一種用來獲得無殘余應力薄膜的薄膜支架的制作方法
【專利說明】一種用來獲得無殘余應力薄膜的薄膜支架
[0001]
技術領域
[0002]本發(fā)明涉及機械模具技術領域，具體的涉及一種用來獲得無殘余應力薄膜的薄膜支架。
【背景技術】
[0003]殘留應力(Residual Stress)構件在制造過程中，將受到來自各種工藝等因素的作用與影響；當這些因素消失之后，若構件所受到的上述作用與影響不能隨之而完全消失，仍有部分作用與影響殘留在構件內(nèi)，則這種殘留的作用與影響。也稱殘余應力。殘余應力是當物體沒有外部因素作用時，在物體內(nèi)部保持平衡而存在的應力。凡是沒有外部作用，物體內(nèi)部保持自相平衡的應力，稱為物體的固有應力，或稱為初應力，亦稱為內(nèi)應力。
[0004]對于殘余應力測試的儀器有殘余應力分析儀，其原理是基于布拉格方程2dsin θ =ηλ:即一定波長的X射線照射到晶體材料上，相鄰兩個原子面衍射時的X射線光程差正好是波長的整數(shù)倍。通過測量衍射角變化△ Θ從而得到晶格間距變化△(!，根據(jù)胡克定律和彈性力學原理，計算出材料的殘余應力。一般在實際操作時采用盲孔法殘余應力測量、磁測法殘余應力測量和X射線衍射殘余應力測量。
[0005]薄膜殘余應力產(chǎn)生的原因分類有:(I)熱應力，鑄件各部分的薄厚是不一樣的，如機床床身導軌部分很厚，側(cè)壁筋板部分較薄；鑄后，薄壁部分冷卻速度快收縮大，而厚壁部分，冷卻速度慢，收縮的小。薄壁部分的收縮受到厚壁部分的阻礙，所以薄壁部分受拉力，厚壁部分受壓力。因縱向收縮差大，因而產(chǎn)生的拉壓也大。這時鑄件的溫度高，薄厚壁都處于塑性狀態(tài)，其壓應力使厚壁部分變粗，拉應力使薄壁部分變薄，拉壓應力，隨塑性變形而消失。鑄件逐漸冷卻，當薄壁部分進入彈性狀態(tài)而厚壁部分仍處于塑性時，壓應力使厚壁部分產(chǎn)生塑性變形，繼續(xù)變粗，而薄壁部分只是彈性拉長，這時拉壓應力隨厚壁部分變粗而消失。鑄件仍繼續(xù)冷卻，當薄厚壁部分進入彈性區(qū)時，由于厚壁部分溫度高，收縮量大。但薄壁部分阻止厚壁部分收縮，故薄壁受壓應力，厚壁受拉應力。應力方向發(fā)生了變化。這種作用一直持續(xù)到室溫，結果在常溫下厚壁部分受拉應力，薄壁部分受壓應力。這個應力是由于各部分薄厚不同。冷卻速度不同，塑性變形不均勻而產(chǎn)生的，叫熱應力。
[0006](2)相變應力
常用的鑄鐵含碳量在2.8-3.5%，屬于亞共晶鑄鐵，在結晶過程中:厚壁部分在1153°C共晶結晶時，析出共晶石墨，產(chǎn)生體積膨脹，薄壁部分阻礙其膨脹，厚壁部分受壓應力，薄壁部分受拉應力。厚壁部分因溫度高，降溫速度快，收縮快，所以厚壁逐漸變?yōu)槭芾瓚Α６”谂c其相反。在共析(738°C)前的收縮中，薄厚壁均處于塑性狀態(tài)，應力雖然不斷產(chǎn)生，但又不斷被塑性變形所松弛，應力并不大。當降到738°C時，鑄鐵發(fā)生共析轉(zhuǎn)變，由面心立方，變?yōu)轶w心立方結構(既γ-Fe變?yōu)閍-Fe)，比容由0.124cm3/g增大到0.127cm3/g。同時有共析石墨析出，使厚壁部分伸入，產(chǎn)生壓應力。上述的兩種應力，是在1153°C和738°C兩次相變而產(chǎn)生的，叫相變應力。相變應力與冷卻過程中產(chǎn)生的熱應力方向相反，相變應力被熱應力抵消。在共析轉(zhuǎn)變以后，不再產(chǎn)生相變些力，因此鑄件由與薄厚冷卻速度不同所形成的熱應力起主要作用。
[0007](3)收縮應力(亦叫機械阻礙應力)
鑄件在固態(tài)收縮時，因受到鑄型型芯澆冒口等的阻礙作用而產(chǎn)生的應力叫收縮應力。由于各部分由塑性到彈性狀態(tài)轉(zhuǎn)變有先有后，型芯等對收縮的阻力將在鑄件內(nèi)造成不均勻的的塑性變形，產(chǎn)生殘余應力。收縮應力一般不大，多在打箱后消失。
[0008]納米壓痕試驗方法是在傳統(tǒng)的布氏和維氏硬度實驗方法的基礎上發(fā)展起來的新興的力學性能試驗方法，它通過連續(xù)控制和記錄加卸載時的載荷和位移數(shù)據(jù)，以得到材料壓痕硬度、楊氏模量、壓痕蠕變、壓痕松弛和斷裂韌性等力學性能指標。這是一種先進的微尺度的力學測量技術。它是通過測量作用在壓針上的載荷和壓入樣品表面的深度來獲得材料的載荷-位移曲線。其壓入深度一般控制在微/納米尺度，因此要求測試儀器的位移傳感器具有優(yōu)于Inm的分辨率，所以稱之為納米壓痕儀。
[0009]目前，基于納米壓痕測試法的模型有Suresh理論模型、Yun-Hee模型、Swadener理論以及Xu模型等，其中Suresh理論模型最為常用。但是Suresh理論模型中的無應力試樣很難獲得，該技術意在獲得無殘余應力的薄膜試樣，以便計算薄膜的殘余應力。
[0010]Suresh模型的不足之處在于計算模型中要求無殘余應力的參考試樣，但無殘余應力的試樣很難得到。一些科研人員利用線切割的方法，將涂層從基底上切除下來，獲得無應力試樣，還有一些人將制備好的涂層進行退火處理，獲得無應力試樣。但這兩種方法都有一定的缺陷，首先線切割方法不能將涂層與基底完整剝離，而且機加工過程的擠壓、摩擦，產(chǎn)熱等會使涂層產(chǎn)生新的殘余應力；退火也不能完全去除其內(nèi)部的應力，特別是界面應力。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0011]為了解決獲得無殘余應力薄膜用于納米壓痕法，本發(fā)明旨在提供一種用來獲得無殘余應力薄膜的薄膜支架。
[0012]為了實現(xiàn)本發(fā)明的目的，其是通過以下技術方案加以實現(xiàn):
一種可用來獲得無殘余應力薄膜的薄膜支架包括底架和固定架兩部分；
所述底架為矩形臺，其中間開有凹槽，所述凹槽底部開有第一通孔；
所述固定架與所述底架上的凹槽相匹配，固定架上開有第二通孔，所述第一通孔與第二通孔都為同心圓結構。
[0013]優(yōu)選地，所述凹槽為矩形凹槽。
[0014]優(yōu)選地，所述凹槽為正方形凹槽。
[0015]優(yōu)選的，所述第一通孔和/或第二通孔為圓形通孔。
[0016]優(yōu)選地，所述第一通孔和第二通孔大小相同。
[0017]本發(fā)明的有益效果如下:
本發(fā)明提供的薄膜支架結構簡單、操作方便，能夠輕松方便地獲得無殘余應力的薄膜試樣；同時制備上述薄膜支架成本低、易實現(xiàn)。
【附圖說明】
[0018]圖1底架不意圖；
圖2固定架不意圖；
附圖標記1-底架、2-固定架、10-矩形臺、11-凹槽、13-第一通孔、21-第二通孔。
【具體實施方式】
[0019]下面結合說明書附圖及其【具體實施方式】詳細介紹本發(fā)明的技術方案。但本發(fā)明的保護范圍并不局限于以下實例，應包含權利要求書中的全部內(nèi)容。
[0020]實施例1薄膜支架結構
如說明書附圖1和2所示，本實施例中提供的薄膜支架包括底架⑴和固定架(2)兩部分；所述底架(I)為矩形臺(10)，其中間開有凹槽(11)，所述凹槽(11)底部開有第一通孔(13);本實施例中選用的正方形臺底架是為了方便操作，本領域技術人員在此基礎上改進的如棱形臺、圓臺等亦屬本發(fā)明的保護范圍。
[0021]上述實施例中，底架⑴的尺寸為15X15X6mm(長X寬X高)；正方形凹槽(13)的尺寸為10X10X1.5mm(長X寬X高)，第一圓形通孔(13)的Rl (直徑)為3.5mm;固定架(2)的尺寸為1X 1X 1.5mm(長X寬X高)，第二圓形通孔(21)的R2 (直徑)為3.5mmο
[0022]所述固定架(2)正好與所述底架(I)上的凹槽(11)相匹配，其上開有第二通孔
(21)，所述第一通孔(13)與第二通孔(21)為同心圓結構。本實施例中選用的與底架(I)上的凹槽(11)相匹配的固定架(2)也是為了方便操作。本領域技術人員在此基礎上改進的其他如略高或略底低于凹槽(11)的固定架(2)亦屬本發(fā)明的保護范圍。
[0023]進一步地，為了使薄膜試樣放置和取出方便，在另一實施例中所述凹槽(11)設計為矩形凹槽；更優(yōu)選地，設計成正方形凹槽。
[0024]在上述具體實驗中，為了使薄膜試樣在納米壓痕儀中操作方便。在其余實施例中將第一通孔(13)和第二通孔(21)設計為圓形通孔，同時第一通孔(13)和第二通孔(21)大小相同。
[0025]薄膜支架試驗過程將試樣放置于正方形凹槽(13)處，待基底去除后，將固定架
(2)蓋到薄膜上，讓其固定。中間通孔圓形區(qū)域薄膜裸露以便用于壓痕測試。
[0026]薄膜支架的應用銅薄膜的制備工藝
在雙面拋光的NaCl基底上，采用直流磁控濺射方法制備50nm厚度的金屬銅薄膜。制備前NaCl基底經(jīng)99%(wt%)丙酮清洗后，用Ar離子清洗10分鐘。磁控濺射的本底真空為2X 10_4Pa，直流偏壓為15V，Ar氣壓力為0.5Pa，濺射速率為10nm/min，濺射溫度為70°C，濺射時間為15min，濺射材料為純度99.9999%的Cu靶。
[0027]無殘余應力薄膜的制備方法
取兩個NaCl作為基底的試樣，一個放于實施例1自制薄膜支架上，并靜置于去離子水與乙醇的體積比為2: 9混合溶液中。溶液的高度最好距離高于薄膜支架底架頂端2mm。另一個NaCl試樣作為對照。當實驗組和對照組中NaCl完全溶解，把薄膜和薄膜支架的底架一起取出，吹干。再將薄膜支架的固定架覆蓋在底架上面，固定式樣，即獲得無應力的薄膜試樣。
[0028]以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實施方式，應當指出，對于本技術領域的普通技術人員來說，在不脫離本發(fā)明技術原理的前提下，還可以做出若干改進和潤飾，這些改進和潤飾也應視為本發(fā)明的保護范圍。
【主權項】
1.一種用來獲得無殘余應力薄膜的薄膜支架，其特征在于:所述薄膜支架包括底架(I)和固定架⑵兩部分； 所述底架(I)為矩形臺，其中間開有凹槽(11)，所述凹槽(11)底部開有第一通孔(13)； 所述固定架(2)與底架(I)上的凹槽(11)相匹配，固定架(2)上開有第二通孔(21)，所述第一通孔(13)與第二通孔(21)都為同心圓結構。2.如權利要求1所述的薄膜支架，其特征在于:所述凹槽(11)為矩形凹槽。3.如權利要求1所述的薄膜支架，其特征在于:所述凹槽(11)為正方形凹槽。4.如權利要求1所述的薄膜支架，其特征在于:所述第一通孔(13)和/或第二通孔(21)為圓形通孔。5.如權利要求1或4所述的薄膜支架，其特征在于:所述第一通孔(13)和第二通孔(21)大小相同。
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種薄膜支架，其具體涉及一種用來獲得無殘余應力薄膜的薄膜支架，屬于機械模具技術領域。本發(fā)明的薄膜支架包括底架和固定架兩部分；所述底架為矩形臺，其中間開有凹槽，所述凹槽底部開有第一通孔；所述固定架正好與所述底架上的凹槽相匹配，所述固定架上開有第二通孔，所述第一通孔與第二通孔為同心圓結構。本發(fā)明提供的薄膜支架結構簡單、操作方便，能夠輕松方便地獲得的無殘余應力的薄膜試樣。
【IPC分類】G01L1/26, G01N1/28
【公開號】CN104964862
【申請?zhí)枴緾N201510380760
【發(fā)明人】蘇建麗
【申請人】青島文創(chuàng)科技有限公司
【公開日】2015年10月7日
【申請日】2015年7月1日