本文關鍵詞：低溫納米壓痕測試裝置的設計分析與試驗研究

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【摘要】：基于壓入載荷-深度曲線進行數(shù)據(jù)分析處理的納米壓痕測試技術,具有獲取材料微觀力學性能信息豐富、試樣制備簡單、測量分辨力高等其它測試技術手段無可比擬的優(yōu)勢。由于材料的力學性能與其服役條件密切相關,采用常溫條件下測得的材料力學性能參數(shù)去指導低溫環(huán)境下材料或結(jié)構的設計、制造和使用,顯然是不夠科學的,而傳統(tǒng)納米壓痕測試儀器尚不具備評定材料低溫力學性能的能力。因此,開展低溫納米壓痕測試技術的研究和測試裝置的研制顯得十分重要。本文結(jié)合當前材料力學性能測試背景,總結(jié)概括了納米壓痕測試技術與低溫納米壓痕測試技術的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀,并分析了當前低溫納米壓痕測試研究所存在的問題。在此基礎上,論文著重闡述了利用Oliver-Pharr分析法進行數(shù)據(jù)分析的分析流程,分析比較了壓痕測試中常用精密驅(qū)動、精密檢測方法以及低溫制冷手段的優(yōu)勢和不足。結(jié)合上述工作,論文設計了一種可工作于真空中、能夠?qū)崿F(xiàn)100K~常溫(293K)連續(xù)變溫的壓痕測試裝置,建立了測試裝置的虛擬樣機模型,開展了關鍵機械元件和整機的靜動態(tài)特性分析,驗證了設計方案的可行性。論文通過對三種低溫變溫方案的比對分析,指出了“整體真空-接觸變溫”方案的優(yōu)勢,研究了電氣元件隔熱問題的解決辦法。在此基礎上,論文開展了低溫納米壓痕測試裝置原型樣機的集成與測試系統(tǒng)的搭建工作,進行了各類傳感器的標定與測試裝置機架柔度的校準等工作,并著重開展了精密壓入單元的輸出性能測試、測試系統(tǒng)的閉環(huán)控制特性和位移輸出特性測試、變溫壓痕曲線的重復性測試等測試工作。測試結(jié)果表明:論文設計的精密壓入單元具有較快的響應速度,測試系統(tǒng)具有壓入載荷控制和壓入深度控制兩種模式的閉環(huán)控制,能夠?qū)崿F(xiàn)最大壓入深度為20nm~30μm的壓痕測試,校準后的壓痕測試曲線與同條件下商業(yè)化壓痕儀的壓痕測試曲線吻合度高、測試結(jié)果重復性好,硬度和彈性模量的測試值僅偏離標準值1.42%和0.89%。論文還開展了真空室系統(tǒng)的抽氣速度和自然漏氣等情況的測試分析工作。通過開展隔熱壓桿的隔熱性能測試、擴展載物臺的降溫和升溫時間歷程測試可知,所設計的隔熱壓桿結(jié)構能夠滿足低溫納米壓痕測試的隔熱要求,采用液氮制冷液降溫時,擴展載物臺與恒溫器載物臺保持著10K左右的溫差,而升溫時這一現(xiàn)象則不存在,擴展載物臺所能達到的最低溫度為87.3K。利用自制低溫納米壓痕測試裝置,本文研究了真空度的變化、試樣粘結(jié)膠固化時間對測試結(jié)果的影響,并開展了熔融石英的低溫變溫壓痕測試,實現(xiàn)了不同溫度下熔融石英的硬度、彈性模量和壓痕測試曲線的獲取。試驗結(jié)果表明,當真空度在10-1Pa~105Pa(1atm)變化時,可以忽略真空度的變化對壓痕測試曲線和測試力學參數(shù)的影響;當溫度在100K~293K變化時,隨著溫度的降低,熔融石英的壓痕測試曲線表現(xiàn)出明顯的規(guī)律性,即最大壓入深度增加,接觸剛度有所減小;試驗測得293K和100K時熔融石英的彈性模量值、硬度值分別為60.36GPa、9.10GPa和49.75GPa、7.25GPa,均有隨溫度降低而減小的趨勢。
【學位授予單位】：吉林大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2016
【分類號】：TB383.1

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