机械材料力学性能测量研究

陈志伟

【摘  要】论文对机械材料力学性能进行了测量研究，分析了材料力学性能的测量方法，包括薄膜残余应力测量、纳米压入法测量、衬底弯曲法、载荷位移法、薄膜微桥挠曲法和共振频率法，对于破坏强度的测量方法同时进行了分析，希望能为当前材料力学性能测量提供技术参考。

【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.

【关键词】机械材料;力学性能;测量

【Keywords】mechanical materials; mechanical properties; measurement

【中图分类号】TH140.7                               【文献标志码】A                                   【文章编号】1673-1069（2020）09-0184-02

1 引言

现今社会各个领域对于机械材料的力学性能要求较高，机械材料因不同的力学性能具备不同的应用前景。因此，针对材料的力学性能也发展出了各类测量方法，如电子机械系统主要使用薄膜态材料，所展现的力学性能是微电子机械系统的基础，在提高部件适用寿命、增强可靠性等方面具备重要的作用。因此，对机械材料力学性能的测量于材料本身而言扮演着极其重要的角色。

2 研究背景阐述

20世纪初开始，电子机械系统成为发展最为迅速的领域之一，在汽车航天、通讯交流、国防医疗等领域均发挥出自身的巨大功用。随着该系统的发展革新，对机械材料的力学性能提出了更高的要求，而材料的力学性能研究所涉及的方法自然成为了科研学者所关注的重点。

薄膜是电子器件应用最多的材料形式，对于薄膜的力学性能测量表征对于机械电子器件有着极其重要的意义。薄膜由于尺寸限制，无法使用传统的力学性能测量方法，为此，研究人员提出了如纳米压入法等新的力学性能测量方法。本研究对以上测量手段进行了分析探讨，并用实际案例论述了测量方法的应用。

3 机械材料力学性能测量基本方法

3.1 薄膜殘余应力测量

测量薄膜残余应力通常是根据衬底弯曲形状和弯曲规律进行的。测量材料需要使用整体宏观位移进行定位，测量过程包括薄膜的释放、旋转和亮片旋转等步骤。通过应力测量，可在微观结构上对材料力学性能进行分析，提取出采用率数值，促进测量精确性。

3.2 纳米压入法测量

纳米压入法测量可绘制测量过程的载荷-位移曲线，图1是纳米压入法典型的加载-卸载曲线。根据材料形变过程理论，材料在受到压力时随着压力增加，首先发生弹性形变，然后再发生塑性形变，因此，加载-卸载曲线是非线性的，卸载过程则是反应材料的弹性回复过程，最后通过分析该曲线可测的材料的杨氏模量和纳米硬度。

3.3 衬底弯曲法

衬底弯曲法在测量过程中需要考虑薄膜的残余应力能否导致衬底发生弹性弯曲，同时因为薄膜生长前后的挠度差和曲进半径差，需要计算挠度和残余应力之间的关系，一般采用悬臂梁法和测量圆形衬底曲率半径进行测量，见下式。测量过程要注意测量误差的大小。

3.4 载荷位移法

载荷位移法最为重要的是单轴拉伸实验，单轴拉伸实验可以直接测量杨氏模量的形成进行标准，同时明确受力均匀的面积，解释数据的通用性。图2是某多晶硅的微拉伸试样，测量结果杨氏模量为170GPa，断裂强度为1.2GPa。由于薄膜存在着残余应力，因此，在测量时可能会存在轴弯曲受损的情况，影响测量结果。

3.5 薄膜微桥挠曲法

薄膜微桥挠曲法主要是基于微桥和挠度的方式测量材料性能的方法，其需要结合纳米压入法和微桥方法对单晶硅和氧化硅之间进行测量。

3.6 共振频率法

通过微梁共振频率对材料力学性能进行测量的方法叫作共振频率法，从图3可以看出，微梁须采用悬臂梁（也可使用微桥）。测量时，微梁首先在电压的激励下产生振动，激励电机要选择正弦电压以便后续的观察记录，通过激光束照射在微梁上对微梁振动进行观测，微梁中心和两端的振幅最大，故激光束通常照射在这两处。使用PSD实时检测反射的激光束，PSD的输出信号接入示波器即能实现对振幅的可视化观测。通过改变电压频率，使微梁在一定频率时发生共振，此时微梁振幅和PSD的输出都达到最大，即可得到微梁的共振频率。

4 对于破坏强度的测量

4.1 加载变形法

装置和弹性模量测量采用的装置相同，当载荷超过一定值时，就会导致材料结构发生一定的破坏。对于破坏强度的测量，可通过测量结构破坏的程度，以得到结构破坏的面。通过显微镜可观察到结构的裂缝和随时间生长的情况。

4.2 单轴拉伸法

单轴拉伸法要明确测量的结构和测量过程中产生的平面上加力。实验时一般采用扭转式悬臂梁进行，样品位于扭转式悬臂梁两侧，按照箭头方向产生拉力。对于实验的原理、样品产生的拉力方向和离心率升高的原因要实时分析。材料遭到破坏时，对于破坏原因要给出合理解释，同时要根据相应的破坏标准，分析两端拉力产生的原因。根据静电的吸引力将产生的拉力拉断。

5 实际测量应用

笔者根据微力微位移天平测试装置测量机械材料实验讨论以上方法的应用。微力微位移天平由天平、刚性探针和显微镜组成，见图4。光学标尺0.1mg的读数改变对应天平左盘的升高数值为14.38μm，故探针作用在被测样品的微力为：F=（T-Δ）×9.8μN

测试原理见图5，悬臂梁在载荷F的作用下发生挠曲，则悬臂梁挠曲微分方程为：-EIyn=M（x）=-F（L-x）

式中，E为材料杨氏模量;M为弯矩;I为悬臂梁惯性矩。

图6为测试材料的悬臂梁载荷-挠度典型曲线。从图中可以看出，测量结果的线性度较好，其能够较为客观、全面地描述实验中的载荷-位移曲线。

6 结论

本文介绍了机械材料的多种力学性能测试方法，随着材料性能的发展，各类测试方法必然会显现出它的局限性，为此需要开发适用于不同力学性能材料的测量方法，以适应材料的发展创新。

【参考文献】

【1】胥代民，张忠松，贾宏凯.微机械材料力学性能测量[J].内燃机与配件，2017（23）：160-161.

【2】宗登刚.微机械材料力学性能测量[D].上海：中国科学院研究生院（上海微系统与信息技术研究所），2003.