[发明专利]材料不同深度处的力学性能的测量方法

说明书

本发明属于机械应力测试固体材料的强度特性技术领域，公开了一种应用纳米压痕测试材料不同深度的力学性能的测量方法。该方法步骤包括：(1)将初始样品通过外力作用制备成一个具有斜截面的待测样品；(2)将待测样品固定于能使得斜截面的表面保持水平的物体上，利用扫描电镜原位纳米压痕仪对置于该物体上的待测样品进行压入测试。该方法使得对匀质材料的力学性能测量误差在5％以下，对非匀质材料力学性能测量误差在10％左右。该方法的操作简单且无需建立复杂模型。

技术领域

本发明属于机械应力测试固体材料的强度特性技术领域，具体涉及应用纳米压痕技术测试材料不同深度的力学性能。

背景技术

纳米压痕技术是一种比较常用的在微尺度测试材料力学性能的方法。但是直接利用纳米压痕仪和商用的夹具对离子辐照后的材料力学性能进行分析存在很大的难度。这主要是由于材料经离子辐照后会在其表层产生损伤区域，且损伤区域的深度通常仅为数微米，单能离子产生的损伤以及辐照后材料的硬化程度也与深度相关。此外很多非均质材料，如多层膜、梯度材料中力学性能也依赖于深度。因此需要对辐照后材料不同深度处的力学性质进行分析。

但是传统的纳米压痕技术是直接对样品表面进行压痕测试，对材料不同深度处的力学性能分析是通过不同的压入深度实验实现的，然后根据不同压入深度的力学数据以及硬度随深度变化的模型反推各个深度处的力学性质，因此此种方法严重依赖所采用的硬度-深度模型和参数，测量结果的不确定度较大，对于非匀质材料可达20％以上。目前需要寻求一种精确度高、测试结果误差小的对材料不同深度处的力学性能进行分析的方法。

发明内容

(一)发明目的

根据现有技术所存在的问题，本发明提供了一种测试精度高、不确定度小的材料不同深度处的力学性能的测量方法。

(二)技术方案

为了解决现有技术所存在的问题，本发明提供的技术方案如下：

材料不同深度处的力学性能的测量方法，该方法包括以下步骤：

(1)将厚度为毫米量级的初始样品通过外力作用制备成一个具有斜截面的待测样品；其中该斜截面的斜度根据初始样品表层力学性能的梯度和表层薄区厚度来确定；

(2)将待测样品固定于能使得斜截面的表面保持水平的物体上，利用扫描电镜原位纳米压痕仪对置于该物体上的待测样品进行压入测试，纳米压痕仪的压头垂直压入斜截面的不同位置处；其中硬度测试中的压入深度为100～400nm；并且以一定的距离进行压入实验，该距离的设定以避免压入塑性区之间的互相重叠为准；压入位置对应的材料深度从斜截面角度换算，或在扫描电镜上观察并测量得到。

优选地，步骤(1)中初始样品通过外力作用制备成一个具有斜截面的待测样品的步骤为：利用专门夹具对初始样品进行固定、打磨、抛光，以制备带有斜截面的待测样品；

所述的夹具包括夹具体、样品底座、紧固螺杆、夹具体底座、调节螺杆、固定螺杆；其中样品底座的形状为带有斜平面的直角梯形体，该直角梯形体的梯度与所述斜截面的斜度相适应；夹具体为长方体型，其几何中心处设置有贯穿的长方体型通道，样品底座与该通道的尺寸相适应；夹具体的一侧设置有紧固螺杆，以在水平方向上固定样品底座；夹具体底座位于夹具体下方，夹具体下方设置有用于样品底座高度调节的调节螺杆及用于将夹具体底座固定在夹具体上的固定螺杆；

待测样品制备的步骤为：将初始样品固定在样品底座的斜平面上，且初始样品一侧紧贴斜平面较高的一侧处，然后将样品底座置入夹具体的长方体型空洞内，通过调节螺杆调整样品底座的高度，使得初始样品紧贴斜平面较高的一侧处高出夹具体表面0.5～1mm，另一侧位于夹具体内；对初始样品较高一侧的表面进行打磨、抛光，打磨厚度以初始样品紧贴斜平面较高的一侧处与夹具体表面持平为准；