[发明专利]压痕法测试脆性材料的硬度、断裂韧性和残余应力的装置

说明书

技术领域

本发明属于材料性能表征技术领域，特别涉及一种压痕法测试脆性材料的硬度、断裂韧性和残余应力的装置。具体涉及的是经过对现有的数字图像小负荷维氏硬度计升级改造，不仅能够直接测试材料的显微硬度，而且能直接测试脆性材料和脆性涂层薄膜材料界面体系的断裂韧性及残余应力。

背景技术

在新材料技术领域中，脆性涂层薄膜材料具有许多基底材料所不具备的力、热、光、电、磁以及化学性能，已广泛应用在微电子器件、磁存储器、表面涂层和复合材料等领域，在国民经济中发挥了不可替代的重要作用，产生了巨大的经济效益。但是，由于涂层与基底之间存在较大的材料性能差异，同时在应用中外界因素(如温度变化、疲劳载荷、高温氧化、腐蚀介质等)会逐渐影响涂层与基底的结合性能和强度，最终导致涂层发生不可预知性的剥落破坏而丧失保护功能，甚至可能导致重大事故发生。因此，提高涂层材料界面结合性能是改善先进涂层材料可靠性的重要方法之一。其中，如何有效测试和表征涂层材料体系的显微硬度、表面/界面断裂韧性以及残余应力已成为这项工作中迫切需要解决的关键科学问题。

目前涉及到上述三个材料参数的实验测试方法和装置有：

在材料硬度测试方面，例如吴绍明提出了一种硬度计测试材料的硬度，主要包括：支承构架；支承构架内有空腔和同轴的导向孔(ZL 200420096539.3)。吴吉华等人提出了一种硬度检测方法，检测时先使用不同硬度的试块通过VB软件程序进行硬度计工作曲线(即压痕深度-硬度值曲线)的标定及绘制，然后再对待测工件进行检测，通过将检测得到的压痕深度值代入硬度计工作曲线，从而获得待测工件的硬度值(CN 101893534A)。

在材料断裂韧性方面，陈常青等人报道了一种基于光学的断裂韧性测量方法，通过测量试件的杨氏模量E，厚度方向泊松比v_z，面内泊松比v_xy和试件厚度B，用光学应变测量仪的拍摄装置对裂纹尖端附近区域进行拍照，对试件进行疲劳裂纹预制和加载，直至试件断裂停止，然后进行数值运算，得出J表面；进一步得到反映脆性断裂的K_IC或得到延性断裂韧性值，但需要对裂纹进行连续拍照(CN 101644646A)。周延春等人报道了一种评价陶瓷材料断裂韧性的方法-单边斜切口梁法。采用3×4×36或者3×4×45mm³的条状样品作为测试样品，在表面抛光后，利用机械加工的方法预制一个斜切口，切口的宽度控制在300微米以下，然后用四点弯曲实验方法测试陶瓷材料的断裂韧性。但这种方法需要人为地预制裂纹，容易带来人为因素的影响(CN 101210866A)。吴力航报道了一种无预制裂纹的材料断裂韧性测试试样，由表面光滑的待测材料试样本体和复合在其光滑表面上的一层已知其机械性能参数的、具有较高弹性模量的、可以在加载过程中首先开裂的脆性薄层构成。但必须借助502胶粘剂粘合被测材料和脆性薄层，502胶粘剂的性能和粘结手法可能对测试结果影响较大(CN201196613Y)。

在残余应力测试方面，大部分研究人员主要考虑无损测试或微小损伤测试材料中的残余应力，例如借助于XRD法(CN 101451965A)、冲击压痕法(CN1091825A)、光学全息干涉技术(CN 1415066A)等。这些测试方法专业要求高，仪器设备成本高，有些测试过程繁琐，不利于工厂、企业推广应用。

综上所述，目前缺乏一种高效简便的科学方法和一台尖端的科学仪器同时测试上述三个材料参数，这也极大限制了涂层产品的质量保证和可靠性。主要现状和原因是：现有的检测仪器功能单一或者功能欠缺，需要经过多台实验仪器才可能测得涂层材料的显微硬度、断裂韧性、残余应力等关键材料指标。而且仪器购置成本高，维护费用及测试费用也非常高，更重要的是测试过程繁琐复杂，要求较高的专业背景和分析能力，不利于工厂、企业推广应用，因此亟需发展更优越的测试方法及匹配的科学仪器设备来解决这一关键技术问题。

发明内容

本发明的目的是经过对现有的数字图像小负荷维氏硬度计的升级改造，研发成一台多功能一体化小负荷维氏压痕仪。该仪器不仅直接测试材料的显微硬度，而且能直接测试脆性材料和脆性涂层薄膜材料界面体系的断裂韧性及残余应力。

本发明提供一种压痕法测试脆性材料的硬度、断裂韧性和残余应力的装置，其特征在于，该装置包括机架，其上设置目镜、可升降试验操作平台和调节转轮，在机架内设有加载系统，所述加载系统包括固定支座、杠杆、顶杆、吊杆、中间主轴和第二电机，其中，