[发明专利]定量表征金属表面硬质薄膜断裂韧性的方法

说明书

本公开提供了一种定量表征金属表面硬质薄膜断裂韧性的方法，属于材料力学性能测试技术领域。该方法包括施加实际载荷于球形压头，获取硬质薄膜的实际压痕及实际最大开裂半径；根据球形压头和硬质薄膜基体实体体系的几何尺寸和材料性能参数，建立有限元分析模型；根据实际载荷的施加方式，施加模拟载荷于有限元分析模型，获取硬质薄膜模型的模拟压痕和模拟压痕的中心位置沿模拟压痕半径方向上的应变分布信息；获取模拟最大开裂半径，模拟最大开裂半径与实际最大开裂半径相等，并获得模拟压痕中模拟最大开裂半径对应位置处的最大主应力；根据最大主应力获得硬质薄膜的断裂韧性。该方法实现了对基体表面硬质薄膜断裂韧性的定量表征。

技术领域

本公开涉及材料力学性能测试技术领域，尤其涉及一种定量表征金属表面硬质薄膜断裂韧性的方法。

背景技术

硬质薄膜因具有优异的机械性能和良好的物化性能，已广泛应用于金属零部件的表面强化。通常气相沉积硬质薄膜的厚度仅有数个微米，但随着核电、航空和深海等新兴领域对硬质薄膜厚度及性能要求的不断提高，已研发出了众多新型硬质薄膜体系，膜层厚度可达数十微米乃至数百微米。在硬质薄膜沉积过程中，随着膜层厚度的增加，内应力逐步累积，薄膜内聚强度和断裂韧性大大降低。在实际应用中，受交变载荷的循环作用，韧性较差的薄膜极易发生开裂，失去对金属基体的保护。因此，薄膜断裂韧性的准确测量，可提前对镀膜零部件的服役行为作到有效预估，以避免事故的发生。

目前，薄膜断裂韧性测量多采用压痕法，主要包括维氏压痕法和球形压痕法。其中，维氏压痕法是以一定载荷压入薄膜表面，压痕尖端因接触应力过高将发生开裂，通过测量径向裂纹的长度计算得出薄膜的断裂韧性，但对薄膜断裂韧性进行准确测量前提是需满足裂纹长度大于压痕对角线长度，对于韧性较高的大厚度硬质薄膜通常难以满足此条件。球形压痕法通常引发薄膜碎裂或多以环状裂纹为主要特征，难以形成有效的径向裂纹，故无法通过测量裂纹长度实现对薄膜断裂韧性的量化表征。因此，有必要对目前的断裂韧性测量方法提出改进。

所述背景技术部分公开的上述信息仅用于加强对本公开的背景的理解，因此它可以包括不构成对本领域普通技术人员已知的现有技术的信息。

发明内容

本公开的目的在于提供一种定量表征金属表面硬质薄膜断裂韧性的方法，该方法实现了对基体表面硬质薄膜断裂韧性的定量表征。

为实现上述发明目的，本公开采用如下技术方案：

根据本公开的第一个方面，提供一种定量表征金属表面硬质薄膜断裂韧性的方法，包括：

施加实际载荷于球形压头，使所述球形压头压入硬质薄膜基体实体体系内致使硬质薄膜开裂，获取所述硬质薄膜的实际压痕及所述实际压痕的实际最大开裂半径；

根据所述球形压头的几何尺寸和材料性能参数，以及所述硬质薄膜基体实体体系的几何尺寸和材料性能参数，建立有限元分析模型；

根据所述实际载荷的施加方式，施加模拟载荷于所述有限元分析模型，获取所述有限元分析模型中硬质薄膜模型的模拟压痕和所述模拟压痕的中心位置沿所述模拟压痕半径方向上的应变分布信息；

比较所述模拟压痕和所述实际压痕，获取所述模拟压痕的模拟最大开裂半径，所述模拟最大开裂半径与所述实际最大开裂半径相等，并根据所述应变分布信息，获得所述模拟压痕中所述模拟最大开裂半径对应位置处的最大主应力；

根据所述最大主应力获得硬质薄膜的断裂韧性。

在本公开的一种示例性实施例中，施加实际载荷于球形压头，使所述球形压头压入硬质薄膜基体实体体系内致使硬质薄膜开裂，获取所述硬质薄膜的实际压痕及所述实际压痕的实际最大开裂半径包括：

将所述球形压头和所述硬质薄膜基体实体体系安装于压入仪；