一種用來(lái)獲得無(wú)殘余應(yīng)力薄膜的薄膜支架的制作方法
【專(zhuān)利說(shuō)明】一種用來(lái)獲得無(wú)殘余應(yīng)力薄膜的薄膜支架
[0001]
技術(shù)領(lǐng)域
[0002]本發(fā)明涉及機(jī)械模具技術(shù)領(lǐng)域，具體的涉及一種用來(lái)獲得無(wú)殘余應(yīng)力薄膜的薄膜支架。
【背景技術(shù)】
[0003]殘留應(yīng)力(Residual Stress)構(gòu)件在制造過(guò)程中，將受到來(lái)自各種工藝等因素的作用與影響；當(dāng)這些因素消失之后，若構(gòu)件所受到的上述作用與影響不能隨之而完全消失，仍有部分作用與影響殘留在構(gòu)件內(nèi)，則這種殘留的作用與影響。也稱(chēng)殘余應(yīng)力。殘余應(yīng)力是當(dāng)物體沒(méi)有外部因素作用時(shí)，在物體內(nèi)部保持平衡而存在的應(yīng)力。凡是沒(méi)有外部作用，物體內(nèi)部保持自相平衡的應(yīng)力，稱(chēng)為物體的固有應(yīng)力，或稱(chēng)為初應(yīng)力，亦稱(chēng)為內(nèi)應(yīng)力。
[0004]對(duì)于殘余應(yīng)力測(cè)試的儀器有殘余應(yīng)力分析儀，其原理是基于布拉格方程2dsin θ =ηλ:即一定波長(zhǎng)的X射線照射到晶體材料上，相鄰兩個(gè)原子面衍射時(shí)的X射線光程差正好是波長(zhǎng)的整數(shù)倍。通過(guò)測(cè)量衍射角變化△ Θ從而得到晶格間距變化△(!，根據(jù)胡克定律和彈性力學(xué)原理，計(jì)算出材料的殘余應(yīng)力。一般在實(shí)際操作時(shí)采用盲孔法殘余應(yīng)力測(cè)量、磁測(cè)法殘余應(yīng)力測(cè)量和X射線衍射殘余應(yīng)力測(cè)量。
[0005]薄膜殘余應(yīng)力產(chǎn)生的原因分類(lèi)有:(I)熱應(yīng)力，鑄件各部分的薄厚是不一樣的，如機(jī)床床身導(dǎo)軌部分很厚，側(cè)壁筋板部分較?。昏T后，薄壁部分冷卻速度快收縮大，而厚壁部分，冷卻速度慢，收縮的小。薄壁部分的收縮受到厚壁部分的阻礙，所以薄壁部分受拉力，厚壁部分受壓力。因縱向收縮差大，因而產(chǎn)生的拉壓也大。這時(shí)鑄件的溫度高，薄厚壁都處于塑性狀態(tài)，其壓應(yīng)力使厚壁部分變粗，拉應(yīng)力使薄壁部分變薄，拉壓應(yīng)力，隨塑性變形而消失。鑄件逐漸冷卻，當(dāng)薄壁部分進(jìn)入彈性狀態(tài)而厚壁部分仍處于塑性時(shí)，壓應(yīng)力使厚壁部分產(chǎn)生塑性變形，繼續(xù)變粗，而薄壁部分只是彈性拉長(zhǎng)，這時(shí)拉壓應(yīng)力隨厚壁部分變粗而消失。鑄件仍繼續(xù)冷卻，當(dāng)薄厚壁部分進(jìn)入彈性區(qū)時(shí)，由于厚壁部分溫度高，收縮量大。但薄壁部分阻止厚壁部分收縮，故薄壁受壓應(yīng)力，厚壁受拉應(yīng)力。應(yīng)力方向發(fā)生了變化。這種作用一直持續(xù)到室溫，結(jié)果在常溫下厚壁部分受拉應(yīng)力，薄壁部分受壓應(yīng)力。這個(gè)應(yīng)力是由于各部分薄厚不同。冷卻速度不同，塑性變形不均勻而產(chǎn)生的，叫熱應(yīng)力。
[0006](2)相變應(yīng)力
常用的鑄鐵含碳量在2.8-3.5%，屬于亞共晶鑄鐵，在結(jié)晶過(guò)程中:厚壁部分在1153°C共晶結(jié)晶時(shí)，析出共晶石墨，產(chǎn)生體積膨脹，薄壁部分阻礙其膨脹，厚壁部分受壓應(yīng)力，薄壁部分受拉應(yīng)力。厚壁部分因溫度高，降溫速度快，收縮快，所以厚壁逐漸變?yōu)槭芾瓚?yīng)力。而薄壁與其相反。在共析(738°C)前的收縮中，薄厚壁均處于塑性狀態(tài)，應(yīng)力雖然不斷產(chǎn)生，但又不斷被塑性變形所松弛，應(yīng)力并不大。當(dāng)降到738°C時(shí)，鑄鐵發(fā)生共析轉(zhuǎn)變，由面心立方，變?yōu)轶w心立方結(jié)構(gòu)(既γ-Fe變?yōu)閍-Fe)，比容由0.124cm3/g增大到0.127cm3/g。同時(shí)有共析石墨析出，使厚壁部分伸入，產(chǎn)生壓應(yīng)力。上述的兩種應(yīng)力，是在1153°C和738°C兩次相變而產(chǎn)生的，叫相變應(yīng)力。相變應(yīng)力與冷卻過(guò)程中產(chǎn)生的熱應(yīng)力方向相反，相變應(yīng)力被熱應(yīng)力抵消。在共析轉(zhuǎn)變以后，不再產(chǎn)生相變些力，因此鑄件由與薄厚冷卻速度不同所形成的熱應(yīng)力起主要作用。
[0007](3)收縮應(yīng)力(亦叫機(jī)械阻礙應(yīng)力)
鑄件在固態(tài)收縮時(shí)，因受到鑄型型芯澆冒口等的阻礙作用而產(chǎn)生的應(yīng)力叫收縮應(yīng)力。由于各部分由塑性到彈性狀態(tài)轉(zhuǎn)變有先有后，型芯等對(duì)收縮的阻力將在鑄件內(nèi)造成不均勻的的塑性變形，產(chǎn)生殘余應(yīng)力。收縮應(yīng)力一般不大，多在打箱后消失。
[0008]納米壓痕試驗(yàn)方法是在傳統(tǒng)的布氏和維氏硬度實(shí)驗(yàn)方法的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的新興的力學(xué)性能試驗(yàn)方法，它通過(guò)連續(xù)控制和記錄加卸載時(shí)的載荷和位移數(shù)據(jù)，以得到材料壓痕硬度、楊氏模量、壓痕蠕變、壓痕松弛和斷裂韌性等力學(xué)性能指標(biāo)。這是一種先進(jìn)的微尺度的力學(xué)測(cè)量技術(shù)。它是通過(guò)測(cè)量作用在壓針上的載荷和壓入樣品表面的深度來(lái)獲得材料的載荷-位移曲線。其壓入深度一般控制在微/納米尺度，因此要求測(cè)試儀器的位移傳感器具有優(yōu)于Inm的分辨率，所以稱(chēng)之為納米壓痕儀。
[0009]目前，基于納米壓痕測(cè)試法的模型有Suresh理論模型、Yun-Hee模型、Swadener理論以及Xu模型等，其中Suresh理論模型最為常用。但是Suresh理論模型中的無(wú)應(yīng)力試樣很難獲得，該技術(shù)意在獲得無(wú)殘余應(yīng)力的薄膜試樣，以便計(jì)算薄膜的殘余應(yīng)力。
[0010]Suresh模型的不足之處在于計(jì)算模型中要求無(wú)殘余應(yīng)力的參考試樣，但無(wú)殘余應(yīng)力的試樣很難得到。一些科研人員利用線切割的方法，將涂層從基底上切除下來(lái)，獲得無(wú)應(yīng)力試樣，還有一些人將制備好的涂層進(jìn)行退火處理，獲得無(wú)應(yīng)力試樣。但這兩種方法都有一定的缺陷，首先線切割方法不能將涂層與基底完整剝離，而且機(jī)加工過(guò)程的擠壓、摩擦，產(chǎn)熱等會(huì)使涂層產(chǎn)生新的殘余應(yīng)力；退火也不能完全去除其內(nèi)部的應(yīng)力，特別是界面應(yīng)力。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0011]為了解決獲得無(wú)殘余應(yīng)力薄膜用于納米壓痕法，本發(fā)明旨在提供一種用來(lái)獲得無(wú)殘余應(yīng)力薄膜的薄膜支架。
[0012]為了實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的目的，其是通過(guò)以下技術(shù)方案加以實(shí)現(xiàn):
一種可用來(lái)獲得無(wú)殘余應(yīng)力薄膜的薄膜支架包括底架和固定架兩部分；
所述底架為矩形臺(tái)，其中間開(kāi)有凹槽，所述凹槽底部開(kāi)有第一通孔；
所述固定架與所述底架上的凹槽相匹配，固定架上開(kāi)有第二通孔，所述第一通孔與第二通孔都為同心圓結(jié)構(gòu)。
[0013]優(yōu)選地，所述凹槽為矩形凹槽。
[0014]優(yōu)選地，所述凹槽為正方形凹槽。
[0015]優(yōu)選的，所述第一通孔和/或第二通孔為圓形通孔。
[0016]優(yōu)選地，所述第一通孔和第二通孔大小相同。
[0017]本發(fā)明的有益效果如下:
本發(fā)明提供的薄膜支架結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、操作方便，能夠輕松方便地獲得無(wú)殘余應(yīng)力的薄膜試樣；同時(shí)制備上述薄膜支架成本低、易實(shí)現(xiàn)。
【附圖說(shuō)明】
[0018]圖1底架不意圖；
圖2固定架不意圖；
附圖標(biāo)記1-底架、2-固定架、10-矩形臺(tái)、11-凹槽、13-第一通孔、21-第二通孔。
【具體實(shí)施方式】
[0019]下面結(jié)合說(shuō)明書(shū)附圖及其【具體實(shí)施方式】詳細(xì)介紹本發(fā)明的技術(shù)方案。但本發(fā)明的保護(hù)范圍并不局限于以下實(shí)例，應(yīng)包含權(quán)利要求書(shū)中的全部?jī)?nèi)容。
[0020]實(shí)施例1薄膜支架結(jié)構(gòu)
如說(shuō)明書(shū)附圖1和2所示，本實(shí)施例中提供的薄膜支架包括底架⑴和固定架(2)兩部分；所述底架(I)為矩形臺(tái)(10)，其中間開(kāi)有凹槽(11)，所述凹槽(11)底部開(kāi)有第一通孔(13);本實(shí)施例中選用的正方形臺(tái)底架是為了方便操作，本領(lǐng)域技術(shù)人員在此基礎(chǔ)上改進(jìn)的如棱形臺(tái)、圓臺(tái)等亦屬本發(fā)明的保護(hù)范圍。
[0021]上述實(shí)施例中，底架⑴的尺寸為15X15X6mm(長(zhǎng)X寬X高)；正方形凹槽(13)的尺寸為10X10X1.5mm(長(zhǎng)X寬X高)，第一圓形通孔(13)的Rl (直徑)為3.5mm;固定架(2)的尺寸為1X 1X 1.5mm(長(zhǎng)X寬X高)，第二圓形通孔(21)的R2 (直徑)為3.5mmο
[0022]所述固定架(2)正好與所述底架(I)上的凹槽(11)相匹配，其上開(kāi)有第二通孔
(21)，所述第一通孔(13)與第二通孔(21)為同心圓結(jié)構(gòu)。本實(shí)施例中選用的與底架(I)上的凹槽(11)相匹配的固定架(2)也是為了方便操作。本領(lǐng)域技術(shù)人員在此基礎(chǔ)上改進(jìn)的其他如略高或略底低于凹槽(11)的固定架(2)亦屬本發(fā)明的保護(hù)范圍。
[0023]進(jìn)一步地，為了使薄膜試樣放置和取出方便，在另一實(shí)施例中所述凹槽(11)設(shè)計(jì)為矩形凹槽；更優(yōu)選地，設(shè)計(jì)成正方形凹槽。
[0024]在上述具體實(shí)驗(yàn)中，為了使薄膜試樣在納米壓痕儀中操作方便。在其余實(shí)施例中將第一通孔(13)和第二通孔(21)設(shè)計(jì)為圓形通孔，同時(shí)第一通孔(13)和第二通孔(21)大小相同。
[0025]薄膜支架試驗(yàn)過(guò)程將試樣放置于正方形凹槽(13)處，待基底去除后，將固定架
(2)蓋到薄膜上，讓其固定。中間通孔圓形區(qū)域薄膜裸露以便用于壓痕測(cè)試。
[0026]薄膜支架的應(yīng)用銅薄膜的制備工藝
在雙面拋光的NaCl基底上，采用直流磁控濺射方法制備50nm厚度的金屬銅薄膜。制備前NaCl基底經(jīng)99%(wt%)丙酮清洗后，用Ar離子清洗10分鐘。磁控濺射的本底真空為2X 10_4Pa，直流偏壓為15V，Ar氣壓力為0.5Pa，濺射速率為10nm/min，濺射溫度為70°C，濺射時(shí)間為15min，濺射材料為純度99.9999%的Cu靶。
[0027]無(wú)殘余應(yīng)力薄膜的制備方法
取兩個(gè)NaCl作為基底的試樣，一個(gè)放于實(shí)施例1自制薄膜支架上，并靜置于去離子水與乙醇的體積比為2: 9混合溶液中。溶液的高度最好距離高于薄膜支架底架頂端2mm。另一個(gè)NaCl試樣作為對(duì)照。當(dāng)實(shí)驗(yàn)組和對(duì)照組中NaCl完全溶解，把薄膜和薄膜支架的底架一起取出，吹干。再將薄膜支架的固定架覆蓋在底架上面，固定式樣，即獲得無(wú)應(yīng)力的薄膜試樣。
[0028]以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式，應(yīng)當(dāng)指出，對(duì)于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來(lái)說(shuō)，在不脫離本發(fā)明技術(shù)原理的前提下，還可以做出若干改進(jìn)和潤(rùn)飾，這些改進(jìn)和潤(rùn)飾也應(yīng)視為本發(fā)明的保護(hù)范圍。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種用來(lái)獲得無(wú)殘余應(yīng)力薄膜的薄膜支架，其特征在于:所述薄膜支架包括底架(I)和固定架⑵兩部分； 所述底架(I)為矩形臺(tái)，其中間開(kāi)有凹槽(11)，所述凹槽(11)底部開(kāi)有第一通孔(13)； 所述固定架(2)與底架(I)上的凹槽(11)相匹配，固定架(2)上開(kāi)有第二通孔(21)，所述第一通孔(13)與第二通孔(21)都為同心圓結(jié)構(gòu)。2.如權(quán)利要求1所述的薄膜支架，其特征在于:所述凹槽(11)為矩形凹槽。3.如權(quán)利要求1所述的薄膜支架，其特征在于:所述凹槽(11)為正方形凹槽。4.如權(quán)利要求1所述的薄膜支架，其特征在于:所述第一通孔(13)和/或第二通孔(21)為圓形通孔。5.如權(quán)利要求1或4所述的薄膜支架，其特征在于:所述第一通孔(13)和第二通孔(21)大小相同。
【專(zhuān)利摘要】本發(fā)明公開(kāi)了一種薄膜支架，其具體涉及一種用來(lái)獲得無(wú)殘余應(yīng)力薄膜的薄膜支架，屬于機(jī)械模具技術(shù)領(lǐng)域。本發(fā)明的薄膜支架包括底架和固定架兩部分；所述底架為矩形臺(tái)，其中間開(kāi)有凹槽，所述凹槽底部開(kāi)有第一通孔；所述固定架正好與所述底架上的凹槽相匹配，所述固定架上開(kāi)有第二通孔，所述第一通孔與第二通孔為同心圓結(jié)構(gòu)。本發(fā)明提供的薄膜支架結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、操作方便，能夠輕松方便地獲得的無(wú)殘余應(yīng)力的薄膜試樣。
【IPC分類(lèi)】G01L1/26, G01N1/28
【公開(kāi)號(hào)】CN104964862
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201510380760
【發(fā)明人】蘇建麗
【申請(qǐng)人】青島文創(chuàng)科技有限公司
【公開(kāi)日】2015年10月7日
【申請(qǐng)日】2015年7月1日