發(fā)布時間：2016-04-28 09:39

第 1 章  緒  論

對于納米硬度技術(shù)來說，要獲得納米尺度的壓痕或劃痕，除了高精度的測試儀器、良好的測試環(huán)境以及符合要求的樣品表面以外，還需要高精度的金剛石壓頭。其中玻氏壓頭是目前大多數(shù)儀器化納米壓痕試驗所使用的壓頭，與其它壓頭相比，它可以加工得非常尖銳，并且即使在很小的深度范圍內(nèi)，這種壓頭的形貌與理想壓頭的偏差也較小，非常適合壓入深度不大的壓痕試驗。由于目前壓頭研磨水平的限制，即便是高精度玻氏壓頭的尖端也具有一定的鈍化，習(xí)慣上將尖端鈍化區(qū)域看做球面[3]。在相同的深度下，非理想壓頭的橫截面面積大于理想壓頭的橫截面面積，而這將造成很多負面影響。例如用尖端較鈍的壓頭對極薄的膜進行壓痕試驗時，由于所需完全塑性變形的深度較大，而薄膜較薄，因此不能準確測得薄膜的相關(guān)力學(xué)特性；反之，若壓頭尖端鈍圓半徑很小，則獲得可靠硬度測量結(jié)果的壓痕或劃痕深度越小，其能檢測的材料厚度也越薄�？傊饎偸瘔侯^的加工質(zhì)量對材料力學(xué)性能測試結(jié)果具有很大的影響。 目前，金剛石壓頭主要使用機械研磨的方法制造，但由于金剛石具有極高的硬度和耐磨性以及明顯的各向異性，使得制備高精度金剛石壓頭很困難。

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第 2 章  金剛石玻氏壓頭的晶面設(shè)計方法 

2.1  引言

由于天然金剛石刀具前后刀面一般為金剛石晶體(100)和(110)晶面的組合，因此對于金剛石晶體動態(tài)微觀抗拉強度，目前只針對(100)、(110)和(111)這 3 個典型晶面進行了分析。然而金剛石玻氏壓頭的 3 個側(cè)面最多只有 1 個面屬于典型晶面，所以想要用該強度理論來評價金剛石玻氏壓頭，首先需要解決的問題是計算金剛石晶體任意晶面晶向的動態(tài)微觀抗拉強度，然后才能根據(jù)動態(tài)微觀抗拉強度對金剛石玻氏壓頭進行強度評價。哈爾濱工業(yè)大學(xué)李增強學(xué)者在對金剛石材料去除率的研究中采用給{110}和{100}兩個典型晶面族分配權(quán)重系數(shù)的方法求取了非典型晶面族的難磨比值[67]。受其啟發(fā)，本文在計算金剛石晶體任意晶面晶向的動態(tài)微觀抗拉強度時也將采用加權(quán)疊加的方式。 本章將首先簡要介紹金剛石晶體動態(tài)微觀抗拉強度理論，然后以此為基礎(chǔ)推導(dǎo)金剛石晶體任意晶面晶向的動態(tài)微觀抗拉強度，接著通過金剛石晶體研磨效率實驗間接驗證金剛石晶體任意晶面晶向動態(tài)微觀抗拉強度的理論推導(dǎo)結(jié)果，最后基于金剛石晶體動態(tài)微觀抗拉強度建立金剛石玻氏壓頭研磨強度因子和抗磨損強度因子，分別用于評價和預(yù)測不同晶面設(shè)計方案金剛石玻氏壓頭的研磨性能和抗磨損性能。 

2.2  金剛石晶體任意晶面晶向動態(tài)微觀抗拉強度的理論推導(dǎo)

至此，本文從理論上推導(dǎo)了金剛石晶體任意晶面動態(tài)微觀抗拉強度，為了對其有一個直觀的了解，由式(2-10)計算某些晶面的動態(tài)微觀抗拉強度，并將各面的強度計算結(jié)果分別以極坐標的方式繪制于金剛石晶體極射赤平投影圖上，如圖 2-4所示。圖中三角形區(qū)域為圖 2-1 和圖 2-2 中的陰影部分。圖中某些點處的極坐標曲線表示該點所代表晶面的動態(tài)微觀抗拉強度，可以看出具有強烈的各向異性。三角形區(qū)域 3 個頂點所代表的晶面(即 A(100)、B(110)和 C(111)晶面)的動態(tài)微抗拉強度分別表現(xiàn)出 4 次、2 次和 3 次對稱性，三角形區(qū)域 3 條邊上的點所代表的晶面的動態(tài)微觀抗拉強度存在 2 次對稱性，例如晶面 a、c、e，而三角形區(qū)域內(nèi)的點所代表的晶面動態(tài)微觀抗拉強度不存在任何對稱性，例如晶面 b、d。

第 3 章  金剛石玻氏壓頭的機械研磨實驗 .............. 33 
3.1  引言 ............... 33 
3.2  研磨工藝參數(shù)對壓頭鈍圓半徑的影響 ............ 33
3.3  壓頭晶面設(shè)計對鈍圓半徑的影響 .............. 45 
3.4  本章小結(jié) ............... 47 
第 4 章  金剛石玻氏壓頭的抗磨損性能實驗 ...................... 48 
4.1  引言 ............... 48 
4.2  實驗設(shè)備 .................... 48 
4.3  實驗方法與結(jié)果分析 .................... 48
4.4  本章小結(jié) .............................. 54 
第 5 章  金剛石玻氏壓頭的檢測與應(yīng)用 .............. 55 
5.1  引言 ......... 55 
5.2  金剛石玻氏壓頭的精度檢測 ............. 55
5.3  納米壓痕對比試驗 .............. 65 
5.4  本章小結(jié) ..................... 67

第 5 章  金剛石玻氏壓頭的檢測與應(yīng)用 

5.1  引言 

金剛石壓頭幾何形貌對壓痕試驗結(jié)果有直接影響。為了檢測本課題中所制作的金剛石玻氏壓頭是否符合國際標準的要求，采用了多種儀器對壓頭進行了檢測并進行了壓痕試驗。在壓頭鈍圓半徑檢測方面，本章側(cè)重于檢測方法的研究，而具體檢測結(jié)果已經(jīng)在第 3 章和第 4 章中詳細給出，本章不再贅述。 

5.2  金剛石玻氏壓頭的精度檢測
這些模型對圓錐壓頭具有很好的擬合效果，但對于棱錐壓頭擬合的效果并不理想，，其主要的原因是這些面積函數(shù)的基本壓頭幾何模型都屬于圓錐模型，而圓錐的鈍圓只存在于其尖端，因此當(dāng)距離壓頭尖端的高度超過尖端鈍圓的影響區(qū)域時，則壓頭橫截面積不受到影響。而實際上，無論距離壓頭尖端多遠，玻氏壓頭的 3 個棱邊總會有鈍圓的存在，只不過其影響隨著距離的增大而減小。 因此為了得到與實際玻氏壓頭幾何形貌更接近的面積函數(shù)，在建立壓頭模型時考慮了棱邊鈍圓半徑對橫截面積的影響，如圖 5-2 所示。該模型假設(shè)壓頭3條棱邊鈍圓半徑均為 ρ，3 條棱交匯于頂點形成一球面，其尖端鈍圓半徑也為ρ。壓頭側(cè)面與金剛石三棱錐體軸線的夾角為α，對于標準型金剛石玻氏壓頭α=65.03°。壓頭各棱邊與金剛石三棱錐體軸線夾角β=arctan(2tanα)。為了推導(dǎo)壓頭橫截面面積 A隨深度 h 的函數(shù)，將該模型按照 h 范圍的不同分為 3 部分。現(xiàn)分段求取每一部分壓頭的橫截面面積。

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結(jié)   論

本文所做的主要工作總結(jié)如下：（1）以金剛石晶體 3 個典型晶面族的動態(tài)微觀抗拉強度為基礎(chǔ)，從理論上推導(dǎo)了金剛石晶體任意晶面晶向動態(tài)微觀抗拉強度。研磨效率實驗表明，金剛石晶體任意晶面的動態(tài)微觀抗拉強度的各向異性與該面研磨效率的各向異性存在顯著相關(guān)性。該理論不但是金剛石玻氏壓頭設(shè)計方法的理論基礎(chǔ)，還能用于快速、準確地尋找壓頭各個側(cè)面的好磨方向。（2）對影響壓頭鈍圓半徑的各研磨工藝參數(shù)進行了實驗研究，建立的優(yōu)選工藝參數(shù)能穩(wěn)定研磨出鈍圓半徑小于 50nm 的金剛石玻氏壓頭，高精度金剛石玻氏壓頭的國際標準。（3）以金剛石晶體任意晶面晶向動態(tài)微觀抗拉強度為基礎(chǔ)，建立了金剛石玻氏壓頭的晶面設(shè)計方法，并提出采用研磨強度因子和抗磨損強度因子評價和預(yù)具有不同晶面設(shè)計方案的金剛石玻氏壓頭的研磨性能和抗磨損性能。按照最優(yōu)研磨方案設(shè)計的壓頭，研磨所得尖端鈍圓半徑可達到 19-29nm，棱邊鈍圓半徑可達到 11-20nm。綜合考慮研磨精度和抗磨損性能，所推薦的壓頭設(shè)計方案為方案 III。

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參考文獻（略）

本文編號：37877