[发明专利]一种测量多相多孔隙材料弹性模量的方法

说明书

本发明涉及一种测量多相多孔隙材料弹性模量的方法，方法将微压痕三步定位、纳米压入测试和配分计算相结合，首先通过微压痕三步定位法和纳米压入技术，对多相多孔隙材料中各组成相的弹性模量进行精确测量，然后结合多相多孔隙材料中各组成相和孔隙的体积占比，最后通过体积配分计算出多相多孔隙材料整体弹性模量。本方法将纳米压入技术应用到测量多相多孔隙材料整体弹性模量的方法中，并且具有较高的精度。本发明的方法既适用于各类硬质合金及硬质合金涂层，对于金属或非金属材料中含有多相多孔隙的组合材料也同样适用。

技术领域

本发明涉及一种多相多孔隙材料弹性模量的测试方法，尤其是，本发明涉及一种测量多相多孔隙材料弹性模量的微压痕三步定位、纳米压入测试和配分计算相结合的方法。

背景技术

多相多孔隙材料指的是由两种或两种以上组成相均匀或者不均匀分布组合并且相与相之间含有大量孔隙(孔隙体积占比5％以上)的材料。以硬质合金材料和硬质合金涂层材料为代表，该类材料中往往都包含有金属粘结相作为粘结剂，在硬质化合物提高材料耐磨性的同时，金属黏结相也能保证材料的韧性不会降低，是解决材料发展中的一对矛盾材料硬度和耐磨性愈高,强度及韧性就愈低的很好方法。此外，材料的多孔隙结构虽然会导致力学性能和耐腐蚀性能不如致密金属，但有些性能如热交换能力、电化学活性、催化作用等却因比表面增大而比致密金属好得多。更重要的是多孔隙结构还会使得材料具有一系列致密金属所没有的功能，如孔隙能透过气、液介质，能吸收能量，或起缓冲作用。

如上所述，这类材料以硬质合金材料和硬质合金涂层材料为代表，它们基本都是由一种或多种硬质相通过金属黏结相组合而成，且在制备过程中含有大量的孔隙，这些组成相的弹性模量及相比例(通常指体积占比)对整个材料的宏观弹性模量具有决定性的影响。目前，测量组织均匀的材料弹性模量主要有静态法、动态法以及其他方法三大类。其中静态法包括：静载拉伸法、弯曲试验法、鼓起试验法……；动态法包括：共振频率法(单悬臂弯曲共振法、悬丝耦合弯曲共振法和自由梁弯曲共振法)和表面波法……；随着科技的进步，一些测量材料弹性模量的其他方法开始涌现，包括：纳米压入法、数字图像法(DIC)、数值模拟计算法……。对于多相多孔隙材料而言显然并不是所有方法都能适用，其中测量多相多孔隙材料较为普遍地方法主要有静态拉伸法和共振频率法。

纳米压入技术由于具有无损、可以在很小的局部范围测试材料的力学性能等优点，近年来在材料的微观力学性能研究方面得到了广泛的应用。它可通过连续测控作用在压头上的载荷和位移并分析测得的载荷-位移数据来得到材料的杨氏模量、硬度、屈服强度、加工硬化指数等力学性能参量。由于压头作用面积非常微小，所以该方法在测试材料微区力学性能方面展现出独特的优势。

但是正是由于压头压出的微压痕面积极小(一般在1μm以内)，现有纳米压痕仪的分辨率不足以确定微压痕在样本表面的准确位置，而扫描电子显微镜虽然放大倍数和分辨率均能满足要求，但是却很难快捷准确地捕捉或者定位到微压痕，二者之间在使用时存在脱节问题，导致纳米压入技术在测量不均匀组织材料时很难确定压头压在哪些组织上。因此，实际操作中很难将纳米压痕仪和扫描电子显微镜的优点结合起来，这就极大程度地限制了纳米压入技术在多相多孔隙材料中的应用。

发明内容

本发明的目的如下：

本发明的第一目的是：提供一种测量多相多孔隙材料弹性模量的测试方法。该方法将微压痕三步定位、纳米压入测试和配分计算相结合。

本发明的第二目的是：提供一种微压痕三步定位法。通过微压痕三步定位法，既能精准设置纳米压入点阵位置，又能精准快捷地在扫描电子显微镜下观察到各微压痕形貌以及判断每次压入测试的落点位置，即判断压入点位于多相材料中的哪一组成相上。

本发明的第三目的是：提供一种提取多相多孔隙材料各组成相和孔隙体积占比的方法，通过图像二值化的方法，将所需计算相和其余相区分开，通过面积占比代替体积占比，解决了提取整个材料中各组成相体积占比复杂繁琐的问题。