专利名称：一种材料硬度测试方法及系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及材料硬度测试方法及系统。
背景技术：
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，己有近百年的历史，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01iver-Pharr方法，它也是商业用纳米硬度计 上所设定的方法，它采用载荷一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 荷一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一压深曲线，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ffi入材料时的载荷一压深曲线，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。
图1典型的压头压入和离开材料的载荷一压深曲线。
图2材料表面初始的表面形貌。
图3材料被压头压入后留下的压痕形貌。图4本发明的材料硬度计测系统构成示意图。 具体实施例
本发明首先从传统硬度定义"硬度为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"出发，建立了引起材料塑性变形的塑性功与材料塑性变形体积之间的关系。通过记 录压痕过程的载荷一压深曲线，^^由此曲线计算得到塑性功；通过扫描材料表面压痕前后的 形貌，并由此形貌计算得到塑性变形体积，是这项技术实现的前提。本发明提供了记录载荷 一压深曲线装置和扫描材料表面形貌装置。试验基本步骤包括将材料放在工作台上，控制工 作台的运动，检测传感器的信号，扫描材料表面的初始形貌；再将压头逐渐压入和离开材料， 实时记录载荷一压深曲线；之后再扫描压痕形貌，并由这些信息计算得到材料的硬度。本发 明所述的材料硬度评价技术有很广的应用领域，可用于不同压头，不同压痕深度、不同块状 材料或薄膜材料等对其硬度的评价需求。
本发明提供一种材料硬度计测方法，是控制压头在被测试件上制备一个压痕，在此过程 中记录下载荷一压深曲线，并扫描得到试件表面压痕前后形貌，用塑性功与塑性变形体积的 比值评价材料硬度。
本发明实施的具体步骤有1)对材料表面进行预处理，使其表面尽可能平整，没有杂质； 2)安装试件在XY工作台上；3)控制工作台和压头，扫描试件表面初始形貌；4)控制工作 台和压头，使压头逐渐压入试件，并实时记录载荷一压深曲线，即加载曲线；5)在压头到达 设定压痕深度后，保持一定时间，之后逐渐使压头与试件分离，并实时记录载荷一压深曲线， 即卸载曲线；6)控制工作台和压头，扫描试件表面压痕形貌；7)根据载荷一压深曲线计算塑 性功，根据试件表面压痕前后形貌，计算塑性变形体积，并用塑性功与塑性变形体积的比值 表示材料硬度。
本发明在测量得到载荷一压深曲线，以及压痕前后的表面形貌后就可以下面过程计算得 到材料硬度。
对图1中加载曲线进行拟合积分可得到压痕过程中，压头对试件所做的总功^，即图l 中灰色部分；对卸载曲线进行拟合积分就可得到压痕过程中，压头引起试件弹性变形的弹性 功『e,即图1中浅灰色部分。用式(l)可计算得到压痕过程中，压头引起试件塑性变形的塑性 功『p，即图1中深灰色部分。
『p, - ffe (1)
通过对图2表面形貌进行计算，可以得到由于材料表面粗糙度引起的材料表面初始体积 F0;通过对图3表面形貌进行计算，可以得到压痕后材料表面总的变形体积F,。用式(2)可以计算得到由压头对材料做功所引起的塑性变形体积^。
&^_r0 (2)
再由式(3)计算出材料硬度。
『n
= 2 (3)
为实施对材料硬度的测试，本发明还提供一套材料硬度的计测系统。 参见图4所示，该系统一个压头2、 一个Z向运动工作台1、 一个XY向运动工作台4、 一个力传感器、三个位移传感器和一个检测监控装置。
压头2安装在Z向运动工作台上1，具有可换压头装置；在Z向运动工作台上1安装有 一个力传感器和一个位移传感器；试件3安装和固定在XY向运动工作台4上，另外在XY 向运动工作台4上安装有两个位移传感器；三个工作台由基座5、支架6连接在一起，手动 粗调Z向位移机构7用来进行粗调压头与试件之间的位置；整个系统由检测监控装置(计算机 和接口部件，图中未画出)来控制。
通过以上说明可以归纳本发明具有如下特征
①利用本发明对材料硬度进行检测，材料制备简单，对材料尺寸、形状、压头形状等没 有特殊要求。
.②记录压头压入和离开材料时的载荷一压深曲线，并对此曲线进行拟合积分，可以精确 计算出压头对材料所做的总功、弹性功和塑性功。 ③扫描得到材料表面压痕前后的形貌，可以计算得到材料在压头作用下实际的塑性变形 体积。
由塑性功和塑性变形体积之间的比值表示材料硬度，能建立其材料宏观硬度与微观硬 度之间的联系。
⑤此种材料硬度计测方法得到的材料硬度是一致的，可以解决目前对材料硬度评价混乱 的局面。
以本发明的技术思路，除了可以测得材料的硬度，还可以对材料的其它力学性能进行评价。
权利要求
1、一种材料硬度测试方法，其特征在于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。
2、 如权利要求1所述材料硬度测试方法，其特征在于塑性功从载荷一压深曲线中获 得，为压头对试件所做的总功与压头引起试件弹性变形的弹性功之差。
3、 如权利要求1所述材料硬度测试方法，其特征在于塑性变形体积由试件压痕前后 的表面形貌获得，为压痕后材料表面总的变形体积与由于材料表面粗糙度引起的材料表面初 始体积之差。
4、如权利要求1所述测试方法，其特征在于所述压头是四棱锥压头、三棱锥压头、球 形压头或平头压头。
5、 一种完成如权利要求1所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。
6、 根据权利要求5所述的系统，其特征在于压头同时完成压入试件和扫描试件表面形 貌的功能，以实现压痕前后所扫描得到的试件表面形貌位置为试件表面上的同一位置。
7、 根据权利要求5所述的系统，其特征在于系统上有更换压头的装置。
8、 根据权利要求5所述系统，其特征在于所述XY向运动工作台上有安装和固定试件 的装置，以保证压头压入试件或XY向运动工作台时不会引起试件晃动。
9、 根据权利要求5所述系统，其特征在于所述检测监控装置控制包括一台计算机、控 制工作台运动的接口器件，采集传感器信号的接口器件。
全文摘要
本发明提供了一种能准确评价材料硬度的方法和系统。该方法通过记录压头压入试件时的载荷—压深曲线，再对此曲线进行拟合积分，可计算出压痕过程中压头对试件所做的总功、弹性功和塑性功；通过扫描试件表面被压入前和压入后的形貌，可计算出试件的初始体积和压入后总的变形体积，将总的变形体积减去初始体积可得到材料塑性变形体积；将塑性功与塑性变形体积的比值作为材料的硬度。该系统主要包括一个压头、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。此系统可记录和完成对试件压痕的制备、试件表面形貌的扫描；可得到压痕过程的载荷—压深曲线，以及试件压痕前后的形貌。本发明用塑性功和塑性变形体积的比值表示材料的硬度，解决了目前材料的宏观硬度与微观硬度不一致、不同压头形状测得的硬度不一致，造成材料硬度评价混乱的局面，具有非常重要的应用价值，可给出一致的材料硬度。
文档编号G01N3/40GK101413859SQ200810182900
公开日2009年4月22日 申请日期2008年12月12日 优先权日2008年12月12日
发明者琦 刘, 刘亚龙, 亮 周, 姚英学 申请人:哈尔滨工业大学