機(jī)械材料力學(xué)性能測量研究

陳志偉

【摘 ?要】論文對機(jī)械材料力學(xué)性能進(jìn)行了測量研究，分析了材料力學(xué)性能的測量方法，包括薄膜殘余應(yīng)力測量、納米壓入法測量、襯底彎曲法、載荷位移法、薄膜微橋撓曲法和共振頻率法，對于破壞強(qiáng)度的測量方法同時進(jìn)行了分析，希望能為當(dāng)前材料力學(xué)性能測量提供技術(shù)參考。

【Abstract】This paper measures and studies the mechanical properties of mechanical materials， and analyzes the measurement methods of mechanical properties of materials， including the measurement of residual stress of thin films， nano indentation method， substrate bending method， load displacement method， thin film micro bridge deflection method and resonance frequency method. This paper analyzes the measurement methods of fracture strength， hoping to provide technical reference for the current measurement of mechanical properties of materials.

【關(guān)鍵詞】機(jī)械材料;力學(xué)性能;測量

【Keywords】mechanical materials; mechanical properties; measurement

【中圖分類號】TH140.7 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 【文獻(xiàn)標(biāo)志碼】A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 【文章編號】1673-1069（2020）09-0184-02

1 引言

現(xiàn)今社會各個領(lǐng)域?qū)τ跈C(jī)械材料的力學(xué)性能要求較高，機(jī)械材料因不同的力學(xué)性能具備不同的應(yīng)用前景。因此，針對材料的力學(xué)性能也發(fā)展出了各類測量方法，如電子機(jī)械系統(tǒng)主要使用薄膜態(tài)材料，所展現(xiàn)的力學(xué)性能是微電子機(jī)械系統(tǒng)的基礎(chǔ)，在提高部件適用壽命、增強(qiáng)可靠性等方面具備重要的作用。因此，對機(jī)械材料力學(xué)性能的測量于材料本身而言扮演著極其重要的角色。

2 研究背景闡述

20世紀(jì)初開始，電子機(jī)械系統(tǒng)成為發(fā)展最為迅速的領(lǐng)域之一，在汽車航天、通訊交流、國防醫(yī)療等領(lǐng)域均發(fā)揮出自身的巨大功用。隨著該系統(tǒng)的發(fā)展革新，對機(jī)械材料的力學(xué)性能提出了更高的要求，而材料的力學(xué)性能研究所涉及的方法自然成為了科研學(xué)者所關(guān)注的重點。

薄膜是電子器件應(yīng)用最多的材料形式，對于薄膜的力學(xué)性能測量表征對于機(jī)械電子器件有著極其重要的意義。薄膜由于尺寸限制，無法使用傳統(tǒng)的力學(xué)性能測量方法，為此，研究人員提出了如納米壓入法等新的力學(xué)性能測量方法。本研究對以上測量手段進(jìn)行了分析探討，并用實際案例論述了測量方法的應(yīng)用。

3 機(jī)械材料力學(xué)性能測量基本方法

3.1 薄膜殘余應(yīng)力測量

測量薄膜殘余應(yīng)力通常是根據(jù)襯底彎曲形狀和彎曲規(guī)律進(jìn)行的。測量材料需要使用整體宏觀位移進(jìn)行定位，測量過程包括薄膜的釋放、旋轉(zhuǎn)和亮片旋轉(zhuǎn)等步驟。通過應(yīng)力測量，可在微觀結(jié)構(gòu)上對材料力學(xué)性能進(jìn)行分析，提取出采用率數(shù)值，促進(jìn)測量精確性。

3.2 納米壓入法測量

納米壓入法測量可繪制測量過程的載荷-位移曲線，圖1是納米壓入法典型的加載-卸載曲線。根據(jù)材料形變過程理論，材料在受到壓力時隨著壓力增加，首先發(fā)生彈性形變，然后再發(fā)生塑性形變，因此，加載-卸載曲線是非線性的，卸載過程則是反應(yīng)材料的彈性回復(fù)過程，最后通過分析該曲線可測的材料的楊氏模量和納米硬度。

3.3 襯底彎曲法

襯底彎曲法在測量過程中需要考慮薄膜的殘余應(yīng)力能否導(dǎo)致襯底發(fā)生彈性彎曲，同時因為薄膜生長前后的撓度差和曲進(jìn)半徑差，需要計算撓度和殘余應(yīng)力之間的關(guān)系，一般采用懸臂梁法和測量圓形襯底曲率半徑進(jìn)行測量，見下式。測量過程要注意測量誤差的大小。

3.4 載荷位移法

載荷位移法最為重要的是單軸拉伸實驗，單軸拉伸實驗可以直接測量楊氏模量的形成進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)，同時明確受力均勻的面積，解釋數(shù)據(jù)的通用性。圖2是某多晶硅的微拉伸試樣，測量結(jié)果楊氏模量為170GPa，斷裂強(qiáng)度為1.2GPa。由于薄膜存在著殘余應(yīng)力，因此，在測量時可能會存在軸彎曲受損的情況，影響測量結(jié)果。

3.5 薄膜微橋撓曲法

薄膜微橋撓曲法主要是基于微橋和撓度的方式測量材料性能的方法，其需要結(jié)合納米壓入法和微橋方法對單晶硅和氧化硅之間進(jìn)行測量。

3.6 共振頻率法

通過微梁共振頻率對材料力學(xué)性能進(jìn)行測量的方法叫作共振頻率法，從圖3可以看出，微梁須采用懸臂梁（也可使用微橋）。測量時，微梁首先在電壓的激勵下產(chǎn)生振動，激勵電機(jī)要選擇正弦電壓以便后續(xù)的觀察記錄，通過激光束照射在微梁上對微梁振動進(jìn)行觀測，微梁中心和兩端的振幅最大，故激光束通常照射在這兩處。使用PSD實時檢測反射的激光束，PSD的輸出信號接入示波器即能實現(xiàn)對振幅的可視化觀測。通過改變電壓頻率，使微梁在一定頻率時發(fā)生共振，此時微梁振幅和PSD的輸出都達(dá)到最大，即可得到微梁的共振頻率。

4 對于破壞強(qiáng)度的測量

4.1 加載變形法

裝置和彈性模量測量采用的裝置相同，當(dāng)載荷超過一定值時，就會導(dǎo)致材料結(jié)構(gòu)發(fā)生一定的破壞。對于破壞強(qiáng)度的測量，可通過測量結(jié)構(gòu)破壞的程度，以得到結(jié)構(gòu)破壞的面。通過顯微鏡可觀察到結(jié)構(gòu)的裂縫和隨時間生長的情況。

4.2 單軸拉伸法

單軸拉伸法要明確測量的結(jié)構(gòu)和測量過程中產(chǎn)生的平面上加力。實驗時一般采用扭轉(zhuǎn)式懸臂梁進(jìn)行，樣品位于扭轉(zhuǎn)式懸臂梁兩側(cè)，按照箭頭方向產(chǎn)生拉力。對于實驗的原理、樣品產(chǎn)生的拉力方向和離心率升高的原因要實時分析。材料遭到破壞時，對于破壞原因要給出合理解釋，同時要根據(jù)相應(yīng)的破壞標(biāo)準(zhǔn)，分析兩端拉力產(chǎn)生的原因。根據(jù)靜電的吸引力將產(chǎn)生的拉力拉斷。

5 實際測量應(yīng)用

筆者根據(jù)微力微位移天平測試裝置測量機(jī)械材料實驗討論以上方法的應(yīng)用。微力微位移天平由天平、剛性探針和顯微鏡組成，見圖4。光學(xué)標(biāo)尺0.1mg的讀數(shù)改變對應(yīng)天平左盤的升高數(shù)值為14.38μm，故探針作用在被測樣品的微力為：F=（T-Δ）×9.8μN

測試原理見圖5，懸臂梁在載荷F的作用下發(fā)生撓曲，則懸臂梁撓曲微分方程為：-EIyn=M（x）=-F（L-x）

式中，E為材料楊氏模量;M為彎矩;I為懸臂梁慣性矩。

圖6為測試材料的懸臂梁載荷-撓度典型曲線。從圖中可以看出，測量結(jié)果的線性度較好，其能夠較為客觀、全面地描述實驗中的載荷-位移曲線。

6 結(jié)論

本文介紹了機(jī)械材料的多種力學(xué)性能測試方法，隨著材料性能的發(fā)展，各類測試方法必然會顯現(xiàn)出它的局限性，為此需要開發(fā)適用于不同力學(xué)性能材料的測量方法，以適應(yīng)材料的發(fā)展創(chuàng)新。

【參考文獻(xiàn)】

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