1、/划痕划痕测试基本理论测试基本理论划痕测试应用于划痕测试应用于 定量分析定量分析 材料抗划痕能力材料抗划痕能力 材料膜基结合强度材料膜基结合强度 材料摩擦系数材料摩擦系数 适用领域适用领域 科学研究科学研究 技术开发技术开发 质量控制质量控制/划痕测试划痕测试金刚石针尖以一定的载荷（渐进加载，恒定加载金刚石针尖以一定的载荷（渐进加载，恒定加载 ）模式以恒定速率划）模式以恒定速率划过材料表面过材料表面测量信号测量信号 声发射声发射 穿透深度穿透深度 摩擦力摩擦力材料在某一临界载荷处失效材料在某一临界载荷处失效临界载荷可以由以下信号测量：临界载荷可以由以下信号测量：由仪器自带由仪器自带光学显微镜光
2、学显微镜观察观察 声发射数据声发射数据 (MST 和和 RST)穿透深度数据穿透深度数据 摩擦力数据摩擦力数据Motion ScratchClick Here/划痕测试划痕测试试样试样涂层涂层材料材料厚度厚度 显微结构显微结构测试结果测试结果划痕内部形貌划痕内部形貌划痕外侧堆积划痕外侧堆积试样碎屑剥落试样碎屑剥落试样裂纹形成试样裂纹形成试样涂层剥落试样涂层剥落试样弹性变形试样弹性变形试样塑性变形试样塑性变形摩擦力信号摩擦力信号声发射信号传感器声发射信号传感器FT摩擦力传感器摩擦力传感器PD穿透深度传感器穿透深度传感器/划痕测试划痕测试移动方式移动方式速度速度划痕长度划痕长度单次划痕单次划痕/往
3、复划痕往复划痕自动移动试样台自动移动试样台(dx/dt)正向载荷正向载荷恒定加载恒定加载渐进式渐进式/递减式加载递减式加载FN划痕针头划痕针头材质材质尺寸尺寸几何形状几何形状/划痕测试划痕测试FnPdFtm mAE临界载荷临界载荷12.35 N失效形貌失效形貌应用力学反馈系统，划痕测试才能够根据材料表面形貌精应用力学反馈系统，划痕测试才能够根据材料表面形貌精确地控制正向载荷加载确地控制正向载荷加载所有所有 CSM 划痕测试仪器都具备力学反馈划痕测试仪器都具备力学反馈系统系统/CSM 划痕划痕力学反馈系统力学反馈系统圆柱形试样横截面恒定载荷划痕示例圆柱形试样横截面恒定载荷划痕示例不具备力学反馈不
4、具备力学反馈具备力学反馈具备力学反馈实际载荷不恒定实际载荷不恒定实际恒定载荷实际恒定载荷/CSM 划痕划痕力学反馈系统力学反馈系统0123450123X(mm)Fn(N)-120-100-80-60-40-20020Pd(um)恒定载荷划痕，恒定载荷划痕，0.5N圆柱形试样横截面圆柱形试样横截面正向载荷正向载荷,Fn穿透深度穿透深度,Pd穿透深度受试样表面形貌的影响穿透深度受试样表面形貌的影响/预扫描预扫描实际试样表面形貌实际试样表面形貌 解决方法：预先测量试样表面形貌，用以纠正实际划痕过程中的穿透深度 实施步骤：进行试样形貌的预扫描:应用可以忽略的恒定小载荷 划痕测试前进行 在划痕测试点原位
5、进行/预扫描预扫描实际试样表面形貌实际试样表面形貌00.511.52X(mm)-10-50510Depth(um)Pd预扫描=D1 穿透深度Pd=D2-D1预扫描预扫描0510152000.511.52X(mm)Fn(N)-10-50510Depth(um)D1划痕测试划痕测试0510152000.511.52X(mm)Fn(N)-10-50510Depth(um)D2/预扫描预扫描实际试样表面形貌实际试样表面形貌 无预扫描实际的穿透深度受到试样表面形貌的影响正向载荷为准确值(载荷驱动+力学反馈)具备预扫描正确的穿透深度测量 通过试样实际表面形貌自动纠正穿透深度信号/预扫描预扫描实际试样表面形
6、貌实际试样表面形貌无预扫描无预扫描恒定载荷划痕，恒定载荷划痕，0.5N圆柱形试样横截面圆柱形试样横截面0123450123X(mm)Fn(N)-120-100-80-60-40-20020Depth(um)有预扫描有预扫描0123450123X(mm)Fn(N)-120-100-80-60-40-20020Depth(um)正向载荷正向载荷穿透深度穿透深度材料形貌材料形貌实际穿透深度应为恒定值实际穿透深度应为恒定值/预扫描预扫描实际试样表面形貌实际试样表面形貌 测量划痕的塑性变形塑性变形：残余深度 实施步骤：进行试样形貌的后扫描:应用可以忽略的恒定小载荷 划痕测试后进行 在划痕测试点原位进行/
7、后扫描材料弹塑性后扫描材料弹塑性0510152000.511.52X(mm)Fn(N)-10-50510Depth(um)划痕划痕 D20510152000.511.52X(mm)Fn(N)-10-50510Depth(um)预扫描预扫描D10510152000.511.52X(mm)Fn(N)-10-50510Depth(um)后扫描后扫描D3预扫描预扫描=D1 实际穿透深度实际穿透深度Pd=D2-D1实际残余深度实际残余深度 Rd=D3-D100.511.52X(mm)-10-50510Depth(um)PdRd/后扫描材料弹塑性后扫描材料弹塑性00.511.52X(mm)-10-5051
8、0Depth(um)实际穿透深度实际穿透深度实际残余深度实际残余深度塑性变形塑性变形弹性回弹弹性回弹PdRd/后扫描材料弹塑性后扫描材料弹塑性0246810012345X(mm)Fn(N)-10123456Depth(um)铜铜Cu氮化钛氮化钛TiN正向载荷正向载荷实际穿透深度实际穿透深度实际残余深度实际残余深度0246810012345X(mm)Fn(N)-10123456Depth(um)高弹性比例高弹性比例50%弹性弹性/塑性塑性/后扫描材料弹塑性后扫描材料弹塑性划痕长度划痕长度预扫描预扫描渐进加载模式渐进加载模式划痕测试划痕测试后扫描后扫描200m200m加载加载345678910针头
9、逼近针头逼近12低载荷低载荷扫描扫描/后扫描材料弹塑性后扫描材料弹塑性P.J.Burnett and D.S.Rickerby,Thin Solid Films,154(1987)403-416Thin Solid Films,157(1988)233-254 结合力破坏结合力破坏内聚力破坏内聚力破坏结合力结合力/内聚力内聚力前凸型裂纹前凸型裂纹后凸型裂纹后凸型裂纹/涂层失效特征涂层失效特征Scratch TestElectrolytic hard Cr(7 m)Lc=5 NPVD AISI 316(10 m)Lc=28 N张应力张应力压应力压应力裂纹产生并生长裂纹产生并生长/涂层失效特征涂层
10、失效特征涂层迸裂脱落结合力结合力PACVD DLC(3.3 m)Lc=43 N内聚力内聚力PVD AISI 316-10%N(10 m)Lc=23 N/涂层失效特征涂层失效特征PVD DLC(3.2 m)Lc=51 N塑性磨损/涂层失效特征涂层失效特征临界载荷由以下信号确定：临界载荷由以下信号确定：声发射信号声发射信号 (MST&RST)穿透深度信号穿透深度信号摩擦力信号摩擦力信号当然还有显微镜观察当然还有显微镜观察(双显示屏双显示屏)显微镜观测显微镜观测信号曲线信号曲线抓取图像抓取图像临界载荷临界载荷/选择临界载荷选择临界载荷残余深度残余深度 Rd正向载荷正向载荷 Fn穿透深度穿透深度 Pd
11、摩擦系数摩擦系数m m 摩擦力摩擦力 Ft初始裂纹：45.80mN完全破坏：72.62mN薄膜脱落：55.92mN/选择临界载荷选择临界载荷TiN Coating of 3um(Decorative coating)DLC Coating of 2umTiN Coating of 4um(Cutting tools)/典型划痕失效典型划痕失效04812162000.20.40.60.811.21.41.61.82scratch length(mm)Normal Force(mN)01.534.567.5Depth(m)Pd-APd-BRd-ARd-B20m20m20m20mSample ASa
12、mple BSample ASample BProgressive normal load scratch(0-20 mN)Diamond tip radius=2 mm/典型划痕失效典型划痕失效BetterBetter/典型划痕失效典型划痕失效CSM 划痕测试软件划痕测试软件强大的成像功能强大的成像功能用户界面友好用户界面友好/CSM划痕测试软件划痕测试软件实时分析软件实时分析软件/CSM划痕测试软件划痕测试软件恒定载荷恒定载荷渐进加载渐进加载逐级变化逐级变化划痕阵列划痕阵列载荷变化载荷变化划痕阵列划痕阵列Fn/CSM划痕测试软件划痕测试软件特点：特点：自动进行结果数据统计 用户自定义使用权
13、限设置 多语言支持 双用户通道（用于用户自己定义的数据显示，例如温度、湿度等等）自动测试报告生成器 数据可以由ASCII格式导出/CSM划痕测试软件划痕测试软件Hertz theory(elastic,isotropic,homogeneous,semi-infinite material)0.01.02.03.04.0-2.0-1.00.01.02.00.5x/az/aVon Misesiso-stressesay=0=0max3NERFa43121112212*EEE最大剪切应力最大剪切应力/CSM划痕测试软件划痕测试软件MSTNSTLc=4.73 NLc=27mNIndenter radius:2 mIndenter radius:100 mDLC sample Thickness:200nm/CSM划痕测试软件划痕测试软件/CSM划痕测试软件划痕测试软件X-Z 平面平面xxVM/CSM划痕测试软件划痕测试软件X-Y PlanexxVM/CSM划痕测试软件划痕测试软件
