[发明专利]一种材料硬度测试方法及系统

说明书

技术领域

本发明涉及材料硬度测试方法及系统。

技术背景

随着超精密加工技术、微纳米制造技术和表面工程技术的发展，微纳米构件和涂层薄膜质量的检测技术和评价方法已成为相关技术发展中的关键问题。构件和薄膜的力学性能是微机电系统设计、制造中的重要参数，对微机电系统的使用性能、可靠性、服役寿命等均会产生显著的影响。在材料各个方面的性能中，硬度是评价材料力学性能的一种简单、高效的手段，已有近百年的历史，硬度测量与材料的弹性模量、屈服强度、抗拉强度等力学性能都有关系，它的检测与评价方法正确与否，直接关系到能否对微纳米构件和涂层薄膜质量进行正确评价，能否指导微纳米构件和薄膜的设计、加工、工艺、制造等，必将影响微机电系统、表面工程技术、超精密技工技术等的发展。

而目前硬度的测试与评价方法比较混乱，有很多不足，根据不同的测试与评价方法，同一材料有很多种不同的硬度值，而且同一材料其宏观硬度与微观硬度也不相同。首先，对于布氏硬度、维氏硬度、显微硬度、努氏硬度等，由于其采用的压头形状不同，测量得到的压痕面积也不相同，所以其计算得到的硬度值也不相同；而且，在微纳米尺度下，无法精确测量压痕直径、压痕对角线或压痕边长，所以其计算得到的压痕面积存在误差；另外，对于纯弹性变形行为，载荷是存在的，而没有压痕面积，采用载荷除以压痕面积的方法会导致无穷大。在微纳米尺度下，最常用的硬度计测方法是Oliver-Pharr方法，它也是商业用纳米硬度计上所设定的方法，它采用载荷—压深曲线中的卸载曲线来计算得到压头与试件之间的接触面积，从而用载荷除以接触面积得到材料硬度，此方法的好处在于：不用去寻找压痕，而且对于纯弹性变形行为，它也可以得到压头与试件之间的接触面积，从而得到材料硬度值。但是，Oliver-Pharr方法没有考虑压痕中材料凸起对接触面积的影响，所以往往高估材料硬度；另外，它的硬度计算中加入了材料弹性变形部分，也就是：Oliver-Pharr方法认为材料硬度是材料抵抗弹、塑性变形的能力，而传统的硬度定义是表征材料表面抵抗外物压入时所引起局部塑性变形的能力，所以它与传统的硬度定义不一样，无法建立起与传统硬度之间的关系，会引起对材料硬度评价的混乱，无法给出材料的真正硬度。

基于此，本发明采用塑性功除以塑性变形体积表示材料硬度，其定义与传统硬度一样，都为表征材料抵抗塑性变形的能力；而且对于不同的压头，其得到的硬度值一致；另外，无论是在微观还是宏观情况下，其得到的硬度值也一致；最后，在纯弹性变形的情况下，其载荷—压深曲线中加载曲线和卸载曲线是重合的，其塑性功为零，相当于没有做功，而不会象其它传统硬度计算方法一样，得到的结果是无穷大。

综上所述，用塑性功与塑性变形体积的比值表示材料硬度的方法可以正确评价材料硬度，对相关技术领域的发展具有非常重要的意义。

发明内容

本发明的目的是提供一种能准确评价材料硬度的计算和测量方法以及实现该方法的系统。

本发明提出一种材料硬度测试方法，包括以下步骤：

预处理试件表面并固定试件；

将压头压入试件表面；

记录和得到压痕过程的载荷—压深曲线，由此曲线得到引起材料塑性变形的塑性功；

扫描得到试件压痕前后的表面形貌，得到由压头对材料所做塑性功引起的材料塑性变形体积；

用塑性功和塑性变形体积的比值作为材料的硬度。

本发明还提出一种完成上述方法的材料硬度测试系统，包括一个压头、一个Z向运动工作台、一个XY向运动工作台、一个力传感器、三个位移传感器和一个检测监控装置，其特征在于，所述压头实现对试件压痕制备和表面形貌扫描头，所述Z向运动工作台带动压头压入试件并离开试件，所述XY向运动工作台带动试件在XY向运动，以配合压头和Z向运动工作台实现对试件表面的扫描，所述力传感器记录压痕过程中载荷和扫描形貌过程中压头与试件之间的作用力，所述三个位移传感器分别记录Z向和XY向工作台运动位移，所述检测监控装置控制工作台的运动并且采集传感器数据。

采用本发明的技术方案，利用塑性功与塑性变形体积比值作为材料硬度，解决了材料宏观与微观硬度、不同压头测试硬度不一致，造成材料硬度评价混乱的问题。

采用本发明的技术方法，可以得到压头压入材料时的载荷—压深曲线，可以得到相同位置材料表面压痕前后的形貌，可以得到材料力学响应的全面信息，达到准确评价材料硬度的目的。

附图说明

图1典型的压头压入和离开材料的载荷—压深曲线。