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原位微纳米压痕测试装置设计分析与试验研究

张永利  
【摘要】:新材料、新工艺的研究与应用是推动科技发展的重要因素,为获得材料更好的性能,人们对材料性能的研究逐渐从宏观层面发展到微观层面,测试精度从毫米级别,到微/纳米级别。因此,研制开发能够对材料微观力学行为进行精确测试的,并能够对材料在多种载荷作用下对材料的变形及损伤机制进行有效评估的仪器装备显得十分重要。 本论文在查阅大量国内外相关文献的基础上,对比国内外压痕测试仪器的发展现状和现存问题进行总结归纳,结合项目设计要求,对测试装置进行基础理论分析修正、整体结构设计、零部件设计分析、控制方案设计研究、装配调试和校准等工作。在此基础之上,利用自制的仪器开展典型材料的压痕测试和较大压入深度情况下的原位测试试验。论文主要研究内容概括如下: (1)本论文在查阅大量国内外相关文献的基础上,分析微纳米压痕测试技术和原位测试技术的国内外发展现状,对市场上广泛应用的压痕测试仪器进行详细介绍和综合评定,总结归纳现有压痕测试仪器的优点和缺点;对材料原位测试技术的国内研究进展进行详细介绍,总结出材料原位测试技术的发展趋势和瓶颈。 (2)以经典理论——OliverPharr方法为本文所述装置的理论基础,详细推导其计算过程,并提出补充修正算法;归类常用压电材料,详述压电叠堆特性和局限性,指导压电元器件选择和使用;建立微纳米压痕测试装置的核心零件——柔性铰链的刚度数学模型,并推导出其轴向刚度的数学算法,为后续的仿真分析提供理论依据。对装置控制方案进行设计分析,为控制程序编写提供指导。 (3)从精确实现原位微纳米压痕测试功能的角度出发,满足设计参数要求前提下,结合整机结构合理布置本装置结构及位置,运用微纳米压痕测试力学和原位观测的原理和方法,结合现有检测手段和设备,选择恰当的检测措施及设备,优化布局检测部件位置,结合整机精度要求适当利用不同动力驱动和载荷加载方式,为装置提供精确的速度和位移,从而实现对试件材料进行微纳米压痕测试试验和原位观测测试试验。 (4)以确保和检验测试装置的精度、重复性和稳定性为目的,采用适当标定方法和设备,对力传感器反复多次标定试验,验证其信号的线性度和稳定性,归类分析各种影响压痕测试试验的因素,提出相应解决办法,对多种典型常见材料进行多次不同最大压入载荷下的测试试验,对仪器测试结果进行分析检验,并修正测试算法。在此基础上,利用该仪器对T2紫铜和N6镍进行较大压入深度情况下的原位测试实验,依据测试结果对该材料性能进行分析。


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