儀器化納米壓痕試驗標準對比研究

陳亞軍，郁佳琪，王付勝，王艾倫

（中國民航大學中歐航空工程師學院，天津 300300）

0 引 言

隨著微納米級涂層制備技術(shù)的飛速發(fā)展，金屬材料的涂層厚度逐漸向微納米量級發(fā)展，傳統(tǒng)的硬度和模量測量方法已無法滿足需要。儀器化納米壓痕試驗方法通過連續(xù)控制和記錄樣品上壓頭加卸載時的載荷和位移數(shù)據(jù)，并對這些數(shù)據(jù)進行分析得出材料的力學性能指標。因其更高的精確度和易操作性，儀器化納米壓痕試驗逐漸成為納米力學表征領(lǐng)域最重要的試驗手段；然而利用該技術(shù)進行試驗時，易受到方法、儀器、樣品以及試驗人員等諸多因素的影響，這往往導致試驗結(jié)果的可比性差，因此國內(nèi)外標準的一致性十分重要。

國際標準化組織（ISO）從1997年開始儀器化壓痕試驗的標準化工作，于2002年正式發(fā)布ISO 14577——2002《金屬材料硬度和材料參數(shù)的儀器化壓痕試驗標準》。經(jīng)過2007，2015，2016年3次修訂，現(xiàn)行的ISO 14577.1-3——2015[1-3]、ISO 14577.4——2016[4]包含4部分，分別為試驗方法、試驗機的檢定和校準、標準塊的校準以及金屬和非金屬覆層試驗方法。2007年，美國材料與試驗協(xié)會（ASTM）頒布標準ASTM E2546——2007《儀器刻痕試驗的標準實施規(guī)程》，并于2015年頒布了修訂版ASTM E2546-15《儀器刻痕試驗的標準實施規(guī)程》[5]。2008年，國內(nèi)方面參考了ISO和ASTM的相關(guān)標準，同時考慮未來的技術(shù)發(fā)展趨勢，頒布了兩個相關(guān)的國家標準：GB/T 21838——2008《金屬材料硬度和材料參數(shù)的儀器化壓痕試驗》和GB/T 22458——2008《儀器化納米壓入試驗方法通則》[6]。其中GB/T 21838——2008等同采用了ISO 14577——2007，而GB/T 22458——2008則主要針對使用納米壓入儀進行的儀器化壓入試驗。

國內(nèi)外標準在試驗方法和數(shù)據(jù)分析方法上整體趨于一致，但在適用范圍、試驗方法、標準塊標定、儀器校準與檢驗等方面的細節(jié)要求上還存在著不少差異，本文通過對3個標準最新版本進行總結(jié)和梳理，對比其異同點。

1 儀器化納米壓痕試驗標準差異性對比

1.1 標準適用范圍

國際標準中，ISO 14577——2015的1，2，3部分規(guī)定了在所有力和位移的范圍內(nèi)對塊體材料進行儀器化壓痕試驗的方法和要求，適用范圍相對寬泛；而第4部分則針對微納米范圍內(nèi)的覆蓋層給出細節(jié)化的試驗方法。該標準不僅適用于金屬塊體材料，也適用于薄的金屬和非金屬覆蓋層以及非金屬材料。ASTM E2546-15規(guī)定了對儀器化納米壓入試驗儀器的能力要求和試驗的基本方法，并給出了確定硬度和材料參數(shù)所需的數(shù)據(jù)分析方法等，該標準適用范圍與ISO 14577——2015一致。國內(nèi)標準中，GB/T 22458——2008在參照上述國際標準的同時，更有針對性地適用于壓入深度在納米量級的壓入試驗，使得在此范圍內(nèi)的各種塊體材料和薄膜材料參數(shù)的測量更加準確和有據(jù)可依。

總體上看，國際上儀器化壓痕試驗標準的適用范圍更加寬泛，而我國國家標準相對更有針對性。

1.2 試驗原理及方法

3個標準在試驗原理上趨于一致，基本思想均是利用壓入過程的載荷-位移（F-h）曲線，通過Oliver-Pharr方法得到材料的硬度和彈性模量[7-9]。圖1和圖2分別給出了典型的加載卸載F-h曲線以及納米壓痕示意圖，其中hmax為最大壓痕深度，hp為卸載后的殘余壓痕深度，而hc為壓痕接觸深度，用于分析計算壓痕接觸面積。

圖1 典型的加載卸載F-h曲線

圖2 納米壓痕示意圖

通過應用一個連續(xù)尺度力學模型，可以從F-h曲線中得到被測材料硬度H和彈性模量E，分別由下式求出：

式中：Fmax——最大壓入載荷；

A——壓痕的投影面積；

S——卸載曲線上端部的斜率；

Er——當量彈性模量；

E——被測材料的彈性模量；

ν——被測材料的泊松比；

Ei——壓頭材料的彈性模量；

νi——壓頭材料的泊松比。

由于該方法物理概念明確，計算簡便易行，因而被目前廣泛使用的商業(yè)化納米硬度計所采用。

本文對ISO 14577——2015、ASTM E2546-15以及GB/T 22458——2008從試驗方法上進行對比，見表1。

對試驗環(huán)境的要求上，相較于ISO，GB不僅規(guī)定了試驗的環(huán)境溫度和濕度，還對波動范圍和熱漂移速率進行了規(guī)定，這一點十分重要。若樣品材料熱穩(wěn)定且無時間相關(guān)性，可通過熱漂移校準技術(shù)對壓痕深度的測量結(jié)果進行修正；王春亮[10]研究發(fā)現(xiàn)，對于有時間相關(guān)性的試樣，因無法區(qū)分熱漂移和蠕變的影響，必須嚴格控制試驗時溫度的波動，否則會給壓痕深度的測量帶來較大誤差。ASTM強調(diào)試樣的溫度與環(huán)境溫度需要保持一致，這一要求也很有必要，若二者差別過大，在試驗過程中勢必會造成環(huán)境溫度變化從而產(chǎn)生熱漂移。

對試樣的要求上，為防止試驗結(jié)果受到支座的影響，需要考慮壓痕深度與試樣厚度的關(guān)系，3個標準要求基本一致，要求試樣厚度至少為壓入深度的10倍，對薄膜進行試驗時認為薄膜厚度為試樣厚度。對于超高硬度（≥40GPa）的薄膜，如果要保證基體不產(chǎn)生塑性變形，壓入深度不應超過5%的涂層厚度[11]。例如在測量高硬度YSZ〈110〉基片上厚度為300nm的Ti薄膜時，如果壓入深度與厚度一致，所得到的測試數(shù)據(jù)遠高于Ti的硬度和模量數(shù)值[12]。但以上對于壓入深度的限定旨在精確測量涂層硬度，若利用納米壓痕儀測量薄膜厚度，可以壓入到超過整個薄膜厚度的位置，由于壓入深度所得加卸載曲線中對應膜厚深度存在一個平臺，即平臺效應，該平臺對應的深度基本與膜厚相當。此外，納米壓痕儀定性測量薄膜結(jié)合強度，隨著壓入深度的增加，硬度和模量更接近于基體，若樣品硬度和模量曲線變化大，則說明膜基變形協(xié)調(diào)性差，薄膜與基體結(jié)合度低[13]。

由于微納米級的壓入測試中壓入深度很淺，試樣表面的制備、測試面的傾斜度、粗糙度和清潔度等對于試驗結(jié)果的影響很大，ISO和GB要求測試面傾斜度不大于1°，粗糙度小于5%的壓痕深度，同時要求測試面干燥和清潔，ASTM則沒有相關(guān)要求。沈林[14]發(fā)現(xiàn)在實際試驗中，樣品表面越粗糙，硬度和彈性模量的測試數(shù)據(jù)以及得出的深度-載荷曲線就越分散；對于具有相同表面粗糙度的試樣，壓入深度越大，樣品表面粗糙度對測試的結(jié)果的影響就越小，驗證了表面粗糙度對試驗結(jié)果的影響很大，建議ASTM對此進行補充。此外，3個標準都沒有對試樣表面的凸起和凹陷進行分析和規(guī)定，但張忠立[15]發(fā)現(xiàn)表面凹形缺陷會使薄膜材料產(chǎn)生尺寸效應，對薄膜材料屈服載荷的影響較大，在這一點上3個標準都需要進行補充。

表1 試驗方法差異性對比

3個標準中對于加載和保載時間都沒有具體的規(guī)定，但ISO和GB中明確規(guī)定了需要在實驗報告中記錄每個階段的時間，如加載和保載時間。事實上，不同的加、保載時間會對試驗結(jié)果造成一定的影響。本文利用Bruker UMT-1微納米設(shè)備，對厚度為（11.8±1.3）μm的TC4鈦合金表面磁控濺射鋁涂層進行了微納米壓痕試驗，研究加載時間和保載時間對涂層力學行為的影響。為保證試驗數(shù)據(jù)可靠性，每個參數(shù)進行3×3的矩陣試驗，壓痕之間距離為100μm。

采用試驗載荷為70 mN，加載時間分別為5，15，30 s進行壓痕實驗，載荷-位移深度曲線如圖3（a）所示。 可知當加載時間過短（5 s）時，蠕變位移為0.087 0 μm，相比 15 s和 30 s時的 0.049 8 μm和0.049 3 μm高出了超過40%，這是由于材料在加載過程中來不及發(fā)生塑性變形，部分塑性變形在保載階段釋放出來，導致蠕變位移較大；但在不同加載時間下，測得的涂層硬度基本為0.35GPa，說明加載時間對硬度沒有明顯影響。然后固定加載時間15s，采用不同的保載時間（5，15，30 s）進行試驗，獲得的載荷-位移深度曲線如圖3（b）所示，可知蠕變位移隨保載時間的增加而增加，由5s時的0.027 8μm增大到30s時的0.0929μm；此外，硬度隨著保載時間的增加而減小：硬度從保載時間為5s時的0.3817GPa減小到15 s時的0.3571 GPa，最后在30 s時減小到0.3382GPa。這是因為隨著保載時間增加，壓痕蠕變位移增加，從而使接觸面積增加，硬度降低。因此，相對于加載時間，該涂層的保載時間對硬度有更大的影響。

對于試驗過程的要求上，ISO和ASTM都要求載荷施加過程中不應有嚴重影響實驗結(jié)果的振動，GB則要求不可以有振動，這一點上，GB的要求過于嚴苛和理想化，ISO和ASTM的規(guī)定更為合理。此外，若試驗中壓頭移動速度過快，壓頭在接觸表面的過程中可能會造成較大的震動，或?qū)侯^造成損害，從而影響試驗準確度，ASTM沒有對此進行說明，ISO和GB都規(guī)定了壓頭在整個試驗過程中的最大速度以及最后趨近階段的移動速度，這一規(guī)定有利于提高試驗結(jié)果準確性。

整體上，對于儀器化納米壓痕試驗方法的要求，ASTM對試驗環(huán)境、試樣及其測試面、試驗操作的要求相對簡略，忽略一些對實驗結(jié)果影響較大的因素要求。GB對于上述方面的要求最為詳細，有利于進行定量的實際操作。

圖3 載荷-位移曲線

1.3 標準塊的標定

對ISO 14577——2015、ASTM E2546-15以及GB/T 22458——2008中用于儀器間接檢驗和確定壓頭面積函數(shù)的標準塊的要求進行比較，見表2。

通過表2的對比可以看出，ISO更加注重標準塊的標定程序，要求涉及試驗標準機、壓頭的檢驗、標定方法、壓痕數(shù)目等，其中關(guān)于部分試驗機的要求在GB/T 21838.1——2008的基礎(chǔ)上更加細致。ASTM和GB則更加注重于標準塊的性質(zhì)和要求，例如材料的選擇、裝卡要求和試驗面等。在標準塊的材料與制造方面，ASTM未提及材料磁性，而ISO未提及壓痕周圍的凸起和凹陷，GB則要求材料沒有明顯的時間相關(guān)性，而這3點對于標定結(jié)果的準確性都有較大影響，所以建議在此方面3個標準相互補充。

有效性方面，ISO規(guī)定標準塊標定的有效期限為5年，且標定值僅對于標定時的試驗條件有效；此外，周亮等[16]研究了微納米尺度壓痕硬度尺寸效應，發(fā)現(xiàn)由于材料的塑性變形會通過錯位機制產(chǎn)生納米壓痕硬度尺寸效應，對于微納米級的試驗，這一效應對硬度測量的影響非常顯著，只有在相同壓入尺寸的情況下的硬度值才可以進行比較。因此ISO規(guī)定了只有壓痕模量可作為用于在微納米范圍的柔度和壓頭面積函數(shù)校準驗證的材料參數(shù)。GB則要求應定期檢驗標準塊的穩(wěn)定性；ASTM和GB在此方面可以借鑒ISO的要求進行補充。

表2 標準塊的要求

1.4 試驗儀器的校準和檢驗

為確保試驗結(jié)果的準確性和可用性，需要對試驗儀器進行校準和檢驗。試驗儀器的校準和檢驗有直接檢驗和間接檢驗兩種方法。

ISO 14577——2015、ASTM E2546-15和GB/T 22458——2008從儀器進行直接檢驗的方面進行對比，如表3所示。

對于載荷和位移校準的方法，ISO和GB對壓入個數(shù)提出要求，因為校準試驗中若壓入點個數(shù)過少時，測試結(jié)果的分散程度可能較大。ISO還嚴格要求了在納米范圍內(nèi)進行的試驗所采用的載荷校準裝置，其規(guī)定的準確度較GB和ASTM高出了幾倍，而校準裝置的準確性是整個儀器準確度的基礎(chǔ)，這一點上應當遵循ISO的高要求。對于校準的允許誤差，ISO也更加嚴格，但當在進行納米級測試時，當最大試驗力Fmax≤2 μN 時，±1%的誤差很難達到，ASTM的要求相對更為合理，此時應在試驗報告中進行說明。此外，ISO未提及對于時間的校準，但試驗中若對其記錄不準確，與時間相關(guān)的參數(shù)測定將出現(xiàn)較大偏差，因此GB和ASTM對試驗儀器所報告的時間與獨立校時裝置測量時間的差別應＜1s的要求是必要的。

3個標準都規(guī)定了在直接檢驗以后需要進行間接檢驗，儀器的間接檢驗是為了檢驗儀器的整體性能。3個標準對于間接檢驗的方法要求基本一致，ASTM對于間接檢驗的周期要求更嚴格。此外對于間接檢驗結(jié)果的評定，ISO和GB的評定復雜而精確，需要通過變異系數(shù)分析試驗機的重復性和通過試驗機誤差分析其的性能是否滿足要求，這些分析對于提高試驗機準確度有很大幫助。ASTM的評定相對簡單，只需判斷測試設(shè)備報告的壓痕模量值與標稱的楊氏模量相匹配的程度。

表3 儀器的校準與檢驗-直接檢驗

1.5 試驗結(jié)果的不確定度

國內(nèi)外標準都要求根據(jù)相關(guān)不確定度評定的標準進行試驗結(jié)果的不確定度評定。其中，壓頭面積函數(shù)的測定、儀器柔度的測定以及零點的確定對實驗結(jié)果的影響很大，3個標準都以附錄的形式對這3個方面作了規(guī)定和要求。

1.5.1 壓頭尺寸及面積函數(shù)的測量方法

3個標準對于儀器化壓痕試驗的各種典型壓頭形狀、尺寸和加工允許偏差的要求幾乎完全一致。但壓頭尖端的實際形狀與其設(shè)計形狀之間往往存在差異，例如三棱錐壓頭尖端的圓弧面、四棱錐壓頭尖端的連接線、壓頭的加工角度與設(shè)計角度之間的偏差、壓頭磨損導致的形狀變化等。目前用于納米壓痕試驗的金剛石壓頭的幾何外形，主要有三棱錐形（Berkovich壓頭）、圓錐形和球形等，其中最為常用的是三棱錐形的Berkovich金剛石壓頭，這是因為其壓頭的3個面可以較好地交于一點，能夠盡可能地減少壓頭幾何形狀的偏差給納米壓痕試驗帶來的影響。王春亮[10]發(fā)現(xiàn)，壓痕模量值的變化與面積函數(shù)的變化是負相關(guān)關(guān)系，且當面積函數(shù)的變化為±1%的時候，引起壓痕模量值的變化為±0.5%，為了保證結(jié)果的準確性，應定期對壓頭面積函數(shù)進行重新確定。對于壓頭面積函數(shù)的測量，ASTM只對間接法測量進行了規(guī)定，而ISO和GB則提出了直接測量和間接測量2種方法。

間接法測量的基本思想是利用已知性能的標準樣品，通過對接觸剛度、接觸深度等參數(shù)的擬合和整理間接得出壓頭面積函數(shù)。ISO做了原理性的介紹，GB和ASTM給出了具體壓頭面積函數(shù)的擬合公式以及用于評估擬合質(zhì)量變化率參量的公式。對3個標準在間接測量方法上的差異進行比較，如表4所示。

ISO和GB提出的直接測量法是利用可溯源的校準原子力顯微鏡對壓頭尖端進行高分辨力的三維形貌表征，從而建立壓頭面積函數(shù)，這種方法在實際操作中并不方便。但黎正偉[17]對于納米壓痕儀的校準及不確定度評定的研究表明，在較淺壓入深度，基于掃描頻率為0.5Hz的直接校準法所測得標準樣塊的硬度值和折合模量值比間接方法測得的結(jié)果準確，在較大壓入深度，兩種校準方法的測量結(jié)果相差不大。

此外，在壓頭有效性的規(guī)定中，GB和ISO都規(guī)定了在壓頭面積函數(shù)適用的任意深度，通過其規(guī)定方法確定的面積函數(shù)與標稱面積函數(shù)之間的差別 （每個測量深度所對應的面積與標稱面積之間的相對變化率）超過30%時，該壓頭報廢。而ASTM標準中未提及類似規(guī)定，不利于壓頭的有效性控制，需要進一步補充。

1.5.2 儀器柔度

儀器柔度表示在壓入載荷作用下機架、致動器、壓頭、試樣臺等的變形，它是由施加到試樣上的載荷所導致的。對于儀器柔度的測定，GB和ASTM只在基本原理上進行說明，而ISO對于測定方法的要求比較詳細，對于壓痕硬度為常數(shù)或隨壓痕深度變化、壓頭面積函數(shù)已知和未知，以及使用不同壓頭等情況，共給出了7種計算儀器柔度的方法，基本涵蓋了所有儀器柔度校準的情況。這些方法按照壓痕深度遞減時力和準確度遞增的次序排列，非常便于試驗者根據(jù)實際情況進行選擇和使用。

表4 壓頭面積函數(shù)的間接測量方法

1.5.3 零點的確定

3個標準均要求每次試驗時應單獨設(shè)置力與壓痕深度曲線的零點，并應給出零點的不確定度。ISO和GB提出零點的確定有兩種方法，一種是通過擬合曲線的外推法計算零點，另一種方法是認為測得的試驗力或接觸剛度第一次增加時的接觸點為零點，此時要求微納米范圍內(nèi)力的步進量小于5μN，以保證零點的不確定度在允許的范圍內(nèi)；此外，ISO和GB對于試驗的類型和材料沒有相關(guān)要求。

ASTM對于零點確定給出的兩種程序適用于時不變材料的準靜態(tài)儀器化壓痕實驗。ASTM關(guān)于此方面的規(guī)定非常詳細，按步驟給出了兩種程序?qū)τ诹泓c的確定方法。第1種方法是通過對原始數(shù)據(jù)的一系列處理，獲取新的數(shù)據(jù)組來確定零點，該方法適用于載荷和位移在壓頭接近與接觸試樣表面的過程中是連續(xù)的情況，這種方法對于試驗初始獲取載荷、位移和時間數(shù)據(jù)前施加預加載荷的情況不適用；第2種方法是應用赫茲方程，通過對標準塊的儀器化壓痕實驗數(shù)據(jù)進行擬合來確定零點。ASTM還針對兩種方法按照步驟給出了確定零點的示例，并對不確定度進行分析，非常便于實際操作。

2 結(jié)束語

通過國內(nèi)外儀器化納米壓痕試驗標準的對比和分析，得到如下結(jié)論：

1）標準適用范圍上，ISO和ASTM規(guī)定的試驗載荷和深度范圍很廣，從常規(guī)范圍一直到納米范圍都有規(guī)定，其中ISO對于微納米級覆蓋層的壓入試驗有專門的要求；GB則主要適用于納米范圍的試驗，其規(guī)定更有針對性。

2）試驗方法上，ASTM對試驗環(huán)境、試樣及其測試面以及試驗操作的要求相對簡略，忽略一些對實驗結(jié)果影響較大因素的要求；GB對于上述方面的要求最為詳細，有利于進行定量的實際操作。

3）標準塊的標定和儀器的校準上，ISO更加注重標準塊的標定程序，ASTM和GB則更加注重于標準塊的性質(zhì)和要求。ISO對儀器校準誤差的要求最為嚴格，但忽略了對時間的校準；ASTM要求相對簡略，但注重規(guī)定檢驗的周期；GB在對誤差和周期的要求上都有不足。

4）影響試驗不確定度的因素上，ISO和ASTM對儀器柔度和零點確定的規(guī)定較為詳細，對于壓頭面積函數(shù)的測定，ASTM和GB給出了具體的擬合公式，ISO的描述則相對繁瑣。綜上，GB在標準塊的標定、儀器的校準、儀器柔度測定、零點的確定等方面還可以參考ISO和ASTM進一步修訂，為我國儀器化納米壓痕試驗在標準化方面提供強有力的依據(jù)和支撐。

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[3]Metallic materials-instrumented indentation test for hardness and materials parameters-part 3：calibration of reference block： test method：ISO 14577-3-2015[S].2015.

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