[发明专利]一种材料亚表面加工损伤层厚度的评估方法

说明书

技术领域

本发明属于材料表面加工质量评估技术领域，具体讲是涉及一种材料亚表面加工损伤层厚度的评估方法。

背景技术

随着我国在能源、空间、国防装备、集成电路等领域对高精度加工要求的日益提高，各类精密元器件表面加工完整性的评估是满足日益提高的技术指标的基础。表面完整性评估主要包括表面粗糙度、表面轮廓度以及亚表面损伤层厚度等。目前，针对表面粗糙度、表面轮廓度等质量评估的手段较多，如表面粗糙度仪、表面轮廓仪等。针对亚表面加工质量的评估主要可以分为两种：有损伤检测及无损伤检测。

目前，亚表面损伤层厚度的有损伤检测方法大多基于酸性溶液腐蚀的方法。“光学材料亚表面损伤层厚度的测量方法”(申请公布号CN 103017713 A)、“脆性材料亚表面损伤层微裂纹全息反演检测方法”(授权公告号CN 102426170 B)、“一种硬脆性高精元件亚表面损伤程度的表征方法”(申请公布号CN 103163154 A)等专利中均提出一种基于酸腐蚀的测量方法。同时，亚表面损伤层厚度的有损伤检测方法中也包括破坏性的检测手段，如“硬脆性光学材料亚表面损伤层厚度的测量方法”(授权公告号CN 101672625 B)中提出一种基于剖切方法的亚表面损伤层检测方法。亚表面损伤层厚度的无损检测大多利用光学材料的透光性等材料特点进行检测，如“大口径光学元件表面损伤检测装置和相应的检测方法”(申请公布号CN 103674977 A)中则利用光学材料的特性进行检测。

压痕试验是采用压头在材料表面进行印压的一种试验方法，经常用来分析材料的可加工性。Zhang等通过对压痕过程的研究，提出压痕过程中存在一个临界深度，且当压痕深度小于临界深度时，压痕产生的变形主要是以亚表面损伤层内的变形为主；当压痕深度大于临界深度时，压痕产生的变形主要是基体材料(即亚表面损伤层之下的材料)的变形为主(参考文献：Zhang T,Xu W.Surface Effects on Nanoindentation[J].Journal of Materials Research.2002,17(7):1715-1720.)。

亚表面损伤厚度的测量，对于进一步提高材料表面加工质量及加工工艺的优化具有重要意义。为使材料表面具有较高的加工质量，通常需要多道工序。在某道工序完成后，进行下一道工序，且为保证加工质量，后一道工序需完全去除上一工序产生的亚表面损伤层。某一工序加工后所产生的亚表面损伤深度值，即是下一工序材料去除厚度的最小值。为实现亚表面损伤层的完全去除，后一工序的材料去除厚度需大于上一工序产生的亚表面损伤层厚度。同时，后一道工序的材料去除效率通常小于前一道工序，从而加工时间通常较长。判断上一工序产生的亚表面损伤层厚度，对于控制该道工序的加工时间具有重要意义。如若无法对某一工序产生的亚表面损伤层厚度进行评估，则下一工序多采用长时间加工以保证完全去除上一工序产生的亚表面损伤层，即为保证质量而牺牲效率。可以看出，对于材料亚表面损伤层厚度的评估，不但影响材料的加工质量，同时对控制下一工序的加工时间具有重要参考价值，且亚表面损伤层厚度的评估值需不小于其实际值。

现有的亚表面损伤层厚度的有损伤检测方法大多对样品或环境具有较强的破坏性，无损检测手段则对材料自身性能要求较特殊。例如，石墨材料不是光学材料，且新型高性能石墨的耐腐蚀性较强，如何对石墨材料的亚表面损伤厚度进行检测是亟需解决的技术难题。

发明内容

本发明要解决的技术难题是针对目前材料亚表面损伤层厚度无损伤检测困难的现状，克服现有技术的不足，提供一种对样品或环境破坏性小的亚表面加工损伤层厚度的评估方法。

本发明提出的技术方案为一种亚表面加工损伤层厚度的评估方法，其基于压痕试验，通过对不同载荷作用下压头产生的位移变化规律进行亚表面损伤层厚度的评估；其特征在于：其包括如下步骤：

(1)设定压痕载荷：以45μN为起始载荷，以50～200μN为增加量，设定若干个载荷，载荷的终点为1500μN；

(2)进行压痕试验：在材料样品上进行压痕试验，根据所设定的载荷从小至大依次进行加载-卸载试验；记录每个载荷加载-卸载试验中压头产生的最大位移值并进行比较；当所选载荷加载-卸载试验产生的最大位移值较上一载荷加载-卸载试验产生的最大位移值增大量大于50％时，停止压痕试验，则所选载荷所产生的最大位移值为亚表面损伤层厚度评估值；若未出现所选载荷加载-卸载试验产生的最大位移值较上一载荷加载-卸载试验产生的最大位移值增大量大于50％，则进行步骤(3)；