[发明专利]一种无残余应力薄膜及其制备方法和在纳米压痕法中应用

说明书

本发明公开了一种无残余应力薄膜，该薄膜主要用于压痕法计算残余应力的大小，是一种金属薄膜，所述金属薄膜是通过物理气相沉积或化学气相沉积将该薄膜溅射或沉积在单晶晶体上，随后去除晶体而得到。本发明还公开了该无残余应力薄膜的制备方法和在纳米压痕法中的应用。本发明获得的无残余应力的试样薄膜与基底结合的界面应力完全去除，且纳米压痕试验过程中，薄膜能够无底面支撑，以防底面对测量结果产生影响。该无残余应力的薄膜大大提高了纳米压痕测试法Suresh理论模型的适应性和实用性。

技术领域

本发明涉及材料测试技术研究领域，具体的涉及一种无残余应力薄膜及其制备方法和在纳米压痕法中应用。

背景技术

构件在制造加工过程中的各种工艺因素以及加工过程的不均匀塑性变形，温度的升降和化学或物理化学变化等会促使残余应力的产生。纳米压痕试验法是一种较新的残余应力测试方法，具有极高的力分辨率和位移分辨率，测量过程对工件所造成的破坏小，测量方便、迅速，而且标距很小，适于应力梯度变化大的场合。目前，基于纳米压痕测试法的模型有Suresh理论模型、Yun-Hee模型、Swadener理论以及Xu模型等，其中Suresh理论模型最为常用。但是Suresh理论模型中的无应力试样很难获得，该技术意在获得无残余应力的薄膜试样，以便计算薄膜的残余应力。

Suresh理论模型是使用尖锐压头来测量材料表面残余应力和残余塑性应变的一种方法。该方法假设残余应力和残余塑性应变在至少比压痕大几倍的深度下是等双轴的、均一的，并假设残余应力对材料的硬度无影响，其假设模型如下式所示。

我们都知道，材料中存在的残余应力分为残余拉应力和残余压应力，下面分两种情况进行介绍，当存在残余拉应力时，固定载荷大小时，残余应力的计算公式为(1-2)，固定压痕深度时残余应力的计算公式为(1-3)。

式中：H-材料硬度；h₀，h分别为无残余应力和有残余应力时的压深大小。A₀-无残余应力时的压痕面积；A为有残余应力时材料表面的压痕面积。当材料中存在残余压应力时，固定载荷大小时，残余应力的计算公式为(1-4)，固定压痕深度时残余应力的计算公式为(1-5)。

其中，α为锥形压头表面与接触材料表面的夹角。对于Berkovich压头，α＝24.7°。因压应力会促使压头与试样接触，因此需要引入sinα，而不能直接改变式(1-2)和(1-3)中的符号来直接计算残余压应力的数值，然后根据图1中曲线的相对位置去判断残余应力的符号。

Suresh模型的不足之处在于计算模型中要求无残余应力的参考试样，但无残余应力的试样很难得到。一些科研人员利用线切割的方法，将涂层从基底上切除下来，获得无应力试样，还有一些人将制备好的涂层进行退火处理，获得无应力试样。但这两种方法都有一定的缺陷，首先线切割方法不能将涂层与基底完整的剥离，而且机加工过程的挤压、摩擦，产热等会使涂层产生新的残余应力；退火也不能完全去除其内部的应力，特别是界面应力。

发明内容

为了解决获得无残余应力薄膜用于纳米压痕法，本发明的目的是提供一种无残余应力薄膜。

本发明的另一目的是提供一种无残余应力薄膜的制备方法。

本发明的还一目的是提供一种无残余应力薄膜在纳米压痕法中的应用。

为了实现本发明的目的，首先，本发明提供了一种无残余应力薄膜，该薄膜主要用于压痕法计算残余应力的大小，是一种金属薄膜，所述金属薄膜是通过物理气相沉积或化学气相沉积将该薄膜溅射或沉积在单晶晶体上，随后去除晶体而得到。

进一步地，本发明提供了一种无残余应力薄膜的制备方法，其具体步骤如下：