【摘要】 本研究通过HR-EBSD技术对比分析单晶铜在纳米划痕与压痕测试下的晶格旋转场，结合CPFE模型揭示滑动接触变形机制，证实划痕硬度在磨损预测中的工程价值，为微纳器件可靠性设计提供理论支撑。

实验设计与材料处理

内容要点：

  • 研究对象为(001)晶面取向的99.9%无氧纯铜单晶，经600°C退火及双抛光处理，表面粗糙度控制在20nm以下（图1(a)）。
  • 实验采用Berkovich三棱锥压头，法向力恒定为3mN，划痕速度为10μm/s，划痕长度100μm。
  • 通过三阶段划痕法（划痕-表面轮廓-二次划痕）修正样品倾斜误差，提取弹性恢复数据。

纳米划痕实验校正后的穿透深度曲线图，展示弹性恢复特性

图1 a)原始实验穿透深度与FF和EF划痕的划痕距离。b)划痕方向示意图，与用于EBSD分析的切片的晶体取向和位置有关。c) EF划痕和FIB制备的划痕截面的SEM图像A) FIB制备的压痕截面的SEM图像

 

测试方法对比分析

内容要点：

  • 压痕实验：准静态加载形成三角形压痕，压痕面与[100]晶体轴对齐，塑性区呈双叶对称分布（图2(a)-(c)）。
  • 划痕实验：分前缘向前（EF）和正面向前（FF）两种方向，EF划痕尖端锋利边缘主导变形，FF划痕以平面驱动为主（图2(d)-(i)）。
  • 变形差异：划痕塑性区延伸范围比压痕大30%以上，FF划痕的变形区域比EF更广。

a-c：单晶铜压痕截面晶格旋转场EBSD成像图，双叶塑性区分布特征；d-i：FF/EF划痕截面晶格旋转对比图，揭示方向依赖性变形机制；j-k：CPFE模型模拟划痕晶格旋转场与实验数据对比图

图2 (a) - (c)显示了用HR-EBSD实验测量的压痕截面的晶格旋转场,(d) - (f)为FF划痕(100)截面的等效场, (g) - (i)为EF划痕对应的场, (j) - (k)给出了在划痕距离为5 μm时EF划痕对应的模拟旋转场。

 

晶格旋转场可视化解读

内容要点：

  • 高分辨EBSD技术精准捕捉压痕/划痕周围晶格旋转角度分布，最大旋转角达5°（图2(a)-(i)）。
  • 基于物理的晶体塑性有限元（CPFE）模型模拟结果与实验高度吻合（图2(j)-(k)），揭示三维变形机制。
  • 划痕测试中切向力诱发非对称位错滑移，导致塑性区形态与压痕存在本质差异。

 

工程应用与理论突破

内容要点：

  • 划痕硬度比传统压痕硬度更适用于磨损评估，因其综合法向力与切向滑动复合作用。
  • 研究证实：仅通过压痕数据无法准确预测滑动接触工况下的材料失效，需结合动态划痕测试。
  • 成果为微机电系统（MEMS）和涂层材料的耐久性设计提供新评估范式。

 

参考文献：[1] Anna Kareer, Edmund Tarleton, Christopher Hardie, Sarah V. Hainsworth, Angus J. Wilkinson,Scratching the surface: Elastic rotations beneath nanoscratch and nanoindentation tests, Acta Materialia, Volume 200, 2020, Pages 116-126.

 

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