一種材料硬度測試方法及系統的製作方法
2023-11-09 20:30:02
專利名稱：一種材料硬度測試方法及系統的製作方法
技術領域：
本發明涉及材料硬度測試方法及系統。
背景技術：
隨著超精密加工技術、微納米製造技術和表面工程技術的發展，微納米構件和塗層薄膜 質量的檢測技術和評價方法已成為相關技術發展中的關鍵問題。構件和薄膜的力學性能是微 機電系統設計、製造中的重要參數，對微機電系統的使用性能、可靠性、服役壽命等均會產 生顯著的影響。在材料各個方面的性能中，硬度是評價材料力學性能的一種簡單、高效的手 段，己有近百年的歷史，硬度測量與材料的彈性模量、屈服強度、抗拉強度等力學性能都有 關係，它的檢測與評價方法正確與否，直接關係到能否對微納米構件和塗層薄膜質量進行正 確評價，能否指導微納米構件和薄膜的設計、加工、工藝、製造等，必將影響微機電系統、 表面工程技術、超精密技工技術等的發展。
而目前硬度的測試與評價方法比較混亂，有很多不足，根據不同的測試與評價方法，同 一材料有很多種不同的硬度值，而且同一材料其宏觀硬度與微觀硬度也不相同。首先，對於 布氏硬度、維氏硬度、顯微硬度、努氏硬度等，由於其採用的壓頭形狀不同，測量得到的壓 痕面積也不相同，所以其計算得到的硬度值也不相同；而且，在微納米尺度下，無法精確測 量壓痕直徑、壓痕對角線或壓痕邊長，所以其計算得到的壓痕面積存在誤差；另外，對於純 彈性變形行為，載荷是存在的，而沒有壓痕面積，採用載荷除以壓痕面積的方法會導致無窮 大。在微納米尺度下，最常用的硬度計測方法是01iver-Pharr方法，它也是商業用納米硬度計 上所設定的方法，它採用載荷一壓深曲線中的卸載曲線來計算得到壓頭與試件之間的接觸面 積，從而用載荷除以接觸面積得到材料硬度，此方法的好處在於不用去尋找壓痕，而且對 於純彈性變形行為，它也可以得到壓頭與試件之間的接觸面積，從而得到材料硬度值。但是， Oliver-Pharr方法沒有考慮壓痕中材料凸起對接觸面積的影響，所以往往高估材料硬度；另外， 它的硬度計算中加入了材料彈性變形部分，也就是Oliver-Pharr方法認為材料硬度是材料抵 抗彈、塑性變形的能力，而傳統的硬度定義是表徵材料表面抵抗外物壓入時所引起局部塑性 變形的能力，所以它與傳統的硬度定義不一樣，無法建立起與傳統硬度之間的關係，會引起 對材料硬度評價的混亂，無法給出材料的真正硬度。
基於此，本發明採用塑性功除以塑性變形體積表示材料硬度，其定義與傳統硬度一樣， 都為表徵材料抵抗塑性變形的能力；而且對於不同的壓頭，其得到的硬度值一致；另外，無論是在微觀還是宏觀情況下，其得到的硬度值也一致；最後，在純彈性變形的情況下，其載 荷一壓深曲線中加載曲線和卸載曲線是重合的，其塑性功為零，相當於沒有做功，而不會象 其它傳統硬度計算方法一樣，得到的結果是無窮大。
綜上所述，用塑性功與塑性變形體積的比值表示材料硬度的方法可以正確評價材料硬度， 對相關技術領域的發展具有非常重要的意義。
發明內容
本發明的目的是提供一種能準確評價材料硬度的計算和測量方法以及實現該方法的系統。
本發明提出一種材料硬度測試方法，包括以下步驟 預處理試件表面並固定試件； 將壓頭壓入試件表面；
記錄和得到壓痕過程的載荷一壓深曲線，由此曲線得到引起材料塑性變形的塑性功； 掃描得到試件壓痕前後的表面形貌，得到由壓頭對材料所做塑性功引起的材料塑性變形
體積；
用塑性功和塑性變形體積的比值作為材料的硬度。
本發明還提出一種完成上述方法的.材料硬度測試系統，包括一個壓頭、 一個Z向運動工 作臺、 一個XY向運動工作檯、.一個力傳感器、三個位移傳感器和一個檢測監控裝置，其特 徵在於，所述壓頭實現對試件壓痕製備和表面形貌掃描頭，所述Z向運動工作檯帶動壓頭壓 入試件並離開試件，所述XY向運動工作檯帶動試件在XY向運動，以配合壓頭和Z向運動
工作檯實現對試件表面的掃描，所述力傳感器記錄壓痕過程中載荷和掃描形貌過程中壓頭與
試件之間的作用力，所述三個位移傳感器分別記錄Z向和XY向工作檯運動位移，所述檢測 監控裝置控制工作檯的運動並且採集傳感器數據。
採用本發明的技術方案，利用塑性功與塑性變形體積比值作為材料硬度，解決了材料宏 觀與微觀硬度、不同壓頭測試硬度不一致，造成材料硬度評價混亂的問題。
採用本發明的技術方法，可以得到壓頭ffi入材料時的載荷一壓深曲線，可以得到相同位 置材料表面壓痕前後的形貌，可以得到材料力學響應的全面信息，達到準確評價材料硬度的 目的。
圖1典型的壓頭壓入和離開材料的載荷一壓深曲線。
圖2材料表面初始的表面形貌。
圖3材料被壓頭壓入後留下的壓痕形貌。圖4本發明的材料硬度計測系統構成示意圖。 具體實施例
本發明首先從傳統硬度定義"硬度為表徵材料表面抵抗外物壓入時所引起局部塑性變形 的能力"出發，建立了引起材料塑性變形的塑性功與材料塑性變形體積之間的關係。通過記 錄壓痕過程的載荷一壓深曲線，^^由此曲線計算得到塑性功；通過掃描材料表面壓痕前後的 形貌，並由此形貌計算得到塑性變形體積，是這項技術實現的前提。本發明提供了記錄載荷 一壓深曲線裝置和掃描材料表面形貌裝置。試驗基本步驟包括將材料放在工作檯上，控制工 作臺的運動，檢測傳感器的信號，掃描材料表面的初始形貌；再將壓頭逐漸壓入和離開材料， 實時記錄載荷一壓深曲線；之後再掃描壓痕形貌，並由這些信息計算得到材料的硬度。本發 明所述的材料硬度評價技術有很廣的應用領域，可用於不同壓頭，不同壓痕深度、不同塊狀 材料或薄膜材料等對其硬度的評價需求。
本發明提供一種材料硬度計測方法，是控制壓頭在被測試件上製備一個壓痕，在此過程 中記錄下載荷一壓深曲線，並掃描得到試件表面壓痕前後形貌，用塑性功與塑性變形體積的 比值評價材料硬度。
本發明實施的具體步驟有1)對材料表面進行預處理，使其表面儘可能平整，沒有雜質； 2)安裝試件在XY工作檯上；3)控制工作檯和壓頭，掃描試件表面初始形貌；4)控制工作 臺和壓頭，使壓頭逐漸壓入試件，並實時記錄載荷一壓深曲線，即加載曲線；5)在壓頭到達 設定壓痕深度後，保持一定時間，之後逐漸使壓頭與試件分離，並實時記錄載荷一壓深曲線， 即卸載曲線；6)控制工作檯和壓頭，掃描試件表面壓痕形貌；7)根據載荷一壓深曲線計算塑 性功，根據試件表面壓痕前後形貌，計算塑性變形體積，並用塑性功與塑性變形體積的比值 表示材料硬度。
本發明在測量得到載荷一壓深曲線，以及壓痕前後的表面形貌後就可以下面過程計算得 到材料硬度。
對圖1中加載曲線進行擬合積分可得到壓痕過程中，壓頭對試件所做的總功^，即圖l 中灰色部分；對卸載曲線進行擬合積分就可得到壓痕過程中，壓頭引起試件彈性變形的彈性 功『e,即圖1中淺灰色部分。用式(l)可計算得到壓痕過程中，壓頭引起試件塑性變形的塑性 功『p，即圖1中深灰色部分。
『p, - ffe (1)
通過對圖2表面形貌進行計算，可以得到由於材料表面粗糙度引起的材料表面初始體積 F0;通過對圖3表面形貌進行計算，可以得到壓痕後材料表面總的變形體積F,。用式(2)可以計算得到由壓頭對材料做功所引起的塑性變形體積^。
&^_r0 (2)
再由式(3)計算出材料硬度。
『n
= 2 (3)
為實施對材料硬度的測試，本發明還提供一套材料硬度的計測系統。 參見圖4所示，該系統一個壓頭2、 一個Z向運動工作檯1、 一個XY向運動工作檯4、 一個力傳感器、三個位移傳感器和一個檢測監控裝置。
壓頭2安裝在Z向運動工作檯上1，具有可換壓頭裝置；在Z向運動工作檯上1安裝有 一個力傳感器和一個位移傳感器；試件3安裝和固定在XY向運動工作檯4上，另外在XY 向運動工作檯4上安裝有兩個位移傳感器；三個工作檯由基座5、支架6連接在一起，手動 粗調Z向位移機構7用來進行粗調壓頭與試件之間的位置；整個系統由檢測監控裝置(計算機 和接口部件，圖中未畫出)來控制。
通過以上說明可以歸納本發明具有如下特徵
①利用本發明對材料硬度進行檢測，材料製備簡單，對材料尺寸、形狀、壓頭形狀等沒 有特殊要求。
.②記錄壓頭壓入和離開材料時的載荷一壓深曲線，並對此曲線進行擬合積分，可以精確 計算出壓頭對材料所做的總功、彈性功和塑性功。 ③掃描得到材料表面壓痕前後的形貌，可以計算得到材料在壓頭作用下實際的塑性變形 體積。
由塑性功和塑性變形體積之間的比值表示材料硬度，能建立其材料宏觀硬度與微觀硬 度之間的聯繫。
⑤此種材料硬度計測方法得到的材料硬度是一致的，可以解決目前對材料硬度評價混亂 的局面。
以本發明的技術思路，除了可以測得材料的硬度，還可以對材料的其它力學性能進行評價。
權利要求
1、一種材料硬度測試方法，其特徵在於包括以下步驟預處理試件表面並固定試件；將壓頭壓入試件表面；記錄和得到壓痕過程的載荷—壓深曲線，由此曲線得到引起材料塑性變形的塑性功；掃描得到試件壓痕前後的表面形貌，得到由壓頭對材料所做塑性功引起的材料塑性變形體積；用塑性功和塑性變形體積的比值作為材料的硬度。
2、 如權利要求1所述材料硬度測試方法，其特徵在於塑性功從載荷一壓深曲線中獲 得，為壓頭對試件所做的總功與壓頭引起試件彈性變形的彈性功之差。
3、 如權利要求1所述材料硬度測試方法，其特徵在於塑性變形體積由試件壓痕前後 的表面形貌獲得，為壓痕後材料表面總的變形體積與由於材料表面粗糙度引起的材料表面初 始體積之差。
4、如權利要求1所述測試方法，其特徵在於所述壓頭是四稜錐壓頭、三稜錐壓頭、球 形壓頭或平頭壓頭。
5、 一種完成如權利要求1所述方法的材料硬度測試系統，包括一個壓頭、 一個Z向運動工作檯、 一個XY向運動工作檯、 一個力傳感器、三個位移傳感器和一個檢測監控裝置，其特徵在於，所述壓頭實現對試件壓痕製備和表面形貌掃描頭，所述z向運動工作檯帶動壓頭壓入試件並離開試件，所述XY向運動工作檯帶動試件在XY向運動，以配合壓頭和Z向運 動工作檯實現對試件表面的掃描，所述力傳感器記錄壓痕過程中載荷和掃描形貌過程中壓頭 與試件之間的作用力，所述三個位移傳感器分別記錄Z向和XY向工作檯運動位移，所述檢 測監控裝置控制工作檯的運動並且採集傳感器數據。
6、 根據權利要求5所述的系統，其特徵在於壓頭同時完成壓入試件和掃描試件表面形 貌的功能，以實現壓痕前後所掃描得到的試件表面形貌位置為試件表面上的同一位置。
7、 根據權利要求5所述的系統，其特徵在於系統上有更換壓頭的裝置。
8、 根據權利要求5所述系統，其特徵在於所述XY向運動工作檯上有安裝和固定試件 的裝置，以保證壓頭壓入試件或XY向運動工作檯時不會引起試件晃動。
9、 根據權利要求5所述系統，其特徵在於所述檢測監控裝置控制包括一臺計算機、控 制工作檯運動的接口器件，採集傳感器信號的接口器件。
全文摘要
本發明提供了一種能準確評價材料硬度的方法和系統。該方法通過記錄壓頭壓入試件時的載荷—壓深曲線，再對此曲線進行擬合積分，可計算出壓痕過程中壓頭對試件所做的總功、彈性功和塑性功；通過掃描試件表面被壓入前和壓入後的形貌，可計算出試件的初始體積和壓入後總的變形體積，將總的變形體積減去初始體積可得到材料塑性變形體積；將塑性功與塑性變形體積的比值作為材料的硬度。該系統主要包括一個壓頭、一個Z向運動工作檯、一個XY向運動工作檯、一個力傳感器、三個位移傳感器和一個檢測監控裝置。此系統可記錄和完成對試件壓痕的製備、試件表面形貌的掃描；可得到壓痕過程的載荷—壓深曲線，以及試件壓痕前後的形貌。本發明用塑性功和塑性變形體積的比值表示材料的硬度，解決了目前材料的宏觀硬度與微觀硬度不一致、不同壓頭形狀測得的硬度不一致，造成材料硬度評價混亂的局面，具有非常重要的應用價值，可給出一致的材料硬度。
文檔編號G01N3/40GK101413859SQ200810182900
公開日2009年4月22日 申請日期2008年12月12日 優先權日2008年12月12日
發明者琦 劉, 劉亞龍, 亮 周, 姚英學 申請人:哈爾濱工業大學