一種基于強度因子的金剛石玻式壓頭設計方法
【技術領域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種基于強度因子的金剛石玻式壓頭晶面晶向設計方法，應用于材料 表面微納米尺度力學特性的檢測，屬于納米硬度測量技術領域。
【背景技術】
[0002] 近三十年來，納米硬度測量技術廣泛應用于材料表面微納米尺度力學特性的檢 測。納米硬度測量技術指的是通過使用高精度的金剛石壓頭壓入或刻劃材料表面從而檢測 材料微小體積內力學特性的一種方法。壓痕和劃痕的深度一般為微米甚至納米尺度，是進 行表面涂層、薄膜材料和材料微納尺度表面等力學特性測試的理想方式。按這種方法設計 的納米壓痕儀通過實時連續(xù)地記錄壓頭在樣品表面的加載和卸載過程，能夠得到試驗過程 中施加在壓頭上的載荷與壓頭壓入材料深度的關系，這是傳統(tǒng)宏觀或顯微硬度檢測方法所 不能達到的。
[0003] 對于納米硬度測量技術來說，要獲得納米尺度的壓痕或劃痕，除了高精度的測試 儀器、良好的測試環(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，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。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，而這將造成很多負面影響。例如用尖端較鈍的壓 頭對極薄的膜進行壓痕試驗時，由于所需完全塑性變形的深度較大，而薄膜較薄，因此不能 準確測得薄膜的相關力學特性；反之，若壓頭尖端鈍圓半徑很小，則獲得可靠硬度測量結果 的壓痕或劃痕深度越小，其能檢測的材料厚度也越薄。總之，金剛石壓頭的設計和加工質量 對材料力學性能測試結果具有很大的影響。
[0004] 由于單晶金剛石晶體有強烈的各向異性，不同晶面晶向的性質都有巨大的差別。 因此如何安排金剛石壓頭各個側面的晶面，是設計壓頭時應該重點考慮的一個關鍵問題。 日本學者H. Sumiya等人設計研制的人造 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。其設計方法是選擇努氏硬 度最高的晶面晶向作為壓頭的棱邊方向。對于人造 IIa型單晶金剛石來說，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。若按照這種設計方法來 設計天然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，因為天然Ia型單晶金剛石 (100)晶面〈1〇〇>晶向的努氏硬度最高。
[0005] 美國Hysitron公司生產(chǎn)的金剛石玻氏壓頭設計方案與上述方法類似，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 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)晶面上的投影方向為〈1〇〇>晶向，而另兩條棱邊與（100)晶面〈11〇>晶向 更接近。此外，烏克蘭學者0. Lysenko還給出了另一種壓頭設計方案，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計方案都沒能夠給出令人信服的設 計理由。
[0006] 綜上所述，面對國外的技術封鎖，我們必須自行設計和制造金剛石玻式壓頭，將具 有很重要的實際意義和科研價值。

【發(fā)明內容】

[0007] 本發(fā)明的目的是為了提高納米硬度測試用金剛石玻氏壓頭的幾何精度，提供了一 種基于強度因子的金剛石玻式壓頭設計方法。該方法設計了三種金剛石玻式壓頭，分析了 壓頭各個面、棱和尖端的動態(tài)微觀抗拉強度，提出了研磨強度因子和抗磨損強度因子概念， 以此預測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程中抵抗磨損的能 力。本發(fā)明對于打破國外技術壟斷，提高材料微納米尺度力學特性的測量精度，促進國內高 精度金剛石玻式壓頭的制造技術發(fā)展具有重要意義。
[0008] 本發(fā)明的目的是通過以下技術方案實現(xiàn)的：
[0009] -種基于強度因子的金剛石玻式壓頭設計方法，包括以下步驟：
[0010] -、基于金剛石晶體動態(tài)微觀抗拉強度理論和晶面特性的疊加原理，假設金剛石 玻式壓頭的三個側面動態(tài)微觀抗拉強度是{100}、{110}、{111}三種典型晶面族特性的加 權疊加，在此基礎上推導出金剛石晶體任意晶面晶向的動態(tài)微觀強度；
[0011] 二、設計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 使用過程的方向性特點計算出側面的動態(tài)微觀抗拉強度；
[0012] 三、基于各側面計算所得的動態(tài)微觀抗拉強度，提出研磨強度因子和抗磨損強度 因子的計算評價方法，根據(jù)比較計算所得的金剛石玻氏壓頭棱邊和尖端的研磨強度因子、 抗磨損強度因子，實現(xiàn)定性評價壓頭棱邊與尖端的研磨所得鈍圓半徑差異及其在使用過程 中的抗磨損性能，即研磨強度因子越大，壓頭研磨加工所得鈍圓半徑越小，抗磨損強度因子 越大，壓頭在使用過程中磨損程度越小，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側面的晶面晶向設計方法，基于金剛石 動態(tài)微觀抗拉強度理論，建立研磨強度因子和抗磨損強度因子的評價計算方法，評價和預 測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計 提供了科學的理論依據(jù)。
[0015] 2、本發(fā)明設計的金剛石玻式壓頭便于找到各個側面的易磨方向，極大地提高了機 械研磨過程中的加工效率，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面的晶面組合對壓頭尖端鈍圓半徑、棱邊鈍圓半徑 研磨質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側面的晶面對于提 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態(tài)微觀抗拉強度，設計了三種金 剛石玻式壓頭，為打破國外的技術壁皇、促進我國納米硬度測量技術的發(fā)展，邁出了探究性 的一步。
[0018] 5、經(jīng)過掃描電子顯微鏡（SEM)和原子力顯微鏡（AFM)檢測，依據(jù)本發(fā)明優(yōu)化設計 的金剛石玻式壓頭，棱邊和尖端鈍圓半徑可達到30nm以下，優(yōu)于國際標準ISO 14577的技 術指標要求。
【附圖說明】
[0019] 圖1是{100}晶面族對任意晶面P的特性疊加影響原理圖；
[0020] 圖2是{110}晶面族對任意晶面P的特性疊加影響原理圖；
[0021] 圖3是{111}晶面族對任意晶面P的特性疊加影響原理圖；
[0022] 圖4是方案I壓頭晶面設計示意圖；
[0023] 圖5是方案I壓頭各側面動態(tài)微觀抗拉強度；
[0024] 圖6是方案II壓頭晶面設計示意圖；
[0025] 圖7是方案II壓頭各側面動態(tài)微觀抗拉強度；
[0026] 圖8是方案III壓頭晶面設計不意圖；
[0027] 圖9是方案III壓頭各側面動態(tài)微觀抗拉強度；
[0028] 圖10是三種方案金剛石玻氏壓頭尖端強度因子對比，包括研磨過程和使用過程 的尖端強度因子計算結果；
[0029] 圖11是三種方案金剛石玻氏壓頭三條棱邊研磨強度因子對比；
[0030] 圖12是三種方案金剛石玻氏壓頭三條棱邊抗磨損強度因子對比；
[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