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精密原位微纳米级压痕/划痕测试系统的设计与实验研究

邓金强  
【摘要】: 各类材料及其制品在使用中不可避免受到外界载荷作用,导致其变形、损伤、失效甚至破坏。为了保证其使用中长期的可靠性、耐久性和稳定性,必须对材料及其制品服役状态下的力学行为损伤机制进行研究。目前国际上已有商业化的纳米压痕/划痕测试仪器,但测得的数据分散性大,精度明显不足,而且无法进行高分辨率的原位监测,因此不能研究变形、损伤状况与载荷作用和材料性能参数间的相关性规律。 针对现有纳米压痕/划痕测试装置存在的主要问题,研制了一种集驱动、加载、检测、微纳米级力学性能测试、超精密刻划加工和原位观察为一体的高性能综合精密实验测试系统。该测试系统采用了压电元件作为核心驱动动力源,以柔性铰链作为精密传动机构,两者配合作用实现加载机构的高精度的定位。在此基础上对利用压电叠堆元件实现精密驱动的机械柔性机构(即柔性铰链)进行了结构分析和优化设计。通过分析测试中载荷信号和位移信号的检测要求,选择了电阻应变式精密力传感器来测量微载荷、使用基于激光三角法的非接触式精密位移传感器来测量微位移。在此基础上,对研制的测试系统机械单元进行了装配、对检测控制单元进行了集成,并进行了整体的调试。 对所研制测试系统的重要单元—精密力传感器和精密位移传感器进行了实验标定。标定结果显示所选用的精密力传感器和精密位移传感器均具有良好的线性度和稳定性,满足测试过程中对微载荷和微位移信号的精密检测要求。利用研制的测试系统样机对某型号玻璃进行了微观压痕实验,结果表明研制的精密原位微纳米级压痕/划痕测试系统原型样机可实现较高精度的压痕测试,能够测得金刚石压头压入被测试件过程中的载荷与压入深度关系曲线。初期的试验结果表明研制的测试系统基本实现了测定微纳米尺度下材料力学性能的功能,在新材料新工艺、钢铁冶金、微机电系统、微电子技术和国防军工等领域具有较好的应用前景。 课题研究工作得到教育部高等学校博士学科点专项基金项目“原位纳米级切削加工及无损伤表面创成机理的研究(项目编号200801831024)”和国家外国专家局引智基金“微小型材料力学性能测试系统及其关键技术(项目编号20082201016)”的资助。


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