一种基于强度因子的金刚石玻式压头设计方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种基于强度因子的金刚石玻式压头晶面晶向设计方法，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领域。
【背景技术】
[0002] 近三十年来，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 测。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。按这种方法设计 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，这是传统宏观或显微硬度检测方法所 不能达到的。
[0003] 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、良好的测试环境以及符合要求的样品表面以外，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，它可以加工得 非常尖锐，并且即使在很小的深度范围内，这种压头的形貌与理想压头的偏差也较小，非常 适合压入深度不大的压痕试验。由于目前压头研磨水平的限制，即便是高精度玻氏压头的 尖端也具有一定的钝化，习惯上将尖端钝化区域看做球面。在相同的深度下，非理想压头的 横截面面积大于理想压头的横截面面积，而这将造成很多负面影响。例如用尖端较钝的压 头对极薄的膜进行压痕试验时，由于所需完全塑性变形的深度较大，而薄膜较薄，因此不能 准确测得薄膜的相关力学特性；反之，若压头尖端钝圆半径很小，则获得可靠硬度测量结果 的压痕或划痕深度越小，其能检测的材料厚度也越薄。总之，金刚石压头的设计和加工质量 对材料力学性能测试结果具有很大的影响。
[0004] 由于单晶金刚石晶体有强烈的各向异性，不同晶面晶向的性质都有巨大的差别。 因此如何安排金刚石压头各个侧面的晶面，是设计压头时应该重点考虑的一个关键问题。 日本学者H. Sumiya等人设计研制的人造 IIa型单晶金刚石努氏压头轴线与金刚石（100) 晶面相垂直，且压头四条棱在（100)晶面的投影为〈11〇>晶向。其设计方法是选择努氏硬 度最高的晶面晶向作为压头的棱边方向。对于人造 IIa型单晶金刚石来说，其（100)晶面 〈11〇>晶向的努氏硬度最高，因此选择该晶向作为压头的棱边方向。若按照这种设计方法来 设计天然Ia型单晶金刚石努氏压头，则压头轴线同样与金刚石（100)晶面垂直，压头的棱 边在（100)晶面的投影需尽量与（100)晶面的〈1〇〇>晶向平行，因为天然Ia型单晶金刚石 (100)晶面〈1〇〇>晶向的努氏硬度最高。
[0005] 美国Hysitron公司生产的金刚石玻氏压头设计方案与上述方法类似，压头一条 棱边与（100)晶面〈11〇>晶向平行，另两条棱边与（100)晶面〈1〇〇>晶向较为接近。美国 MST公司制造的高精度金刚石玻氏压头，其轴线同样与（100)晶面垂直，但不同的是其中一 条棱边在（100)晶面上的投影方向为〈1〇〇>晶向，而另两条棱边与（100)晶面〈11〇>晶向 更接近。此外，乌克兰学者0. Lysenko还给出了另一种压头设计方案，与前两种不同的是其 压头轴线与〈111>晶向平行。上述三种玻氏压头晶面设计方案都没能够给出令人信服的设 计理由。
[0006] 综上所述，面对国外的技术封锁，我们必须自行设计和制造金刚石玻式压头，将具 有很重要的实际意义和科研价值。
【发明内容】
[0007] 本发明的目的是为了提高纳米硬度测试用金刚石玻氏压头的几何精度，提供了一 种基于强度因子的金刚石玻式压头设计方法。该方法设计了三种金刚石玻式压头，分析了 压头各个面、棱和尖端的动态微观抗拉强度，提出了研磨强度因子和抗磨损强度因子概念， 以此预测不同方案压头能研磨得到的钝圆半径值的差异以及在使用过程中抵抗磨损的能 力。本发明对于打破国外技术垄断，提高材料微纳米尺度力学特性的测量精度，促进国内高 精度金刚石玻式压头的制造技术发展具有重要意义。
[0008] 本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
[0009] -种基于强度因子的金刚石玻式压头设计方法，包括以下步骤：
[0010] -、基于金刚石晶体动态微观抗拉强度理论和晶面特性的叠加原理，假设金刚石 玻式压头的三个侧面动态微观抗拉强度是{100}、{110}、{111}三种典型晶面族特性的加 权叠加，在此基础上推导出金刚石晶体任意晶面晶向的动态微观强度；
[0011] 二、设计具有不同晶面组合的金刚石玻式压头，根据金刚石玻氏压头加工制造和 使用过程的方向性特点计算出侧面的动态微观抗拉强度；
[0012] 三、基于各侧面计算所得的动态微观抗拉强度，提出研磨强度因子和抗磨损强度 因子的计算评价方法，根据比较计算所得的金刚石玻氏压头棱边和尖端的研磨强度因子、 抗磨损强度因子，实现定性评价压头棱边与尖端的研磨所得钝圆半径差异及其在使用过程 中的抗磨损性能，即研磨强度因子越大，压头研磨加工所得钝圆半径越小，抗磨损强度因子 越大，压头在使用过程中磨损程度越小，且磨损后的钝圆半径越接近研磨加工所得钝圆半 径。
[0013] 本发明的有益效果是：
[0014] 1、本发明提出了一种金刚石玻式压头三个侧面的晶面晶向设计方法，基于金刚石 动态微观抗拉强度理论，建立研磨强度因子和抗磨损强度因子的评价计算方法，评价和预 测压头的尖端与棱边钝圆半径研磨精度以及压头的抗磨损性能，为金刚石玻式压头的设计 提供了科学的理论依据。
[0015] 2、本发明设计的金刚石玻式压头便于找到各个侧面的易磨方向，极大地提高了机 械研磨过程中的加工效率，且研磨所得压头的尖端和棱边钝圆半径较小，纳米硬度测量精 度高，抗磨损性能良好，压头使用寿命高。
[0016] 3、本发明从理论上研究压头侧面的晶面组合对压头尖端钝圆半径、棱边钝圆半径 研磨质量以及压头抗磨损性能的影响，得出合理地安排金刚石压头各个侧面的晶面对于提 高研磨所得压头的尖端与棱边的锋利程度以及提高压头使用寿命具有重要意义。
[0017] 4、本发明基于单晶金刚石晶体任意晶面晶向的动态微观抗拉强度，设计了三种金 刚石玻式压头，为打破国外的技术壁皇、促进我国纳米硬度测量技术的发展，迈出了探究性 的一步。
[0018] 5、经过扫描电子显微镜（SEM)和原子力显微镜（AFM)检测，依据本发明优化设计 的金刚石玻式压头，棱边和尖端钝圆半径可达到30nm以下，优于国际标准ISO 14577的技 术指标要求。
【附图说明】
[0019] 图1是{100}晶面族对任意晶面P的特性叠加影响原理图；
[0020] 图2是{110}晶面族对任意晶面P的特性叠加影响原理图；
[0021] 图3是{111}晶面族对任意晶面P的特性叠加影响原理图；
[0022] 图4是方案I压头晶面设计示意图；
[0023] 图5是方案I压头各侧面动态微观抗拉强度；
[0024] 图6是方案II压头晶面设计示意图；
[0025] 图7是方案II压头各侧面动态微观抗拉强度；
[0026] 图8是方案III压头晶面设计不意图；
[0027] 图9是方案III压头各侧面动态微观抗拉强度；
[0028] 图10是三种方案金刚石玻氏压头尖端强度因子对比，包括研磨过程和使用过程 的尖端强度因子计算结果；
[0029] 图11是三种方案金刚石玻氏压头三条棱边研磨强度因子对比；
[0030] 图12是三种方案金刚石玻氏压头三条棱边抗磨损强度因子对比；
[0031] 图13是方案I的金刚石玻氏压头尖端AFM微观形貌（2X2 μm2);
[0032] 图14是方案II的金刚石玻氏压