一种适合于精确评价金刚石玻式压头尖端曲率半径的方法技术

本发明专利技术公开了一种适合于精确评价金刚石玻式压头尖端曲率半径的方法，其步骤如下：一、建立金刚石玻氏压头的三维模型，根据此模型推导精确描述压头的面积函数；二、用步骤一推导出的面积函数直接拟合AFM测量数据即可得到精确的压头尖端钝圆半径。本发明专利技术所建立的金刚石玻式压头模型考虑了压头各棱边的钝圆半径，推导的新面积函数能更好地拟合压头的真实三维形貌。本发明专利技术测量与评价高精度金刚石玻氏压头钝圆半径简单快捷并且受人为因素影响小，拟合评价压头尖端曲率半径精度较高，可以更真实地反映金刚石玻式压头的几何形貌。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术设及一种适合于高精度金刚石玻式压头尖端曲率半径的精确评价方法，应 用于材料表面微纳米尺度力学特性的检测，属于纳米硬度测量

技术介绍
近=十年来，纳米硬度测量技术广泛应用于材料表面微纳米尺度力学特性的检 巧。。纳米硬度测量技术指的是通过使用高精度的金刚石压头压入或刻划材料表面从而检测 材料微小体积内力学特性的一种方法。压痕和划痕的深度一般为微米甚至纳米尺度，是进 行表面涂层、薄膜材料和材料微纳尺度表面等力学特性测试的理想方式。按运种方法设计 的纳米压痕仪通过实时连续地记录压头在样品表面的加载和卸载过程，能够得到试验过程 中施加在压头上的载荷与压头压入材料深度的关系，运是传统宏观或显微硬度检测方法所 不能达到的。 对于纳米硬度测量技术来说，要获得纳米尺度的压痕或划痕，除了高精度的测试 仪器、良好的测试环境化及符合要求的样品表面W外，还需要高精度的金刚石压头。其中玻 氏压头是目前大多数仪器化纳米压痕试验所使用的压头，与其它压头相比，它可W加工得 非常尖锐，并且即使在很小的深度范围内，运种压头的形貌与理想压头的偏差也较小，非常 适合压入深度极小的压痕试验。金刚石压头几何形貌对材料硬度等力学特性测量结果有直 接影响，因此国内外诸多学者对如何准确检测压头各个参数进行了大量的研究。目前常用 的金刚石压头的测量方法分为两大类：直接测量和间接测量。其中直接测量根据使用的仪 器和测量原理不同可分为扫描电子显微镜（Scanning Electron Microscope,简称沈M)测 量、原子力显微镜（Atomic Force Microscope,简称AFM)测量、扫描白光干设仪（Scanning White Li曲t Interferometry,简称SWLI)测量等。而间接测量主要指通过压痕试验间接 测量压头的面积函数从而反推出金刚石压头的几何形貌或者通过测量压痕形貌间接得到 压头的几何形貌。 (l)AFM测量法 阳0化]国外学者使用原子力显微镜准确地测量了玻氏压头的形貌，包括了压头的面积函 数、尖端纯圆半径W及角度参数。测量过程为：首先对原子力显微镜进行校准，测得金刚石 压头尖端的=维形貌，然后用平面拟合压头侧面AFM数据，从而计算各平面间的夹角参数。 为了测量面积函数，需要通过AFM数据分层计算压头的横截面积，再通过该面积与深度的 关系求得面积函数。压头尖端纯圆半径则通过用圆弧或者其它曲线拟合压头纵向剖面轮廓 数据点求得。AFM是一种常用的检测高精度金刚石压头的仪器，国际标准也推荐采用此方法 检测用于纳米压痕试验的金刚石压头。 (2) SEM测量法 该方法要求样品具有导电性，因此在检测前需要对金刚石压头进行锻金处理，所 W其检测结果与真实的压头形貌稍有差异。而且该方法只能得到压头的二维形貌，不能准 确测量压头的尖端纯圆半径W及各锥面之间的夹角关系。对于金刚石玻氏压头来说，SEM测 量法作为一种定性的检测手段使用较为广泛。 阳00引做SWLI测量法 中国学者化n-Liang化en等人采用扫描白光干设仪对金刚石压头的几何形貌进 行了测量，并用最小二乘法拟合了测量数据。该方法对于面角较小的压头有较好的测量效 果，但如果压头面角过大，则测量效果不佳。 (4)激光测角仪测量法 美国MST公司研发的压头激光测角仪能精确测量金刚石压头的角度参数。该激光 测角仪的分辨率为0.oor。该方法的缺点是只能测量压头的角度，不能检测压头尖端的形 貌W及测量尖端纯圆半径。 (5) 3D共聚焦显微镜测量法 意大利学者Alessan化0Germak等人使用3D共聚焦显微镜对压头的几何形貌进 行了测量分析，认为运种方法相比于探针式的测量仪器能获得更加完整的压头几何形貌信 息。但该方法不能检测小尺度范围内压头尖端形貌W及纯圆半径。 (6)压痕试验法 希腊和德国学者K. -D. Bouzakis等人提出了一种快速检测纳米压头制造缺陷和 磨损状态的方法，通过将娃（100)晶面纳米压痕试验与有限元仿真计算马氏硬度相结合， 能够快速检验和预测金刚石压头形貌偏离理想情况的程度。美国学者M. F. Doemer将金刚 石压头压入已知杨氏模量的材料对压头形貌进行间接测量。他首先对a-黄铜做了一系列 不同深度的压痕试验，再将所得压痕复印到碳上，最后用透射电子显微镜（TEM)测量碳材 料表面留下的复制结构并计算压痕面积，得到压痕面积与压入深度的关系即为该压头的面 积函数，该方法精度不高且较为繁琐。德国学者Benoit Merle应用连续刚度法对烙融娃进 行压痕试验从而测定压头的形貌。美国学者Kaushal K化al通过压痕试验中的总压痕功 和弹性功来估计压头的尖端纯圆半径。吉林大学的化化ang等人则通过压痕形貌来估计 压头的倾斜角度。总的来说，压痕试验法只是一种估算的方法，不能准确测定压头的几何形 貌。
技术实现思路
本专利技术的目的是为了拟合出更接近实际的金刚石玻式压头几何形貌，提出了一种 适合于精确评价金刚石玻式压头尖端曲率半径的方法。 本专利技术的目的是通过W下技术方案实现的： ，包括W下步骤： 一、建立金刚石玻氏压头的=维模型，根据此模型推导出一种新的精确描述压头 的面积函数用于表征具有一定纯圆半径的压头。与其它模型相比，该模型不但考虑了压头 尖端纯圆半径，还考虑了压头各棱边纯圆半径。 二、用此面积函数直接拟合AFM测量数据即可得到精确的压头尖端纯圆半径。通 过该面积函数与多种面积函数的对比分析，认为新建立的面积函数能更好地拟合金刚石玻 氏压头的真实=维形貌。因此，本专利技术在计算压头尖端纯圆半径时首先选择此模型来拟合 压头=维数据，初步计算压头纯圆半径，然后通过传统求取纯圆半径的方法进一步详细计 算压头尖端和棱边的纯圆半径。 本专利技术与现有技术相比具有W下的有益效果： 1、本专利技术提供了一种适合于高精度金刚石玻式压头尖端曲率半径的精确评价方 法，所建立的金刚石玻式压头模型考虑了压头各棱边的纯圆半径，推导的新面积函数能更 好地拟合压头的真实=维形貌。 2、本专利技术测量与评价高精度金刚石玻氏压头纯圆半径简单快捷并且受人为因素 影响小，拟合评价压头尖端曲率半径精度较高，可W更真实地反映金刚石玻式压头的几何 形貌。【附图说明】 图1是金刚石玻式压头几何模型；图2是压头等效圆锥模型； 图3是不同深度范围对应的压头横截面形状，其中，a)为横截面是一个圆，b)为横 截面是圆与楠圆的混合图形，C)为横截面是圆与直线的混合图形； 图4是多种面积函数对金刚石玻氏压头AFM测量数据的拟合精度对比。【具体实施方式】 下面结合附图对本专利技术的技术方案作进一步的说明，但并不局限于此，凡是对本 专利技术技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本专利技术技术方案的精神和范围，均应涵盖 在本专利技术的保护范围中。 本专利技术提供了一种适合于高精度金刚石玻式压头尖端曲率半径的精确评价方法， 可W更真实地反映金刚石玻式压头的几何形貌。【具体实施方式】如下： 一、建立金刚石玻式压头几何模型 如图1所示，该模型由=个锥面交汇而成，两两相交的侧面形成带有纯圆半径的 棱边，=条棱边相交形成具有纯圆球面的压头尖端。该模型假设压头=条棱边的纯圆半径 均为P，=条棱交汇于顶点形成一球面，其尖端纯圆本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种适合于精确评价金刚石玻式压头尖端曲率半径的方法，其特征在于所述方法步骤如下：一、建立金刚石玻氏压头的三维模型，根据此模型推导精确描述压头的面积函数；二、用步骤一推导出的压头的面积函数直接拟合AFM测量数据即可得到精确的压头尖端钝圆半径。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：宗文俊，吴东，姚学磊，李增强，孙涛，
申请(专利权)人：哈尔滨工业大学，
类型：发明
国别省市：黑龙江;23