微纳米压痕接触区域变形的测试方法及装置

本发明涉及材料微观力学性能测试，特别涉及压痕测试过程中压头与试件直接接触区域变形表征试验，具体涉及一种微纳米压痕接触区域变形的测试方法及装置，用于对。

背景技术：

1、微纳米压痕测试技术基于实时采集压头压入样品的载荷和深度，进而从载荷-压深曲线中获取材料的硬度、弹性模量等参数，结合压痕区域材料变形情况，研究材料在载荷作用下的性能及微观组织演化规律，以其测试参数高分辨率、试样制备简单方便，测试参数种类丰富等特点，逐渐成为测试材料微观力学性能的主流手段之一。

2、但是，在微纳米压痕测试过程中压头与试件间的接触区域为微米尺度，为获取测试过程中材料的变形行为，现有使用扫描电子显微镜对测试区域进行观测，其仅能以与压头成一定角度对压头与试件接触区域的外围进行观测，材料变形行为并且不能实时观测，并且不能构建材料在压头下方的变形过程，针对压痕接触区域的材料变形无能为力。

3、因此亟需一种能够实时反映微纳米压痕接触区域的变形过程应变分布的方法，将大幅提升对压头作用下材料变形行为的理解，并可针对不同材料在压载荷作用下的不同行为进行直接表征，增加微纳米压痕测试的信息获取维度，对微纳米压痕测试技术的进一步发展具有重大意义。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种微纳米压痕接触区域变形的测试方法，测试过程中同步获取压痕测试过中材料的变形信息，并对接触区域的应变分布图进行绘制，进而针对微纳米压痕接触区域的变形进行测试与表征。

2、本发明的目的通过以下技术方案实现：

3、一种微纳米压痕接触区域变形的测试方法，包括如下步骤：

4、步骤一、将待测试件表面进行涂覆纳米散斑；

5、步骤二、将已涂覆纳米散斑的待测试件固定在驱动式压痕测试仪的载物台上，并使待测试件位于透光压头正下方；

6、步骤三、调整光学显微镜使物镜可观测到透光压头的下方尖端，此时透光压头的初始位置；

7、步骤四、移开透光压头，调整待测试件在竖直方向上的位置，使物镜可观测到待测试样的表面，调整待测试件在水平方向上的位置，设定压痕区域为物镜视场内的区域为压痕区域，拍摄压痕区域内的原始散斑图像n0，将透光压头移回至初始位置；

8、步骤五、设置 m个时长为 t的短时间保载段在压痕测试过程，开始测试后在每个短时间保载段内利用光学显微镜对透光压头下方尖端与待测试件接触区域进行逐层扫描，生成并获取接触区域的纳米散斑平面图像n1至n m，其中，第 i个散斑图片为n i；

9、步骤六、获取接触区域的纳米散斑平面图像n1至n m与原始散斑图像n0相比的变形分布图，该分布图共有 m个；

10、步骤七、将变形分布图通过透光压头的面积函数后处理，得到符合压痕实际情况的三维变形分布图。

11、作为本发明更优的技术方案：所述的透光压头的面积函数利用原子力显微镜测得并进行拟合，拟合结果的表达形式为 a( hc) = c0 hc2+ c1 hc+ c2 hc1/2+ c3 hc1/4+ ··· + c8 hc1/128，其含义为在透光压头竖直放置的情况下，距离压头尖端 hc位置处的截面积为 a( hc)。

12、作为本发明更优的技术方案：所述的步骤四中以透光压头下方尖端为初始点，将光学显微镜光路聚焦在该点位置，并逐步改变焦距，逐层向上进行采集，直至采集至透光压头与待测试件分离位置，将逐级采集的图像进行拼接即可得到不被光学显微镜景深影响的接触区域的纳米散斑平面图像n1至n m。

13、本发明还有一个目的是提供一种微纳米压痕接触区域变形的测试装置，包括：可在水平面内移动的透光压头2、光学显微镜、待测试件3、三维空间内移动的载物台4、纳米散斑平面图像获取模块、数字散斑处理处理模块和三维变形分布图获取模块；所述的透光压头2放置于光学显微镜的物镜1下方，涂覆有纳米散斑待测试件3固定于载物台4的上方，在透光压头2与待测试件3进行压痕过程中，光学显微镜的物镜1自上方穿过透明的透光压头2对每个短时间保载段内利用光学显微镜对透光压头下方尖端与待测试件接触区域进行逐层扫描，所述的纳米散斑平面图像获取模块用于生成并获取接触区域的纳米散斑平面图像n1至n m， 所述的数字散斑处理处理模块用于对获取的接触区域的纳米散斑平面图像n1至n m与原始散斑图像n0相比的变形分布图，该分布图共有 m个；所述的三维变形分布图获取模块用于将变形分布图通过透光压头的面积函数后处理。

14、有益效果如下：

15、本发明提供测试方法实现在压痕测试过程中直接对材料在压头作用下的变形行为进行测试与表征，将试件表面涂覆纳米散斑后压头和散斑直接接触，可直接对微纳米压痕测试中压头与试件的接触区域进行观测，并同步获取压痕测试过中材料的变形信息，可在压痕测试过程中对接触区域的应变分布图进行绘制，进一步针对微纳米压痕接触区域的变形进行测试与表征，为微纳米压痕测试的材料变形信息获取提供技术方法，拓展压痕测试技术表征范围，实用性强。

技术特征：

1.一种微纳米压痕接触区域变形的测试方法，其特征在于，包括如下步骤：

2.如权利要求1所述的一种微纳米压痕接触区域变形的测试方法，其特征在于：所述的透光压头的面积函数利用原子力显微镜测得并进行拟合，拟合结果的表达形式为a(hc)＝c0hc2+c1hc+c2hc1/2+c3hc1/4+···+c8hc1/128，其含义为在透光压头竖直放置的情况下，距离压头尖端hc位置处的截面积为a(hc)。

3.如权利要求1所述的一种微纳米压痕接触区域变形的测试方法，其特征在于：所述的步骤四中以透光压头下方尖端为初始点，将光学显微镜光路聚焦在该点位置，并逐步改变焦距，逐层向上进行采集，直至采集至透光压头与待测试件分离位置，将逐级采集的图像进行拼接即可得到不被光学显微镜景深影响的接触区域的纳米散斑平面图像n1至nm。

4.一种微纳米压痕接触区域变形的测试装置，其特征在于：包括可在水平面内移动的透光压头2、光学显微镜、待测试件3、三维空间内移动的载物台4、纳米散斑平面图像获取模块、数字散斑处理处理模块和三维变形分布图获取模块；所述的透光压头2放置于光学显微镜的物镜1下方，涂覆有纳米散斑待测试件3固定于载物台4的上方，在透光压头2与待测试件3进行压痕过程中，光学显微镜的物镜1自上方穿过透明的透光压头2对每个短时间保载段内利用光学显微镜对透光压头下方尖端与待测试件接触区域进行逐层扫描，所述的纳米散斑平面图像获取模块用于生成并获取接触区域的纳米散斑平面图像n1至nm，所述的数字散斑处理处理模块用于对获取的接触区域的纳米散斑平面图像n1至nm与原始散斑图像n0相比的变形分布图，该分布图共有m个；所述的三维变形分布图获取模块用于将变形分布图通过透光压头的面积函数后处理。

技术总结
本发明涉及一种微纳米压痕接触区域变形的测试方法及装置，属于材料微观力学性能测试技术领域，其待测试样表面涂覆有散斑，并利用透明压头对与散斑直接接触，通过光学显微镜对压头与试样间的纳米散斑进行观测，获取微纳米压痕测试过程中接触区域的三维变形行为信息，可对现有微纳米压痕测试中的裂纹、挤出、滑移带生成等现象进行原位表征，并构建压头下方材料变形行为的三维过程模型，该方法可操作性强，解决现有原位观测手段无法对块体试样压痕测试过程中直接表征接触区域变形的难题，提升对各类材料微纳米接触力学行为的理解。

技术研发人员：王顺博,赵宏伟,李先柯,刘耀祖
受保护的技术使用者：吉林大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/13