[实用新型]一种薄膜应力梯度原位演化的测试样品装置

说明书

本实用新型涉及硬质薄膜材料应力测试领域，具体涉及一种薄膜应力梯度原位演化的测试样品装置。所述样品装置包括样片夹持部件和应力加载部件；所述样片夹持部件夹持样品，所述应力加载部件在样品上施加可调应力。利用上述装置对样品施加不同应力，实现对薄膜不同深度处应力梯度的测定。本实用新型填补了薄膜材料在不同服役环境下的应力梯度原位演化测量装置的空白，实现了基于X射线的薄膜应力梯度的原位加载与测试。

技术领域

本实用新型涉及硬质薄膜材料应力测试领域，具体涉及一种薄膜应力梯度原位演化的测试样品装置。

背景技术

硬质薄膜又称脆性薄膜，是指为了提高构件表面耐磨性、耐蚀性及耐高温性能等的表面覆层，可以有效延长工件使用寿命。常用的硬质涂层包括一些金属的氮化物、碳化物、硼化物、氧化物、某些合金或金属间化合物等，其具有较高的显微硬度（10 至40 GPa）。硬质薄膜现已广泛应用于机械制造、汽车工业、模具工业以及航空航天等诸多领域。

薄膜的完整性和可靠性是其在服役过程中最重要的问题，而一般认为薄膜应力的大小和分布严重影响着薄膜本身物理性能，如硬度、断裂韧性等；还对膜-基体系的主要性能，如基体疲劳寿命、结合强度、硬度、耐磨、抗热冲击、热循环疲劳等性能。薄膜应力主要来自于薄膜与基体材料在热学、力学性能等方面差异所造成的失配应变和热梯度效应。薄膜应力虽然是宏观现象，但可以反映出淀积薄膜的内部状态。硬质薄膜通常由电弧离子镀、磁控溅射技术等物理气相沉积的方法制备，薄膜内通常GPa级的残余应力，并且应力值在厚度方向上还可能存很大差别。此外，膜层失效主要诱因是应力，包括残余应力及外加载荷产生的应力，为了厘清薄膜应力这一关键因素，最终制备高质量薄膜及长期服役可靠性，有必要准确测量膜层应力及其梯度，尤其是实现测量膜层不同深度的应力及其随外加载荷变化的原位演化情况更为关键。最后，深入研究力与环境耦合对于膜层失效机理的作用，是提高薄膜材料可靠性与延长其服役寿命的关键所在。

关于薄膜材料应力的测试方法，目前应用较为广泛的技术有基底曲率半径法和Ｘ射线衍射法。其中，基底曲率半径法需要通过光学干涉仪或者表面轮廓仪测得基底变形前与变形后曲率或曲率半径的变化，再由Stoney公式得到薄膜的应力值。然而，基底曲率半径法存在一些难以克服的缺点：（1）只能粗略测量整个膜层平均的宏观残余应力；（2）无法获得薄膜沿深度的应力信息，即无法实现应力梯度测量；（3）由于该方法中，测试区域面积越大所得数据越可靠，应力测试结果才越可信，故该方法无法实现特定微区域内薄膜应力梯度原位演化情况；（4）受基底影响大，重现性差、误差较大。这些都阻碍了基底曲率半径法在薄膜应力精细化测试与系统化研究上的进一步应用。

Ｘ射线衍射测量残余应力是一种无损检测应力的方法，其基本原理：当试样中存在残余应力时，晶面间距将发生变化。以测量衍射线位移作为原始数据，所测得的结果实际上是残余应变，而残余应力是通过Hooke定律，由残余应变计算得到的。由此可见，X射线衍射法是通过测量微观晶格弹性变形来确定内应力，在准确性及重现性上具有很大优势，但该方法也存在一些问题亟待解决。常规X射线衍射法可以实现对薄膜应力的测量，但由于常规X射线衍射仪上无适合于薄膜样品的原位测试台以及相关加载装置，故无法实现测量薄膜在不同受载情况下沿厚度方向应力及应力梯度，更无法实现应力原位测试，所以迫切需要一种测量装置可以实现上述目的。

实用新型内容

针对上述问题，本实用新型提供一种薄膜应力梯度原位演化的测试样品装置。采用该装置可以实现对薄膜材料中残余应力及应力梯度原位演化情况的测定，从而给出薄膜材料在服役过程中其应力梯度的真实变化情况。

本实用新型是通过一下技术方案实现的：

一种薄膜应力梯度原位演化的测试样品装置，所述样品装置包括样片夹持部件和应力加载部件；

所述样片夹持部件夹持样品，所述应力加载部件在样品上施加可调应力。

进一步地，包括样片夹持部件夹具、夹座；