一種適合于精確評價金剛石玻式壓頭尖端曲率半徑的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明設(shè)及一種適合于高精度金剛石玻式壓頭尖端曲率半徑的精確評價方法，應(yīng) 用于材料表面微納米尺度力學(xué)特性的檢測，屬于納米硬度測量技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002] 近=十年來，納米硬度測量技術(shù)廣泛應(yīng)用于材料表面微納米尺度力學(xué)特性的檢 巧。。納米硬度測量技術(shù)指的是通過使用高精度的金剛石壓頭壓入或刻劃材料表面從而檢測 材料微小體積內(nèi)力學(xué)特性的一種方法。壓痕和劃痕的深度一般為微米甚至納米尺度，是進 行表面涂層、薄膜材料和材料微納尺度表面等力學(xué)特性測試的理想方式。按運種方法設(shè)計 的納米壓痕儀通過實時連續(xù)地記錄壓頭在樣品表面的加載和卸載過程，能夠得到試驗過程 中施加在壓頭上的載荷與壓頭壓入材料深度的關(guān)系，運是傳統(tǒng)宏觀或顯微硬度檢測方法所 不能達到的。
[0003] 對于納米硬度測量技術(shù)來說，要獲得納米尺度的壓痕或劃痕，除了高精度的測試 儀器、良好的測試環(huán)境化及符合要求的樣品表面W外，還需要高精度的金剛石壓頭。其中玻 氏壓頭是目前大多數(shù)儀器化納米壓痕試驗所使用的壓頭，與其它壓頭相比，它可W加工得 非常尖銳，并且即使在很小的深度范圍內(nèi)，運種壓頭的形貌與理想壓頭的偏差也較小，非常 適合壓入深度極小的壓痕試驗。金剛石壓頭幾何形貌對材料硬度等力學(xué)特性測量結(jié)果有直 接影響，因此國內(nèi)外諸多學(xué)者對如何準(zhǔn)確檢測壓頭各個參數(shù)進行了大量的研究。目前常用 的金剛石壓頭的測量方法分為兩大類：直接測量和間接測量。其中直接測量根據(jù)使用的儀 器和測量原理不同可分為掃描電子顯微鏡（Scanning Electron Microscope,簡稱沈M)測 量、原子力顯微鏡（Atomic Force Microscope,簡稱AFM)測量、掃描白光干設(shè)儀（Scanning White Li曲t Interferometry,簡稱SWLI)測量等。而間接測量主要指通過壓痕試驗間接 測量壓頭的面積函數(shù)從而反推出金剛石壓頭的幾何形貌或者通過測量壓痕形貌間接得到 壓頭的幾何形貌。
[0004] (l)AFM測量法 陽0化]國外學(xué)者使用原子力顯微鏡準(zhǔn)確地測量了玻氏壓頭的形貌，包括了壓頭的面積函 數(shù)、尖端純圓半徑W及角度參數(shù)。測量過程為：首先對原子力顯微鏡進行校準(zhǔn)，測得金剛石 壓頭尖端的=維形貌，然后用平面擬合壓頭側(cè)面AFM數(shù)據(jù)，從而計算各平面間的夾角參數(shù)。 為了測量面積函數(shù)，需要通過AFM數(shù)據(jù)分層計算壓頭的橫截面積，再通過該面積與深度的 關(guān)系求得面積函數(shù)。壓頭尖端純圓半徑則通過用圓弧或者其它曲線擬合壓頭縱向剖面輪廓 數(shù)據(jù)點求得。AFM是一種常用的檢測高精度金剛石壓頭的儀器，國際標(biāo)準(zhǔn)也推薦采用此方法 檢測用于納米壓痕試驗的金剛石壓頭。
[0006] (2) SEM測量法
[0007] 該方法要求樣品具有導(dǎo)電性，因此在檢測前需要對金剛石壓頭進行鍛金處理，所 W其檢測結(jié)果與真實的壓頭形貌稍有差異。而且該方法只能得到壓頭的二維形貌，不能準(zhǔn) 確測量壓頭的尖端純圓半徑W及各錐面之間的夾角關(guān)系。對于金剛石玻氏壓頭來說，SEM測 量法作為一種定性的檢測手段使用較為廣泛。 陽00引做SWLI測量法
[0009] 中國學(xué)者化n-Liang化en等人采用掃描白光干設(shè)儀對金剛石壓頭的幾何形貌進 行了測量，并用最小二乘法擬合了測量數(shù)據(jù)。該方法對于面角較小的壓頭有較好的測量效 果，但如果壓頭面角過大，則測量效果不佳。
[0010] (4)激光測角儀測量法
[0011] 美國MST公司研發(fā)的壓頭激光測角儀能精確測量金剛石壓頭的角度參數(shù)。該激光 測角儀的分辨率為0.oor。該方法的缺點是只能測量壓頭的角度，不能檢測壓頭尖端的形 貌W及測量尖端純圓半徑。
[0012] (5) 3D共聚焦顯微鏡測量法
[0013] 意大利學(xué)者Alessan化0Germak等人使用3D共聚焦顯微鏡對壓頭的幾何形貌進 行了測量分析，認為運種方法相比于探針式的測量儀器能獲得更加完整的壓頭幾何形貌信 息。但該方法不能檢測小尺度范圍內(nèi)壓頭尖端形貌W及純圓半徑。
[0014] (6)壓痕試驗法
[0015] 希臘和德國學(xué)者K. -D. Bouzakis等人提出了一種快速檢測納米壓頭制造缺陷和 磨損狀態(tài)的方法，通過將娃（100)晶面納米壓痕試驗與有限元仿真計算馬氏硬度相結(jié)合， 能夠快速檢驗和預(yù)測金剛石壓頭形貌偏離理想情況的程度。美國學(xué)者M. F. Doemer將金剛 石壓頭壓入已知楊氏模量的材料對壓頭形貌進行間接測量。他首先對a-黃銅做了一系列 不同深度的壓痕試驗，再將所得壓痕復(fù)印到碳上，最后用透射電子顯微鏡（TEM)測量碳材 料表面留下的復(fù)制結(jié)構(gòu)并計算壓痕面積，得到壓痕面積與壓入深度的關(guān)系即為該壓頭的面 積函數(shù)，該方法精度不高且較為繁瑣。德國學(xué)者Benoit Merle應(yīng)用連續(xù)剛度法對烙融娃進 行壓痕試驗從而測定壓頭的形貌。美國學(xué)者Kaushal K化al通過壓痕試驗中的總壓痕功 和彈性功來估計壓頭的尖端純圓半徑。吉林大學(xué)的化化ang等人則通過壓痕形貌來估計 壓頭的傾斜角度?？偟膩碚f，壓痕試驗法只是一種估算的方法，不能準(zhǔn)確測定壓頭的幾何形 貌。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0016] 本發(fā)明的目的是為了擬合出更接近實際的金剛石玻式壓頭幾何形貌，提出了一種 適合于精確評價金剛石玻式壓頭尖端曲率半徑的方法。
[0017] 本發(fā)明的目的是通過W下技術(shù)方案實現(xiàn)的：
[0018] 一種適合于精確評價金剛石玻式壓頭尖端曲率半徑的方法，包括W下步驟：
[0019] 一、建立金剛石玻氏壓頭的=維模型，根據(jù)此模型推導(dǎo)出一種新的精確描述壓頭 的面積函數(shù)用于表征具有一定純圓半徑的壓頭。與其它模型相比，該模型不但考慮了壓頭 尖端純圓半徑，還考慮了壓頭各棱邊純圓半徑。
[0020] 二、用此面積函數(shù)直接擬合AFM測量數(shù)據(jù)即可得到精確的壓頭尖端純圓半徑。通 過該面積函數(shù)與多種面積函數(shù)的對比分析，認為新建立的面積函數(shù)能更好地擬合金剛石玻 氏壓頭的真實=維形貌。因此，本發(fā)明在計算壓頭尖端純圓半徑時首先選擇此模型來擬合 壓頭=維數(shù)據(jù)，初步計算壓頭純圓半徑，然后通過傳統(tǒng)求取純圓半徑的方法進一步詳細計 算壓頭尖端和棱邊的純圓半徑。
[0021] 本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有W下的有益效果：
[0022] 1、本發(fā)明提供了一種適合于高精度金剛石玻式壓頭尖端曲率半徑的精確評價方 法，所建立的金剛石玻式壓頭模型考慮了壓頭各棱邊的純圓半徑，推導(dǎo)的新面積函數(shù)能更 好地擬合壓頭的真實=維形貌。
[0023] 2、本發(fā)明測量與評價高精度金剛石玻氏壓頭純圓半徑簡單快捷并且受人為因素 影響小，擬合評價壓頭尖端曲率半徑精度較高，可W更真實地反映金剛石玻式壓頭的幾何 形貌。
【附圖說明】
[0024] 圖1是金剛石玻式壓頭幾何模型；
[00巧]圖2是壓頭等效圓錐模型；
[0026] 圖3是不同深度范圍對應(yīng)的壓頭橫截面形狀，其中，a)為橫截面是一個圓，b)為橫 截面是圓與楠圓的混合圖形，C)為橫截面是圓與直線的混合圖形；
[0027] 圖4是多種面積函數(shù)對金剛石玻氏壓頭AFM測量數(shù)據(jù)的擬合精度對比。
【具體實施方式】
[0028] 下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的技術(shù)方案作進一步的說明，但并不局限于此，凡是對本 發(fā)明技術(shù)方案進行修改或者等同替換，而不脫離本發(fā)明技術(shù)方案的精神和范圍，均應(yīng)涵蓋 在本發(fā)明的保護范圍中。
[0029] 本發(fā)明提供了一種適合于高精度金剛石玻式壓頭尖端曲率半徑的精確評價方法， 可W更真實地反映金剛石玻式壓頭的幾何形貌?！揪唧w實施方式】如下：
[0030] 一、建立金剛石玻式壓頭幾何模型
[0031] 如圖1所示，該模型由=個錐面交匯而成，兩兩相交的側(cè)面形成帶有純圓半徑的 棱邊，=條棱邊相交形成具有純圓球面的壓頭尖端。該模型假設(shè)壓頭=條棱邊的純圓半徑 均為P，=條棱交匯于頂點形成一球面，其尖端純圓半徑也為P。壓頭側(cè)面與金剛石=棱 錐體軸線的夾角為a，對于標(biāo)準(zhǔn)型金剛石玻氏壓頭a= 65.03°。壓頭各棱邊與金剛石= 棱錐體軸線夾角P =arctan (2tan a)。
[0032] 二、目前已建立的可用來描述玻式壓頭實際形貌的面積函數(shù)
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