基于可调式拉伸—弯曲预载荷的原位纳米压痕测试系统研究

【摘要】各类材料及其制品服役过程中所发生的变形、损伤、失效和破坏大都是多种类型外界载荷共同作用的结果，相同材料在不同载荷模式下可能表现出迥然不同的力学行为。因此，通过复合载荷模式原位力学测试手段势必可以揭示多种类型外界载荷共同作用对材料变形损伤的影响，发现更为新颖的现象和规律，就较大尺寸试件所开展的有关测试将更有利于研究材料及制品服役状态下的真实力学行为与变形损伤机制。比对分析国内外研究现状与现存问题，结合研究积累，从实现扫描电镜下多载荷模式、原位力学测试的原理与方法出发：优选驱动、加载与检测的方法，结合扫描电镜真空腔有效空间确定测试平台总体布局，利用扫描电镜对被测试件薄弱部位进行定位监测，实现接近使用条件下宏观试件微观力学性能原位测试。研究中将采用理论分析、仿真研究和实验测试相结合的方法，对驱动加载、检测、控制单元进行优化设计，根据优化结果，研制样机并进行试验分析。根据试验研究情况，验证理论分析的准确性和需修正的问题，开展拓展性研究，得出最后结论。基于可调式拉伸-弯曲预载荷的原位纳米压痕测试系统是结合传统的针对特征尺寸厘米级以上的三维宏观试件，在扫描电子显微镜下的拉伸弯曲原位力学性能测试，和原位纳米压痕测试的综合测试技术，在实现材料拉伸弯曲的同时做原位压痕测试的仪器。属于机电一体化精密科学仪器领域。包括原位纳米压痕测试模块、拉伸预载荷加载模块和弯曲预载荷加载模块。测试平台结合传统的针对特征尺寸厘米级以上的三维宏观试件，可实现对材料的拉伸-弯曲预载荷下的原位纳米压痕测试，并可实现与HitachiTM-1000型扫描电子显微镜及各类具有腔体及载物台结构的成像仪器兼容使用。通过高集成度的小型拉伸-弯曲预载荷加载装置实现材料动态拉伸弯曲的同时，利用压电原理驱动金刚石压头实现纳米级压痕测试，通过高分辨率的力传感器和位移传感器实现对压头压入载荷和压入深度信号的拾取，通过采集软件将数据采集并处理得到压入载荷-深度关系曲线，根据弹性接触理论计算得到材料在不同拉伸阶段或者弯曲阶段的硬度、弹性模量等力学参数，实现了材料拉伸或者弯曲测试中材料表面实时力学性能检测和试样表面力学性能分布检测。结合精密检测、初始接触探测、控制单元与算法程序，也可保证拉伸/压缩载荷预加载测试模块、弯曲载荷预加载测试模块与纳米压痕测试模块的加载时序任意选择。体积小巧，结构紧凑，应变速率可控，与各类主流扫描电子显微镜、原子力显微镜、拉曼光谱仪、X射线衍射仪以及光学显微镜等成像仪器具有良好的结构兼容性、真空兼容性及电磁兼容性。可在各类成像仪器的观测下开展针对特征尺寸厘米级以上三维试件的跨尺度材料拉伸-弯曲预载荷下原位纳米压痕测试，对材料在复合拉-弯预载荷作用下的微观变形、损伤与断裂过程进行在线监测，为揭示材料微观变形行为和损伤机制提供了崭新的测试方法。
【作者】袁英堃；
【导师】邹青；赵宏伟；
【作者基本信息】吉林大学，机械工程，2014，硕士
【关键词】原位测试；拉伸测试；弯曲测试；复合载荷；纳米压痕；

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