R，SHIGUE C Y，et al.Annealing effects on the magnetic properties of a multifilamentary Cu-Nb composite ［J］.Supercond Sci Technol，2003，16：307-313.

［15］HAN K，EMBURY J D，SIMS J R，et al.The fabrication，properties and microstructure of Cu-Ag and Cu-Nb composite conductors［J］.Materials Science and Engineering：A，1999，267：99-114.

［16］STAMOPOULOS D，PISSAS M，SANDIM M J R，et al.Proximity induced superconductivity in bulk Cu-Nb composites：the influence of interface’s structural quality［J］.Physica C：Superconductivity，2006，442（1）：45-54.

［17］THILLY L，VéRON M，LUDWIG O，et al.High-strength meterials：in-situ investigation of dislocation behaviour in Cu-Nb multifilamentary nanostructure composites ［J］.Philosophical Magazine：A，2002，82：925-942.

［18］DEMKOWICZ M J，THILLY L.Structure，shear resistance and interaction with point defects of interfaces in Cu-Nb nanocomposites synthesized by severe plastic deformation［J］.Acta Materialia，2011，59（20）：7744-7756.

［19］JIA N，ROTERS F，EISENLOHR P，et al.Simulation of shear banding in heterophase co-deformation：example of plane strain compressed Cu-Ag and Cu-Nb metal matrix composites［J］.Acta Materialia，2013，61（12）：4591-4606.

［20］BOLSHAKOV A，OLIVER W C，PHARR G M.Finite element studies of the influence of pile-up on the analysis of nanoindentation data［J］.Materials Research Society，1997，436：141-149.