薄膜质量评价实验指导书

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1、薄膜质量评价实验指导书一、实验目的1掌握显微硬度的测试原理及方法；2了解薄膜的膜/基结合强度的测试原理及方法;3了解光学显微镜的工作原理；4掌握耐磨减摩性能的测试设备及方法；5了解薄膜质量评价的其他常川方法。二、显微硬度的测试原理及方法1测试原理显微硬度的测试原理是利用压痕单位L&J积上所承受的载荷来表示的。显微硬度测试用的压头有两种：维氏压头和努氏压头。维氏压头为两个相对面的夹角为136°的金刚石正四棱锥压头，如图1所示：这种S微硬度Hv（kg/mm2）的定义为：Hv=1854.4P/d2（1）式中：P—载荷（g）;d—压痕对角线长度（Mm）。努氏压头与维氏压头

2、不同，压头的两个对面角不相等，分别为172.5°和130°,如图2所示；它的压痕长对角线与短对角线的长度之比是7.11。努氏硬度Hk（kg/mm2）的定义为:Hk=14229P/d2阁1维K压尖示意阁阁2努氏压尖示意阁式中：P—载荷（g）;d—压痕长对角线长度（Pm）。显微硬度的单位为kg/mm2吋可以将单位省略。例如Hv300表示显微维氏硬度为300kg/mm2。2显微硬度计的构造显微硬度计由显微镜和硬度计两部分组成。显微镜用来观察显微组织、确定测试部位、测定压痕对角线忪度；硬度计是将一定的载荷加在一定的压头上使压头压入测试部位。显微硬度计主要由支架部分、载物台

3、、加载机构、显微镜系统等四部分组成。支架部分由底座和立柱组成。载物台固定在底座上而的升降轴上，通过载物台升降轮可以控制载物台的商度，通过控制两个螺丝可以控制载物台的前后左右移动。加载机构是显微硬度计的重要组成部分，压头上方的支撑通过两片弹簧固定在立柱上，在支撑的中部套有荷重砝码；支撑平时由托板托住，在加载时使托盘离开就可以通过压头加载到试样表面。显微镜部分巾镜筒、物镜、目镜、照明装置组成，目镜为螺旋式测微目镜。3显微硬度计的测试过程1）实验前的准备工作安装物镜、螺旋测微目镜及压头；检查并调整压痕中心与视场中心是否重合；加载机构的调整。2）试样经加载、卸载后，移动载

4、物台，在目镜屮观察显微硬度的压痕。3）用螺旋测微目镜测定压痕对角线的长度。测量吋，首先移动载物台使试样压痕的左面两边与十字交叉线的右半边重合，记下测微鼓轮的指示数；然后转动测微鼓轮使十字交叉线的左半边与压痕的右面两边重合，在记下测微鼓轮上的读数，两个数之差为压痕对角线的格数，然后乘以鼓轮刻度数即付得到压痕对角线长度。一般是测定两条相互垂直的对角线度再取平均值作为维氏压头压痕对角线的度山努氏压头的压痕对角线长度d取压痕长对角线的长度。4）由压痕对角线的长度通过公式（1）或者（2）求出显微硬度；也可以从压痕对角线长度与显微硬度的对照表得到显微硬度。4影响显微硬度值的因

5、素1）试样的影响在试样的制备过程中会因表面的塑性变形引起加工硬化，这对试样的显微硬度有较大影响，一般要求试样经过抛光呈镜面光滑态。当试样的厚度小于一定值，试样厚度对显微硬度具有一定的影响，随着试样厚度的减小，显微硬度降低。因此，试样厚度应至少为压痕深度的10倍。2）载荷的影响由于弹性变形的回复是材料的一种性能，对于任意大小的压痕其弹性回复量几乎一样,压痕越小弹性回复量的比例越大，S微硬度位也越高。对于同一试样，选用不同的载荷测试得到的结果不完全相同，一般载荷越小硬度伉波动越大。所以对于同一试验最好选择相同的载荷，以减小载荷变化对硬度值的影响。3）加载速度和保荷时间

6、的影响加载速度增快和保荷时间的延长会使压痕增大，显微硬度值降低。一般而言，载荷越小，加载速度和保荷时间的影响也越大，当载荷小于100g时，加载速度应为1-20um4）硬质薄膜硬度的测试对于硬质薄膜而言，由于薄膜的硬度高于基体硬度和薄膜的硬度较薄，如果载荷过人则不能使得薄膜的厚度大于压痕的深度的十倍，如果载荷过小则容易造成测量的误差太大，因此要求薄膜具有一定的厚度和选择合适的载荷非常重要。三、膜/基结合强度的测试原理及方法1测试原理将一根尖端半径已知的硬针（通常为金刚石圆锥压头）垂直地放在薄膜表酣，在其上逐渐加大垂直载荷并使其沿着膜面运动，直到把薄膜刻划下來。一般把

7、刚刚能将薄膜刻划下來的载荷成为临界载荷，并用来作为膜/基结合强度的一种量度。通常用两种检测模式来确定临界载荷：一种是利用声发射方法，当划针将薄膜划破或剥落吋会发出微弱的声信号，由此可以得到薄膜的膜/基结合强度，主要适用于2-7um的硬质薄膜的膜/基结合强度的检测；另一种是利用切向力方法，当划针将薄膜划破或剥落时摩擦系数将发生明显变化，切向力由此发生变化，由此可以得到薄膜的膜/基结合强度，主要适用于2um以下的硬质薄膜的膜/蒽结合强度的检测。2划痕实验机的结构WS-92型划痕实验机由主机、控制箱、计算机和外设组成，如图3所示。主机是划痕实验机的关键部分，主要由加载梁

8、、加载系统