一種基于強(qiáng)度因子的金剛石玻式壓頭設(shè)計(jì)方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種基于強(qiáng)度因子的金剛石玻式壓頭晶面晶向設(shè)計(jì)方法，應(yīng)用于材料 表面微納米尺度力學(xué)特性的檢測(cè)，屬于納米硬度測(cè)量技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002] 近三十年來(lái)，納米硬度測(cè)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 測(cè)。納米硬度測(cè)量技術(shù)指的是通過(guò)使用高精度的金剛石壓頭壓入或刻劃材料表面從而檢測(cè) 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(jìn) 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(cè)試的理想方式。按這種方法設(shè)計(jì) 的納米壓痕儀通過(guò)實(shí)時(shí)連續(xù)地記錄壓頭在樣品表面的加載和卸載過(guò)程，能夠得到試驗(yàn)過(guò)程 中施加在壓頭上的載荷與壓頭壓入材料深度的關(guān)系，這是傳統(tǒng)宏觀或顯微硬度檢測(cè)方法所 不能達(dá)到的。
[0003] 對(duì)于納米硬度測(cè)量技術(shù)來(lái)說(shuō)，要獲得納米尺度的壓痕或劃痕，除了高精度的測(cè)試 儀器、良好的測(cè)試環(huán)境以及符合要求的樣品表面以外，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(yàn)所使用的壓頭，與其它壓頭相比，它可以加工得 非常尖銳，并且即使在很小的深度范圍內(nèi)，這種壓頭的形貌與理想壓頭的偏差也較小，非常 適合壓入深度不大的壓痕試驗(yàn)。由于目前壓頭研磨水平的限制，即便是高精度玻氏壓頭的 尖端也具有一定的鈍化，習(xí)慣上將尖端鈍化區(qū)域看做球面。在相同的深度下，非理想壓頭的 橫截面面積大于理想壓頭的橫截面面積，而這將造成很多負(fù)面影響。例如用尖端較鈍的壓 頭對(duì)極薄的膜進(jìn)行壓痕試驗(yàn)時(shí)，由于所需完全塑性變形的深度較大，而薄膜較薄，因此不能 準(zhǔn)確測(cè)得薄膜的相關(guān)力學(xué)特性；反之，若壓頭尖端鈍圓半徑很小，則獲得可靠硬度測(cè)量結(jié)果 的壓痕或劃痕深度越小，其能檢測(cè)的材料厚度也越薄?？傊?，金剛石壓頭的設(shè)計(jì)和加工質(zhì)量 對(duì)材料力學(xué)性能測(cè)試結(jié)果具有很大的影響。
[0004] 由于單晶金剛石晶體有強(qiáng)烈的各向異性，不同晶面晶向的性質(zhì)都有巨大的差別。 因此如何安排金剛石壓頭各個(gè)側(cè)面的晶面，是設(shè)計(jì)壓頭時(shí)應(yīng)該重點(diǎn)考慮的一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題。 日本學(xué)者H. Sumiya等人設(shè)計(jì)研制的人造 IIa型單晶金剛石努氏壓頭軸線與金剛石（100) 晶面相垂直，且壓頭四條棱在（100)晶面的投影為〈11〇>晶向。其設(shè)計(jì)方法是選擇努氏硬 度最高的晶面晶向作為壓頭的棱邊方向。對(duì)于人造 IIa型單晶金剛石來(lái)說(shuō)，其（100)晶面 〈11〇>晶向的努氏硬度最高，因此選擇該晶向作為壓頭的棱邊方向。若按照這種設(shè)計(jì)方法來(lái) 設(shè)計(jì)天然Ia型單晶金剛石努氏壓頭，則壓頭軸線同樣與金剛石（100)晶面垂直，壓頭的棱 邊在（100)晶面的投影需盡量與（100)晶面的〈1〇〇>晶向平行，因?yàn)樘烊籌a型單晶金剛石 (100)晶面〈1〇〇>晶向的努氏硬度最高。
[0005] 美國(guó)Hysitron公司生產(chǎn)的金剛石玻氏壓頭設(shè)計(jì)方案與上述方法類(lèi)似，壓頭一條 棱邊與（100)晶面〈11〇>晶向平行，另兩條棱邊與（100)晶面〈1〇〇>晶向較為接近。美國(guó) MST公司制造的高精度金剛石玻氏壓頭，其軸線同樣與（100)晶面垂直，但不同的是其中一 條棱邊在（100)晶面上的投影方向?yàn)椤?〇〇>晶向，而另兩條棱邊與（100)晶面〈11〇>晶向 更接近。此外，烏克蘭學(xué)者0. Lysenko還給出了另一種壓頭設(shè)計(jì)方案，與前兩種不同的是其 壓頭軸線與〈111>晶向平行。上述三種玻氏壓頭晶面設(shè)計(jì)方案都沒(méi)能夠給出令人信服的設(shè) 計(jì)理由。
[0006] 綜上所述，面對(duì)國(guó)外的技術(shù)封鎖，我們必須自行設(shè)計(jì)和制造金剛石玻式壓頭，將具 有很重要的實(shí)際意義和科研價(jià)值。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007] 本發(fā)明的目的是為了提高納米硬度測(cè)試用金剛石玻氏壓頭的幾何精度，提供了一 種基于強(qiáng)度因子的金剛石玻式壓頭設(shè)計(jì)方法。該方法設(shè)計(jì)了三種金剛石玻式壓頭，分析了 壓頭各個(gè)面、棱和尖端的動(dòng)態(tài)微觀抗拉強(qiáng)度，提出了研磨強(qiáng)度因子和抗磨損強(qiáng)度因子概念， 以此預(yù)測(cè)不同方案壓頭能研磨得到的鈍圓半徑值的差異以及在使用過(guò)程中抵抗磨損的能 力。本發(fā)明對(duì)于打破國(guó)外技術(shù)壟斷，提高材料微納米尺度力學(xué)特性的測(cè)量精度，促進(jìn)國(guó)內(nèi)高 精度金剛石玻式壓頭的制造技術(shù)發(fā)展具有重要意義。
[0008] 本發(fā)明的目的是通過(guò)以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的：
[0009] -種基于強(qiáng)度因子的金剛石玻式壓頭設(shè)計(jì)方法，包括以下步驟：
[0010] -、基于金剛石晶體動(dòng)態(tài)微觀抗拉強(qiáng)度理論和晶面特性的疊加原理，假設(shè)金剛石 玻式壓頭的三個(gè)側(cè)面動(dòng)態(tài)微觀抗拉強(qiáng)度是{100}、{110}、{111}三種典型晶面族特性的加 權(quán)疊加，在此基礎(chǔ)上推導(dǎo)出金剛石晶體任意晶面晶向的動(dòng)態(tài)微觀強(qiáng)度；
[0011] 二、設(shè)計(jì)具有不同晶面組合的金剛石玻式壓頭，根據(jù)金剛石玻氏壓頭加工制造和 使用過(guò)程的方向性特點(diǎn)計(jì)算出側(cè)面的動(dòng)態(tài)微觀抗拉強(qiáng)度；
[0012] 三、基于各側(cè)面計(jì)算所得的動(dòng)態(tài)微觀抗拉強(qiáng)度，提出研磨強(qiáng)度因子和抗磨損強(qiáng)度 因子的計(jì)算評(píng)價(jià)方法，根據(jù)比較計(jì)算所得的金剛石玻氏壓頭棱邊和尖端的研磨強(qiáng)度因子、 抗磨損強(qiáng)度因子，實(shí)現(xiàn)定性評(píng)價(jià)壓頭棱邊與尖端的研磨所得鈍圓半徑差異及其在使用過(guò)程 中的抗磨損性能，即研磨強(qiáng)度因子越大，壓頭研磨加工所得鈍圓半徑越小，抗磨損強(qiáng)度因子 越大，壓頭在使用過(guò)程中磨損程度越小，且磨損后的鈍圓半徑越接近研磨加工所得鈍圓半 徑。
[0013] 本發(fā)明的有益效果是：
[0014] 1、本發(fā)明提出了一種金剛石玻式壓頭三個(gè)側(cè)面的晶面晶向設(shè)計(jì)方法，基于金剛石 動(dòng)態(tài)微觀抗拉強(qiáng)度理論，建立研磨強(qiáng)度因子和抗磨損強(qiáng)度因子的評(píng)價(jià)計(jì)算方法，評(píng)價(jià)和預(yù) 測(cè)壓頭的尖端與棱邊鈍圓半徑研磨精度以及壓頭的抗磨損性能，為金剛石玻式壓頭的設(shè)計(jì) 提供了科學(xué)的理論依據(jù)。
[0015] 2、本發(fā)明設(shè)計(jì)的金剛石玻式壓頭便于找到各個(gè)側(cè)面的易磨方向，極大地提高了機(jī) 械研磨過(guò)程中的加工效率，且研磨所得壓頭的尖端和棱邊鈍圓半徑較小，納米硬度測(cè)量精 度高，抗磨損性能良好，壓頭使用壽命高。
[0016] 3、本發(fā)明從理論上研究壓頭側(cè)面的晶面組合對(duì)壓頭尖端鈍圓半徑、棱邊鈍圓半徑 研磨質(zhì)量以及壓頭抗磨損性能的影響，得出合理地安排金剛石壓頭各個(gè)側(cè)面的晶面對(duì)于提 高研磨所得壓頭的尖端與棱邊的鋒利程度以及提高壓頭使用壽命具有重要意義。
[0017] 4、本發(fā)明基于單晶金剛石晶體任意晶面晶向的動(dòng)態(tài)微觀抗拉強(qiáng)度，設(shè)計(jì)了三種金 剛石玻式壓頭，為打破國(guó)外的技術(shù)壁皇、促進(jìn)我國(guó)納米硬度測(cè)量技術(shù)的發(fā)展，邁出了探究性 的一步。
[0018] 5、經(jīng)過(guò)掃描電子顯微鏡（SEM)和原子力顯微鏡（AFM)檢測(cè)，依據(jù)本發(fā)明優(yōu)化設(shè)計(jì) 的金剛石玻式壓頭，棱邊和尖端鈍圓半徑可達(dá)到30nm以下，優(yōu)于國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)ISO 14577的技 術(shù)指標(biāo)要求。
【附圖說(shuō)明】
[0019] 圖1是{100}晶面族對(duì)任意晶面P的特性疊加影響原理圖；
[0020] 圖2是{110}晶面族對(duì)任意晶面P的特性疊加影響原理圖；
[0021] 圖3是{111}晶面族對(duì)任意晶面P的特性疊加影響原理圖；
[0022] 圖4是方案I壓頭晶面設(shè)計(jì)示意圖；
[0023] 圖5是方案I壓頭各側(cè)面動(dòng)態(tài)微觀抗拉強(qiáng)度；
[0024] 圖6是方案II壓頭晶面設(shè)計(jì)示意圖；
[0025] 圖7是方案II壓頭各側(cè)面動(dòng)態(tài)微觀抗拉強(qiáng)度；
[0026] 圖8是方案III壓頭晶面設(shè)計(jì)不意圖；
[0027] 圖9是方案III壓頭各側(cè)面動(dòng)態(tài)微觀抗拉強(qiáng)度；
[0028] 圖10是三種方案金剛石玻氏壓頭尖端強(qiáng)度因子對(duì)比，包括研磨過(guò)程和使用過(guò)程 的尖端強(qiáng)度因子計(jì)算結(jié)果；
[0029] 圖11是三種方案金剛石玻氏壓頭三條棱邊研磨強(qiáng)度因子對(duì)比；
[0030] 圖12是三種方案金剛石玻氏壓頭三條棱邊抗磨損強(qiáng)度因子對(duì)比；
[0031] 圖13是方案I的金剛石玻氏壓頭尖端AFM微觀形貌（2X2 μm2);
[0032] 圖14是方案II的金剛石玻氏壓