[发明专利]仪器化微米压入测试材料杨氏模量的方法

说明书

技术领域

本发明属于材料力学性能测试领域。具体涉及一种利用仪器化压入仪和金刚石锥形压头(Berkovich压头、Vickers压头或圆锥压头(圆锥半角为70.3°))在微米测量尺度(压入深度大于1微米)上测量材料杨氏模量的方法。

背景技术

随着表面改性材料、薄膜材料、MEMS(微电子微机械系统)材料、复合材料、纳米材料等领域的快速发展，表面、界面及微尺度材料的工作可靠性由于面临苛刻工作条件的挑战，越来越引起人们的重视，成为国内外研究的热点。然而受尺寸限制，传统的材料力学性能测试技术及手段已经无法满足上述材料的力学性能测试需要，使得材料微区力学性能的测试成为亟待解决的关键问题。

仪器化压入技术是在传统布氏硬度和维氏硬度试验基础上发展起来的一种微区和非破坏性的新的材料力学性能测试技术，它可以高精度的同步测试和记录各种几何形状的压头压入试样及撤离试样时的载荷与位移数据，从而可以提供比传统硬度试验更多的反映被测试材料力学性能的有用信息，这为材料诸多基本力学性能参数的识别提供了重要的技术手段。1992年美国商用仪器化纳米压入仪的发明人W.C.Oliver与Rice大学教授G.M.Pharr共同提出了著名的基于仪器化压入测试技术确定材料杨氏模量的经典方法，即Oliver&Pharr方法。尽管该方法目前已经在各类商用仪器化压入仪中获得广泛使用，但该方法的理论基础是小变形弹性理论，即不考虑被测试材料在压头压入加载时的塑性行为和几何变形，这与真实材料的压入行为明显不符。正是由于忽略了材料物理和几何非线性，使得该方法在应用于低硬化水平的被测材料时，可以导致被测材料的杨氏模量严重偏离其真值。因此精度不高是目前各类商用仪器化压入仪存在的突出问题。

针对上述被测材料的杨氏模量难以精确测量的问题，本发明提供一种使用仪器化微米压入技术测试材料杨氏模量的方法。

发明内容

本发明的目的之一是提供一种仪器化微米压入测试材料杨氏模量的方法，该方法只需利用压入加载功、卸载功以及名义硬度便可确定被测试材料的杨氏模量。该方法在工业上是可行的且非常有效。

为了实现上述目的，本发明采用如下的技术方案：

一种仪器化微米压入测试材料杨氏模量的方法，该方法使用仪器化微米压入加载功、卸载功以及名义硬度来测定被测试材料的杨氏模量，具体包括以下步骤：

1)利用仪器化压入仪和金刚石锥形压头对被测试材料表面实施压入深度h_m不小于1微米的垂直压入，获得被测试材料的载荷-位移曲线；

2)根据被测试材料的载荷-位移曲线计算出名义硬度H_n≡P_m/A(h_m)；其中，P_m为最大压入载荷，h_m为对应最大压入载荷时的最大压入深度，A(h_m)为对应最大压入深度时的压头横截面积，当最大压入深度h_m≥3μm时，A(hm)=24.5hm2;]]>而当1μm≤h_m≤3μm，A(h_m)应该根据压头的面积函数来确定；

3)通过分别积分加载曲线和卸载曲线计算压入加载功W_t、卸载功W_e，并在此基础上计算出压入比功W_e/W_t；