高精度金刚石玻氏压头的设计方法及其机械研磨技术研究

发布时间：2016-04-28 09:39

第 1 章  绪  论

对于纳米硬度技术来说，要获得纳米尺度的压痕或划痕，除了高精度的测试仪器、良好的测试环境以及符合要求的样品表面以外，还需要高精度的金刚石压头。其中玻氏压头是目前大多数仪器化纳米压痕试验所使用的压头，与其它压头相比，它可以加工得非常尖锐，并且即使在很小的深度范围内，这种压头的形貌与理想压头的偏差也较小，非常适合压入深度不大的压痕试验。由于目前压头研磨水平的限制，即便是高精度玻氏压头的尖端也具有一定的钝化，习惯上将尖端钝化区域看做球面[3]。在相同的深度下，非理想压头的横截面面积大于理想压头的横截面面积，而这将造成很多负面影响。例如用尖端较钝的压头对极薄的膜进行压痕试验时，由于所需完全塑性变形的深度较大，而薄膜较薄，因此不能准确测得薄膜的相关力学特性；反之，若压头尖端钝圆半径很小，则获得可靠硬度测量结果的压痕或划痕深度越小，其能检测的材料厚度也越薄。总之，金刚石压头的加工质量对材料力学性能测试结果具有很大的影响。 目前，金刚石压头主要使用机械研磨的方法制造，但由于金刚石具有极高的硬度和耐磨性以及明显的各向异性，使得制备高精度金刚石压头很困难。

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第 2 章  金刚石玻氏压头的晶面设计方法 

2.1  引言

由于天然金刚石刀具前后刀面一般为金刚石晶体(100)和(110)晶面的组合，因此对于金刚石晶体动态微观抗拉强度，目前只针对(100)、(110)和(111)这 3 个典型晶面进行了分析。然而金刚石玻氏压头的 3 个侧面最多只有 1 个面属于典型晶面，所以想要用该强度理论来评价金刚石玻氏压头，首先需要解决的问题是计算金刚石晶体任意晶面晶向的动态微观抗拉强度，然后才能根据动态微观抗拉强度对金刚石玻氏压头进行强度评价。哈尔滨工业大学李增强学者在对金刚石材料去除率的研究中采用给{110}和{100}两个典型晶面族分配权重系数的方法求取了非典型晶面族的难磨比值[67]。受其启发，本文在计算金刚石晶体任意晶面晶向的动态微观抗拉强度时也将采用加权叠加的方式。 本章将首先简要介绍金刚石晶体动态微观抗拉强度理论，然后以此为基础推导金刚石晶体任意晶面晶向的动态微观抗拉强度，接着通过金刚石晶体研磨效率实验间接验证金刚石晶体任意晶面晶向动态微观抗拉强度的理论推导结果，最后基于金刚石晶体动态微观抗拉强度建立金刚石玻氏压头研磨强度因子和抗磨损强度因子，分别用于评价和预测不同晶面设计方案金刚石玻氏压头的研磨性能和抗磨损性能。 

2.2  金刚石晶体任意晶面晶向动态微观抗拉强度的理论推导

至此，本文从理论上推导了金刚石晶体任意晶面动态微观抗拉强度，为了对其有一个直观的了解，由式(2-10)计算某些晶面的动态微观抗拉强度，并将各面的强度计算结果分别以极坐标的方式绘制于金刚石晶体极射赤平投影图上，如图 2-4所示。图中三角形区域为图 2-1 和图 2-2 中的阴影部分。图中某些点处的极坐标曲线表示该点所代表晶面的动态微观抗拉强度，可以看出具有强烈的各向异性。三角形区域 3 个顶点所代表的晶面(即 A(100)、B(110)和 C(111)晶面)的动态微抗拉强度分别表现出 4 次、2 次和 3 次对称性，三角形区域 3 条边上的点所代表的晶面的动态微观抗拉强度存在 2 次对称性，例如晶面 a、c、e，而三角形区域内的点所代表的晶面动态微观抗拉强度不存在任何对称性，例如晶面 b、d。

第 3 章  金刚石玻氏压头的机械研磨实验 .............. 33 
3.1  引言 ............... 33 
3.2  研磨工艺参数对压头钝圆半径的影响 ............ 33
3.3  压头晶面设计对钝圆半径的影响 .............. 45 
3.4  本章小结 ............... 47 
第 4 章  金刚石玻氏压头的抗磨损性能实验 ...................... 48 
4.1  引言 ............... 48 
4.2  实验设备 .................... 48 
4.3  实验方法与结果分析 .................... 48
4.4  本章小结 .............................. 54 
第 5 章  金刚石玻氏压头的检测与应用 .............. 55 
5.1  引言 ......... 55 
5.2  金刚石玻氏压头的精度检测 ............. 55
5.3  纳米压痕对比试验 .............. 65 
5.4  本章小结 ..................... 67

第 5 章  金刚石玻氏压头的检测与应用 

5.1  引言 

金刚石压头几何形貌对压痕试验结果有直接影响。为了检测本课题中所制作的金刚石玻氏压头是否符合国际标准的要求，采用了多种仪器对压头进行了检测并进行了压痕试验。在压头钝圆半径检测方面，本章侧重于检测方法的研究，而具体检测结果已经在第 3 章和第 4 章中详细给出，本章不再赘述。 

5.2  金刚石玻氏压头的精度检测
这些模型对圆锥压头具有很好的拟合效果，但对于棱锥压头拟合的效果并不理想，，其主要的原因是这些面积函数的基本压头几何模型都属于圆锥模型，而圆锥的钝圆只存在于其尖端，因此当距离压头尖端的高度超过尖端钝圆的影响区域时，则压头横截面积不受到影响。而实际上，无论距离压头尖端多远，玻氏压头的 3 个棱边总会有钝圆的存在，只不过其影响随着距离的增大而减小。 因此为了得到与实际玻氏压头几何形貌更接近的面积函数，在建立压头模型时考虑了棱边钝圆半径对横截面积的影响，如图 5-2 所示。该模型假设压头3条棱边钝圆半径均为 ρ，3 条棱交汇于顶点形成一球面，其尖端钝圆半径也为ρ。压头侧面与金刚石三棱锥体轴线的夹角为α，对于标准型金刚石玻氏压头α=65.03°。压头各棱边与金刚石三棱锥体轴线夹角β=arctan(2tanα)。为了推导压头横截面面积 A随深度 h 的函数，将该模型按照 h 范围的不同分为 3 部分。现分段求取每一部分压头的横截面面积。

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结   论

本文所做的主要工作总结如下：（1）以金刚石晶体 3 个典型晶面族的动态微观抗拉强度为基础，从理论上推导了金刚石晶体任意晶面晶向动态微观抗拉强度。研磨效率实验表明，金刚石晶体任意晶面的动态微观抗拉强度的各向异性与该面研磨效率的各向异性存在显著相关性。该理论不但是金刚石玻氏压头设计方法的理论基础，还能用于快速、准确地寻找压头各个侧面的好磨方向。（2）对影响压头钝圆半径的各研磨工艺参数进行了实验研究，建立的优选工艺参数能稳定研磨出钝圆半径小于 50nm 的金刚石玻氏压头，高精度金刚石玻氏压头的国际标准。（3）以金刚石晶体任意晶面晶向动态微观抗拉强度为基础，建立了金刚石玻氏压头的晶面设计方法，并提出采用研磨强度因子和抗磨损强度因子评价和预具有不同晶面设计方案的金刚石玻氏压头的研磨性能和抗磨损性能。按照最优研磨方案设计的压头，研磨所得尖端钝圆半径可达到 19-29nm，棱边钝圆半径可达到 11-20nm。综合考虑研磨精度和抗磨损性能，所推荐的压头设计方案为方案 III。

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参考文献（略）

本文编号：37877