专利名称：多相材料中各组成相含量的测试方法
技术领域：
本发明涉及一种多相材料中各组成相含量的测试方法，尤其是，本发 明涉及一种多相材料中各组成相含量的纳米压入测试方法。
背景技术：
多相材料所涵盖的范围很广，它既可以是金属、高分子、陶瓷等多类 材料间的组合，也可以是单类材料各相间的组合。多相材料的一个主要优 点是可以按照使用上的要求进行性能设计，使其兼顾各组成相的优异特 性。各组成相的含量和性能是多相材料研究和设计中必不可少的要素，因 此成为材料研究者所关注的对象。
测试多相材料中各组成相含量的常规方法有很多，例如定量金相法、
穆斯堡尔谱法、X射线衍射法、电子背散射衍射(EBSD)法，等等。
定量金相法是通过在试样金相磨面上测定二维平面特征，并运用体视 学的基本关系及数理统计方法推断材料在三维空间中各组成相的量，包括 尺度(例如晶粒或颗粒平均直径、粒子间距)和相含量等。测量方法有记 点法(将具有规则间距的标准试验网格叠加在组织图片上，计算各相落在 格点上的分数)、截线法(将已知长度的测试线任意置于组织照片上，计 算单位长度测试线上各相所占的长度)和面积分析法(用求积仪在组织照 片上求出各相的总面积，或从照片上剪下各相，用称重法求出第二相所占
的面积)。定量金相法的计算过程虽然简单，但要求试样金相磨面中的各 相清晰显示，否则将给测试带来很大误差。如果试样需要通过浸蚀处理来 显示组织，必然对浸蚀技术提出很高的要求。此外，如果各相的尺度太小 (例如达到纳米或亚微米级)，由于受光学显微镜分辨力的限制，也很难
得到清晰的照片。即使采用SEM进行成像，在对不导电的样品进行测试 的场合，还须进行喷金或喷碳处理，非常麻烦。
穆斯堡尔谱法是利用原子核对Y射线的无反冲共振吸收现象，从测试过 程中穆斯堡尔谱线的形状、共振吸收位置、强度等的改变，来推断样品中 各相的含量。该方法要求被测样品必须含有与源相同的同位素，而且处于 基态，以便发生共振吸收。由于受同位素种类的限制，只有有限数量的核 有穆斯堡尔效应，且其中的许多还必须在低温下进行，因此这种方法的应 用受到限制。
X射线衍射法是利用入射电子束所产生的衍射花样来判别各组成相， 并通过衍射线的强度来计算各组成相的含量。因此，该方法仅适用于晶体 材料，且X射线衍射法的灵敏度与各组成相的种类和数量密切相关。当某 组成相含量很少或该相各晶面反射能力很弱时，很难显示该相的衍射线 条，当然也就无从判断该相的含量。而且，在多物相共存时，衍射线条容 易重叠(尤其是晶体结构类型相同、点阵常数差别不大时)，分析非常困 难。
EBSD法是利用入射电子束所产生的电子背散射衍射花样来判别各组 成相，并通过计算相图中各组成相的面积分数来确定相含量。这种方法分 析速度快，结果准确，在一定程度上克服了穆斯堡尔谱法和X射线衍射法
的不足，但也仅适用于晶体材料。
综上所述，以上各种测试方法都带有一定的局限性。而且，在这些方 法之中，没有任何一种方法能够在测得多相材料中各组成相含量的同时， 得到各组成相的力学性能，例如硬度和杨氏模量等。
测试多相材料中各组成相力学性能的方法主要分为两大类
第一类方法是，测试含有相应组成相的单相材料的力学性能，以之代 替多相材料中各组成相力学性能的方法。事实上，多相材料中各组成相的 化学成分、显微组织结构、所处的应力状态等均可能不同于相应的单相材 料，由此导致其力学性能也远远偏于相应的单相材料。例如，具有相同化 学成分的铁素体-马氏体双相钢中马氏体的硬度远高于马氏体单相钢的硬 度。这是因为在双相钢中，C在铁素体中的溶解度很低，主要富集分配在 由奥氏体快速冷却转变而来的马氏体相中(^#^/定4/卩M" M7 2卯; UT矜皮X"学学叛2(5f2M"—7)。再例如，颗粒增强铝基复合材料中， 铝合金基体相的硬度远高于相同化学成分和热处理状态的单相铝合金的 硬度。这是因为颗粒的加入在铝基体中引入了高密度的位错，使基体得到 了强化(M嫩歸"川(7，參们; / M血7fec/7., 20 f2,
第二类方法是，直接测试多相材料中各组成相力学性能的方法。这采 用常规的拉、压、弯、剪等力学性能测试手段是很难实现的，唯一可选择 的是硬度试验方法，例如显微硬度方法。但是，当各组成相的尺度很小时 (例如达到纳米或亚微米级)，利用显微硬度方法就很难实现了。这是因 为显微硬度仪器很能准确提供可以避免基底效应或边界效应的小载荷，同时受光学显微镜分辨能力的限制，测量小压痕的尺寸时会造成很大的误差。纳米压入技术是近年来新兴的一种分析测试技术，它不同于传统的硬 度方法，不仅可以测试材料的硬度，还能测得弹性模量、断裂韧性、应力 蠕变指数等力学参量。压入试验过程中，它可以准确地将压入深度控制在 纳米或亚微米级，从而有效地避免基底效应和边界效应对力学性能测试结 果带来的影响。另外，该技术是通过所记录的载荷-位移曲线，采用合适的 力学模型来计算材料的力学性能，克服了显微硬度方法在小尺度范围内难 以准确测量压痕面积的限制，在测试薄膜和块体材料(包括多相材料)微 区力学性能方面展现出独特的优势。有关纳米压入技术在这方面的应用情 况，国内外已有大量的文献报导和相关专利介绍。这些文献主要涉及的是纳米压入技术在表征TRIP钢中铁素体、奥氏 体、马氏体和贝氏体力学性能(Ma敏.爿WS (2M" 26-32)、 API X65钢中晶界附近的硬度分布规律(&n》toMa^:, 45 f2M/人/^ /-7406)、 含C 0.22%的全马氏体Fe-C 二元合金的硬度(Scnj to Ma&K， W ^卯" /"7-〃62)、硅基底上SiC膜的硬度和杨氏模量(5W/ rec/io/., 〈2M"邦h邦S)、附于玻璃基底上填加Si02颗粒的有机改性硅酸盐涂层的 断裂韧性和残余应力(似"欣&/.￡叫，/^5(20^)47-/05)等方面的应用。 专利则主要涉及利用纳米压入技术测试硬质涂层硬度(CA^423/7^()、硬 膜与软基底之间底黏附强度(OS63"95S)、薄膜的断裂韧性(C/S仰530W)、 混凝土的力学性能(Z^27簡0)、材料的弹性模量(OS厕，湖, 五尸WW970)等所采用的具体试验方法。而有关纳米压入技术在测量多相
材料中各组成相含量方面的应用，至今尚未见文献及专利报导。鉴于上述，本发明的目的是提供一种多相材料中各组成相含量的纳 米压入测试方法。该方法可同时实现各组成相含量、硬度和杨氏模量三个 参数的测试，既适用于如金属、高分子、陶瓷等由多类不同材料所组合的 多相材料，也适用于单类材料中由不同相所组合的多相材料。根据本发明 的多相材料中各组成相含量的纳米压入测试方法，对于各组成相的硬度或 杨氏模量的差异较为明显的多相材料来说，即使各相的尺度小至亚微米 级，其测试结果也非常准确可靠。发明内容本发明提供一种多相材料中各组成相含量的纳米压入测试方法，所述 多相材料中各组成相的硬度或杨氏模量存在较明显的差异，所述纳米压入 测试方法包括下述步骤(1) 利用机械抛光或电解抛光等方法准备样品；(2) 利用纳米压入技术在待测样品表面的一个或若干个区域进行一系 列压入测试，测试区域系随机分布在样品表面，各测试区域的测试点按照 网格形式排列；(3) 利用压入测试得到一系列"硬度-杨氏模量"数据对，据此绘出硬 度一杨氏模量的散点图；(4) 利用硬度或杨氏模量的大小来识别各组成相，进而判断每次压入 测试的落点，即判断压入点位于多相材料中的哪一组成相上，然后以落在 各组成相上的压入点数与压入总点数的比值(或百分比)来表示各相的含 量(或含量百分数)。根据本发明的多相材料中各组成相含量的纳米压入测试方法，所述多 相材料中各组成相的硬度或杨氏模量应存在较明显的差异。比如，各组成 相的平均硬度或杨氏模量的差别明显大于测量的波动值(包括测量误差、 基底效应或边界效应、以及晶体取向的影响)，此时，特别适合应用本发明。本发明是利用纳米压入测试得到的力学性能参量来判别各组成相，因 此对测试样品的要求比较简单，样品可以浸蚀，也可以不浸蚀(对于多相 金属样品，建议采用电解抛光方法准备样品，以消除应变层对各相性能测 试结果的影响)，只要求测试面光滑、无污染、且与对面(试样底面)相互平行。根据本发明的多相材料中各组成相含量的纳米压入测试方法，所采用的纳米压入测试设备的载荷和位移的分辨力分别在M^和纳米量级。在压 入测试过程中，控制参数(载荷、位移等)能够连续变化，可自动记录载 荷-位移曲线，并自动进行成批试样或成批试验点的连续试验，而无须操作 人员作时时监控。较好的是，根据本发明的多相材料中各组成相含量的纳米压入测试方 法，所采用的纳米压入测试设备的压头由金刚石、蓝宝石或碳化钨材料制成，其形状可以是Berkovich压头，立方角形压头、维氏压头或努氏压头等等。较好的是，根据本发明的多相材料中各组成相含量的纳米压入测试方 法，所采用的压头尖端的曲率半径以小为好。在本发明中，考虑到现有的
压头加工技术，可以在1 100nm之间，更好是在1 50nm之间，最好是 在l 30nm之间。但是，更小的压头尖端的曲率半径仍在本发明的范围。由此，可以提高根据本发明的多相材料中各组成相含量的纳米压入测 试方法的测试精度，并扩大其所应用的材料范围。较好的是，根据本发明的多相材料中各组成相含量的纳米压入测试方 法，在利用纳米压入技术进行测试时，在样品上随机选择一个或多个测试 区域，设定代表所述测试区域的格点数为/x/的测试网格(/=网格行数； /=网格列数)，/和J可以相等，也可以不相等，/和J的数值范围可以在 2 100之间。但根据测试材料、仪器和方法等的不同，每次压入测试费时 不等，通常，大约需费时1 8分钟时间。由此，当压入点数很多时，就 需要很长时间来完成整个试验，经济合理性和可操作性较差。根据本发明， 在满足数理统计要求情况下的最佳试验点数应考虑到测试场合、材料、仪 器和方法等的不同，/和J的数值范围较好是在5 50之间，更好的是在 10 15之间。较好的是，根据本发明的多相材料中各组成相含量的纳米压入测试方 法，所采用的相邻格点的间距相等并尽量接近各组成相的尺度，且大于压 入测试深度的20倍。籍此，可以避免后续点的测试受到与之相邻的以前测试点所产生的压 痕应变场的影响。较好的是，根据本发明的多相材料中各组成相含量的纳米压入测试方 法，所采用的压入深度多为小于多相材料中组成相最小尺度的1/8，最好 是小于1/12。
在本发明中，所述压入深度的设定非常关键。压入深度可为小于多相材料中组成相最小尺度的1/4一1/12。但根据测试材料不同，基底效应和边界效应会对测试结果的影响程度不同。根据本发明，如上所述，压入深度多为小于多相材料中组成相最小尺度的1/8，最好是小于1/12。由此，可以保证压入过程在材料中造成的塑性及弹性应变场仅限于测 试点所落的每一相范围之内，从而避免在该相上的测试受到与之相邻的不 同相所造成的基底效应的影响。否则，在该相上测试所产生的力学性能数 据可能落在其它相所产生的数据点群中，由此导致在统计落在不同相上的 压入点数时出现误差。在利用本发明绘制被测样品的硬度对杨氏模量的散点图时，不论是在 一个测试区域进行一个网格测试的情况，还是在多个测试区域进行多个网 格测试的情况，都要将所有点的测试结果汇总在一张散点图中进行统计。 统计位于两个相邻点群之间的个别点时，在两个点群的压入点数上各加 1/2。根据本发明的多相材料中各组成相含量的纳米压入测试方法，所述方 法系利用纳米压入技术及其微压痕特性，对多相材料中各组成相的含量进 行测试的方法。因此，本发明与其它测试多相材料中各组成相含量的方法 具有实质性差别。它是以纳米压入技术为手段，以测试得到的各点的硬度 或杨氏模量的大小来识别各相，进而判断每次压入测试的落点(压入点位 于多相材料中的哪一相上)，从而得到各相的含量。本发明的方法既适用 于如金属、高分子、陶瓷等由多类不同材料所组合的多相材料，也适用于 单类材料中由不同相所组合的多相材料。
图1所示为本发明"多相材料中各组成相含量测试方法"示意图。 图2所示为实施例1中铁素体-马氏体双相钢组织照片。图3所示为对实施例1中铁素体-马氏体双相钢，通过一个12x10矩形 网格(总计120格点)压入测试得到的硬度对杨氏模量散点图。图4为实施例2中GCrl5钢组织照片。图5为对实施例2中的GCrl5钢，通过三个8x5矩形网格(总计120 格点)压入测试得到的硬度对杨氏模量散点图。
具体实施方式
下面，结合附图和具体实施方式
对本发明作进一步说明。参见图l，设定多相材料中含有三个组成相(三相分别为A， B和C， 其硬度/f或杨氏模量五大小顺序为///￡(A)>///￡(B)>H/￡(C))，其各组成 相含量测试方法的实施如下利用纳米压入技术在被测样品的表面进行W次压入测试，这iV个压入 点构成一个格点数为/xJ的矩形网格，相邻格点的间距与材料中B、 C两 相的尺度较为接近，同时大于压入测试深度的20倍。压入测试过程中， 这些压入点(格点)落在多相材料中的A、 B或者C相上。根据体视学的 基本关系，落在每一相上压入点数占压入点总数的百分比将分别等于每相 的含量。假设在W个压入点中，有I个硬度值较高的数据点聚集成一群， r个硬度值居中的数据点聚集成一群，Z个硬度值较低的数据点聚集成一群，那么此多相材料中A、 B和C三相的含量就可以分别用丄x100。/。、TV"I"oo。/。和i"oo。/。来表示。分别对以上z、 r和z个硬度以及杨氏模量测试结果取平均值，就得到了A、 B和C三相的硬度和杨氏模量。实施例1:被测的多相材料为铁素体-马氏体双相钢，铁素体和马氏体的平均晶粒 直径分别为3.0pm和1.3)im。在样品上随机选择一个测试区域，进行120 次压入测试，120个压痕点构成一个以5pm为间距的12x10矩形网格。试 验过程中，采用的是Berkovich金刚石压头，其尖端的曲率半径〈50nm; 设定压入深度为70nm，控制压入应变率为0.05s—1 。测试后，得到120个硬度-杨氏模量数据对，散点图如图2所示。由图可见，硬度值较高的12点聚集成一群，表明测试过程中有12点落在了双相钢中较硬的马氏体相上；其余硬度值较低的108点聚集成一群，表明测试过程中有108点落在了双相钢中较软的铁素体相上。由此可得出，此双相钢中马氏体和铁素体的含量分别为10%( !xl00% )和90%( Mxl00% )。120 120这与通过扫描电子显微镜观察(图2)获得的定量金相结果是一致的。同 时，还能得出马氏体和铁素体两相的硬度和杨氏模量马氏体的硬度值在7.23 9.64GPa之间(平均值为8.20GPa)，杨氏模量值在199.0 240.0GPa 之间(平均值为218.7GPa);铁素体的硬度值在3.51 5.89GPa之间(平均 值为4.57GPa)，杨氏模量值在200.4 256.6GPa之间(平均值为227.0GPa)。铁素体-马氏体双相钢是一种多晶体材料，不同的晶粒因取向不同而具有不 同的性能。在纳米压入试验中，每次测定的往往只是某一个晶粒的性能， 因此多次测试结果有较宽的分布范围
实施例2:被测的多相材料为铁素体-碳化物双相钢，碳化物颗粒的平均直径为0.5pm。在样品上随机选择三个测试区域，在每一个区域各进行40次压入 测试，40个压痕点构成一个以5pm为间距的8x5矩形网格。试验过程中， 采用的是Berkovich金刚石压头，其尖端的曲率半径〈20nm;设定压入深 度为50nm，控制压入应变率为0.05s—、测试后，得到120个硬度-杨氏模量数据对，将这些数据汇总在一张散 点图中，如图3所示。由图可见，硬度值较高的9点聚集成一群，表明测 试过程中有9点落在了双相钢中较硬的碳化物颗粒上；其余硬度值较低的 111点聚集成一群，表明测试过程中有111点落在了双相钢中较软的铁素 体相上。由此可得出，此双相钢中碳化物和铁素体的含量分别为7.5%(上x100。/。)禾B 92,5% (也x100。/。)。这与通过透射电子显微镜观察(图 120 1204)获得的定量金相结果是一致的。同时，还能得出碳化物和铁素体两相 的硬度和杨氏模量碳化物的硬度值在9.50 16.28GPa之间(平均值为 13.30GPa),杨氏模量值在199.5 252.3GPa之间(平均值为231.4GPa); 铁素体的硬度值在2.88 5.97GPa之间(平均值为3.88GPa)，杨氏模量值 在170.7 238.7GPa之间(平均值为206.5GPa)。铁素体-碳化物双相钢也 是一种多晶体材料，因此多次测试得到的力学性能结果也有较宽的分布范 围。根据本发明的多相材料中各组成相含量的纳米压入测试方法。该方法 可同时实现各组成相含量、硬度和杨氏模量三个参数的测试，既适用于如 金属、高分子、陶瓷等由多类不同材料所组合的多相材料，也适用于单类 材料中由不同相所组合的多相材料。根据本发明的多相材料中各组成相含 量的纳米压入测试方法，对于各组成相的硬度或杨氏模量的差异较为明显 的多相材料来说，即使各相的尺度小至亚微米级，其测试结果也非常准确可靠。
权利要求
1 . 一种多相材料中各组成相含量的纳米压入测试方法，所述多相材 料中各组成相的硬度或杨氏模量存在较明显的差异，其特征在于，所述纳 米压入测试方法包括下述步骤(1) 利用机械抛光或电解抛光等方法准备样品；(2) 利用纳米压入技术在待测样品表面的一个或若干个区域进行一系 列压入测试，测试区域系随机分布在样品表面，各测试区域的测试点按照 网格形式排列；(3) 利用压入测试得到一系列"硬度一杨氏模量"数据对，据此绘出 硬度—杨氏模量的散点图；(4) 利用硬度或杨氏模量的大小来识别各组成相，进而判断每次压入 测试的落点，即判断压入点位于多相材料中的哪一组成相上，然后以落在 各组成相上的压入点数与压入总点数的比值来表示各相的含量。
2 .如权利要求1所述的多相材料中各组成相含量的纳米压入测试方 法，其特征在于，所述方法采用的纳米压入测试设备的载荷和位移的分辨 力分别在M^和纳米量级，在压入测试过程中，载荷、位移等控制参数能 够连续变化，并可自动记录载荷-位移曲线，自动进行成批试样或成批试验点的连续试验。
3 .如权利要求1所述的多相材料中各组成相含量的纳米压入测试方 法，其特征在于，所述采用的纳米压入测试设备的压头由选自金刚石、蓝宝石、碳化钨的材料制成，其形状为选自Berkovich压头，立方角形压头、 维氏压头、努氏压头之一种。
4. 如权利要求3所述的多相材料中各组成相含量的纳米压入测试方 法，其特征在于，所述的压头尖端的曲率半径在lnm 100nm的范围。
5. 如权利要求3或4所述的多相材料中各组成相含量的纳米压入测试 方法，其特征在于，所述的压头尖端的曲率半径在l 50nm的范围。
6. 如权利要求3或4所述的多相材料中各组成相含量的纳米压入测试 方法，其特征在于，所述的压头尖端的曲率半径在l 30nm的范围。
7 .如权利要求1所述的多相材料中各组成相含量的纳米压入测试方 法，其特征在于，在样品上随机选择一个或多个测试区域，设定代表所述 测试区域的格点数为/x/的测试网格，/=网格行数；/=网格列数，/和J的数值在2 100的范围。
8. 如权利要求7所述的多相材料中各组成相含量的纳米压入测试方 法，其特征在于，所述/和J的数值在5 50的范围。
9. 如权利要求7或8所述的多相材料中各组成相含量的纳米压入测 试方法，其特征在于，所述/和/的数值在10 15的范围。
10. 如权利要求1或7所述的多相材料中各组成相含量的纳米压入测 试方法，其特征在于，所采用网格的相邻格点的间距相等，接近各组成相 的尺度，且大于压入测试深度的20倍。
11. 如权利要求1所述的多相材料中各组成相含量的纳米压入测试方 法，其特征在于，所采用的压入深度为小于多相材料中组成相最小尺度的
12.如权利要求1所述的多相材料中各组成相含量的纳米压入测试方 法，其特征在于，所采用的压入深度为小于多相材料中组成相最小尺度的 1/12。
全文摘要
一种多相材料中各组成相含量的纳米压入测试方法，所述方法系利用纳米压入技术及其微压痕特性，对多相材料中各组成相的含量进行测试的方法。因此，本发明与其它测试多相材料中各组成相含量的方法具有实质性差别。该方法可同时实现各组成相含量、硬度和杨氏模量三个参数的测试，进而判断每次压入测试的落点(压入点位于多相材料中的哪一相上)，从而得到各相的含量。本发明的方法既适用于如金属、高分子、陶瓷等由多类不同材料所组合的多相材料，也适用于单类材料中由不同相所组合的多相材料。
文档编号G01N3/40GK101144765SQ200610031069
公开日2008年3月19日 申请日期2006年9月13日 优先权日2006年9月13日
发明者弼 史, 宋洪伟, 杨晓萍, 王秀芳 申请人:宝山钢铁股份有限公司