本文關(guān)鍵詞：拉伸—彎曲預(yù)載荷下納米壓痕裝置設(shè)計(jì)分析與試驗(yàn)研究

  更多相關(guān)文章： 拉伸 彎曲 納米壓痕 原位觀測 骨骼

【摘要】：材料是人類生產(chǎn)生活的物質(zhì)基礎(chǔ),因?qū)Σ牧献冃螕p傷和破壞機(jī)理缺乏研究,致使材料在正常服役中失效破壞的現(xiàn)象時有發(fā)生,給國家經(jīng)濟(jì)和人民的生命財(cái)產(chǎn)安全造成了巨大損失。各類材料在服役中都不可避免受到載荷作用,雖然材料力學(xué)性能測試的技術(shù)近年來發(fā)展較快,但針對接近服役條件下的測試?yán)碚撆c方法的研究鮮有報(bào)道。目前,英、美和瑞士等國都有商業(yè)化的壓痕測試儀器產(chǎn)品,所開展的壓痕測試都是針對樣品材料開展的單一壓痕測試,而復(fù)合載荷下的納米壓痕測試?yán)碚撆c方法罕見報(bào)道。因此,針對材料在復(fù)合載荷下的納米壓痕測試研究越來越受到國內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注。復(fù)合載荷下的納米壓痕測試,由于可以借助顯微成像系統(tǒng),對材料的力學(xué)行為進(jìn)行原位觀測,在材料力學(xué)測試、生物力學(xué)和生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。所以,研究復(fù)合載荷壓痕測試的基本理論與關(guān)鍵技術(shù)具有重要意義。同時,在復(fù)合載荷耦合和解耦、測試儀器誤差校正等方面,還有待深入研究。本文面向國家重大需求,結(jié)合復(fù)合載荷下壓痕測試方面的國內(nèi)外進(jìn)展與現(xiàn)存問題,開展了復(fù)合載荷預(yù)加載下納米壓痕裝置設(shè)計(jì)分析和試驗(yàn)的基礎(chǔ)研究。在此基礎(chǔ)上,針對裝置設(shè)計(jì)制造、檢測控制、調(diào)試校準(zhǔn)等理論與技術(shù),展開了較為深入的研究;并利用自主研制的裝置開展了典型材料微觀力學(xué)性能的測試分析。論文主要內(nèi)容如下:系統(tǒng)研究了拉伸、彎曲和壓痕測試基本理論。在此基礎(chǔ)上,推導(dǎo)了四點(diǎn)彎曲測試的撓度曲線方程。針對復(fù)合載荷加載的情況,建立了預(yù)拉伸-彎曲復(fù)合和預(yù)彎曲-拉伸復(fù)合加載理論模型,對彈性模量的計(jì)算公式提出了修正算法,分析了有無圓弧過渡對測試試樣的表面應(yīng)力分布影響。根據(jù)仿真結(jié)果得出的結(jié)論為:在設(shè)計(jì)試樣時,增加圓弧過渡后,試樣表面應(yīng)力分布更平緩,可以有效地降低夾持端部的應(yīng)力集中。開展了復(fù)合載荷預(yù)加載下納米壓痕裝置的設(shè)計(jì)分析。著重研究了測試裝置的機(jī)械結(jié)構(gòu)功能模塊設(shè)計(jì)和控制系統(tǒng)搭建等理論與技術(shù)問題,通過ANSYS軟件對關(guān)鍵零部件進(jìn)行靜動態(tài)特性、整機(jī)靜動態(tài)特性有限元仿真分析。仿真分析結(jié)果表明,所設(shè)計(jì)的裝置基本滿足要求。開展了復(fù)合載荷預(yù)加載下納米壓痕裝置的性能測試試驗(yàn)。首先,對測試裝置各模塊單元中的力傳感器和位移傳感器進(jìn)行了標(biāo)定試驗(yàn)。其次,利用Q235鋼、6061鋁合金、黃銅等對拉伸、彎曲和壓痕模塊開展了重復(fù)性試驗(yàn),將自主開發(fā)裝置的試驗(yàn)曲線與商業(yè)化試驗(yàn)機(jī)的測試曲線進(jìn)行對比。結(jié)果表明,測試曲線具有較好的一致性,各模塊具有很好的測試精度和重復(fù)精度。對拉伸模塊的試件夾持部分和機(jī)架變形部分提出了修正算法,利用Q235鋼作為測試試件,開展了試驗(yàn)研究和校準(zhǔn)修正。試驗(yàn)結(jié)果表明:彈性模量校正后測試誤差為2.6%;對彎曲模塊測試裝置的機(jī)架柔度進(jìn)行了修正,并開展了試驗(yàn)研究,試驗(yàn)測定6061鋁合金和紫銅的彈性模量測試誤差分別為4.78%和1.52%,驗(yàn)證了修正算法的可靠性。然后,利用玻氏壓頭對鋁合金試件進(jìn)行了不同最大壓入載荷的試驗(yàn),得出的結(jié)論為:壓入載荷越大,彈性模量值相對減小,而硬度值變化不大。最后,對不同彎曲壓頭的接觸半徑開展了四點(diǎn)彎曲測試試驗(yàn),試驗(yàn)結(jié)果表明,在相同彎曲載荷作用下,壓頭半徑越大,彎曲載荷-撓度曲線的斜率越大,即試樣的變形量越小。利用自制的拉-彎預(yù)載荷納米壓痕裝置,針對鋁合金、鑄鐵、Q235鋼和骨骼等材料開展了典型應(yīng)用研究。首先,針對6061鋁合金和鑄鐵材料開展了拉伸預(yù)載荷下壓痕測試試驗(yàn)、彎曲預(yù)載荷下壓痕測試試驗(yàn)和拉伸-彎曲預(yù)載荷下壓痕測試試驗(yàn)。其次對材料Q235鋼開展了純拉伸、純彎曲及復(fù)合載荷下的金相組織試驗(yàn)。結(jié)合金相顯微鏡對Q235試件在拉伸、彎曲及其復(fù)合載荷作用下微觀形貌的變化過程進(jìn)行原位觀測,發(fā)現(xiàn)在載荷的不同加載階段,材料的微觀組織結(jié)構(gòu)的變化及裂紋的發(fā)展規(guī)律。最后針對生物材料骨骼開展了仿真分析和壓痕測試試驗(yàn)。采用真實(shí)骨骼作為測試試件,開展了有無內(nèi)部缺陷的骨骼納米壓痕測試試驗(yàn),并利用高景深顯微鏡,觀測到骨骼表面二維形貌和壓痕深度的變化。試驗(yàn)結(jié)果表明:對于一定試樣尺寸,當(dāng)預(yù)置缺陷半徑r越大時,硬度的絕對偏差受壓痕深度影響較大,隨壓痕深度的增加,硬度的絕對偏差明顯減小,表明試樣內(nèi)部缺陷在一定程度上影響其硬度值。
【關(guān)鍵詞】：拉伸 彎曲 納米壓痕 原位觀測 骨骼
【學(xué)位授予單位】：吉林大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號】：TH87
【目錄】：

• 摘要5-7
• ABSTRACT7-13
• 第1章 緒論13-29
• 1.1 課題研究背景與研究意義13-14
• 1.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀14-27
• 1.2.1 拉伸測試技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀15-19
• 1.2.2 彎曲測試技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀19-22
• 1.2.3 壓痕測試技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀22-25
• 1.2.4 復(fù)合載荷測試技術(shù)國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀25-27
• 1.3 本文主要研究內(nèi)容27-29
• 第2章 材料力學(xué)性能測試的基本理論29-43
• 2.1 材料力學(xué)性能測試?yán)碚撃Ｐ?/span>29-35
• 2.1.1 拉伸測試基本理論29-30
• 2.1.2 彎曲測試基本理論30-33
• 2.1.3 壓痕測試基本理論33-35
• 2.2 復(fù)合載荷加載理論模型35-38
• 2.2.1 預(yù)拉伸-彎曲復(fù)合加載理論模型35-36
• 2.2.2 預(yù)彎曲-拉伸復(fù)合加載理論模型36-38
• 2.3 測試試樣的受力分析和圓弧過渡影響38-41
• 2.4 本章小結(jié)41-43
• 第3章 復(fù)合載荷壓痕測試裝置的設(shè)計(jì)與分析43-59
• 3.1 測試裝置功能43-44
• 3.2 主要功能模塊及組成44-47
• 3.2.1 拉伸模塊設(shè)計(jì)分析45
• 3.2.2 彎曲模塊設(shè)計(jì)分析45-46
• 3.2.3 壓痕模塊設(shè)計(jì)分析46-47
• 3.3 關(guān)鍵零部件的靜動態(tài)特性分析47-52
• 3.4 整機(jī)靜力學(xué)和動力學(xué)特性分析52-54
• 3.5 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)54-57
• 3.5.1 控制系統(tǒng)組成54-55
• 3.5.2 電控單元設(shè)計(jì)55-56
• 3.5.3 控制軟件界面及功能介紹56-57
• 3.6 本章小結(jié)57-59
• 第4章 復(fù)合載荷壓痕測試裝置的性能測試試驗(yàn)59-83
• 4.1 測試裝置各傳感器標(biāo)定與精度分析59-65
• 4.1.1 拉伸測試單元傳感器標(biāo)定與精度分析60-63
• 4.1.2 彎曲測試單元傳感器標(biāo)定與精度分析63-64
• 4.1.3 壓痕測試單元傳感器標(biāo)定與精度分析64-65
• 4.2 各模塊單元性能測試試驗(yàn)65-72
• 4.2.1 拉伸-彎曲預(yù)載荷下納米壓痕測試的試驗(yàn)方案65-66
• 4.2.2 拉伸模塊性能測試試驗(yàn)66-68
• 4.2.3 彎曲模塊性能測試試驗(yàn)68-69
• 4.2.4 壓痕模塊性能測試試驗(yàn)69-72
• 4.3 測試裝置性能的影響因素分析72-80
• 4.3.1 拉伸模塊性能的影響因素分析72-77
• 4.3.2 彎曲模塊性能的影響因素分析77-80
• 4.4 拉伸預(yù)載荷對彎曲性能測試的影響80-81
• 4.5 本章小結(jié)81-83
• 第5章 拉-彎預(yù)載荷下壓痕測試試驗(yàn)83-103
• 5.1 單純拉伸加載下材料壓痕響應(yīng)的測試試驗(yàn)83-85
• 5.1.1 拉伸預(yù)載荷條件下壓痕測試試驗(yàn)分析83-84
• 5.1.2 拉伸變載荷條件下壓痕測試試驗(yàn)分析84-85
• 5.2 單純彎曲加載下材料壓痕響應(yīng)的測試試驗(yàn)85-87
• 5.2.1 彎曲預(yù)載荷條件下壓痕測試試驗(yàn)分析85
• 5.2.2 彎曲變載荷條件下壓痕測試試驗(yàn)分析85-86
• 5.2.3 不同壓頭半徑下的四點(diǎn)彎曲測試86-87
• 5.3 拉-彎預(yù)載荷下材料壓痕響應(yīng)的測試試驗(yàn)87-89
• 5.3.1 復(fù)合載荷定載荷下壓痕測試試驗(yàn)分析87-88
• 5.3.2 復(fù)合載荷變載荷下壓痕測試試驗(yàn)分析88-89
• 5.4 典型材料微觀力學(xué)性能原位測試試驗(yàn)89-95
• 5.4.1 Q235單純拉伸狀態(tài)下金相組織原位測試89-91
• 5.4.2 Q235單純四點(diǎn)彎曲狀態(tài)下金相組織原位測試91-93
• 5.4.3 Q235拉伸-彎曲復(fù)合載荷下金相組織原位測試93-95
• 5.5 納米壓痕測試試驗(yàn)典型應(yīng)用95-101
• 5.5.1 骨骼樣本壓痕有限元仿真和測試試驗(yàn)95-97
• 5.5.2 骨骼樣本內(nèi)部缺陷的壓痕有限元仿真和測試試驗(yàn)97-101
• 5.6 本章小結(jié)101-103
• 第6章 總結(jié)與展望103-105
• 參考文獻(xiàn)105-115
• 作者簡介及研究成果115-117
• 致謝117

【相似文獻(xiàn)】

中國期刊全文數(shù)據(jù)庫 前10條

1 王明海;王虎軍;孫磊;劉中海;;各向同性熱解石墨的納米壓痕試驗(yàn)與有限元仿真研究[J];機(jī)械設(shè)計(jì)與制造;2011年12期

2 蔣銳;胡小方;許峰;伍小平;;納米壓痕數(shù)據(jù)分析的混合方法研究[J];機(jī)械強(qiáng)度;2009年05期

3 顧盛挺;鮑雨梅;柴國鐘;吳化平;;顆粒表面粗糙度對納米壓痕特性影響研究[J];浙江工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào);2013年02期

4 劉美華;李鴻琦;王靜;王江宏;佟景偉;;納米壓痕測量精度的影響因素[J];機(jī)械工程材料;2008年08期

5 陳偉民,李敏,徐曉,王藝;納米壓痕儀接觸投影面積標(biāo)定方法的研究[J];力學(xué)學(xué)報(bào);2005年05期

6 胡宏玖;李達(dá)開;周沙溆;李潔;賀耀龍;;基于納米壓痕的線性黏彈材料模量的測試方法[J];潤滑與密封;2010年05期

7 周沙溆;胡宏玖;李潔;賀耀龍;李達(dá)開;;基于納米壓痕的線性黏彈材料泊松比的測試方法[J];潤滑與密封;2010年01期

8 戎俊梅;柴國鐘;郝偉娜;;基于納米壓痕技術(shù)及有限元模擬的薄膜力學(xué)性能研究[J];浙江工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào);2011年06期

9 吳子景;吳曉京;盧茜;蔣賓;;Cu/Ta/SiO_2/Si薄膜在納米壓痕下的分層現(xiàn)象研究[J];半導(dǎo)體技術(shù);2008年09期

10 盧茜;吳子景;吳曉京;Weidian Shen;蔣賓;;Cu/Ta/SiO_2/Si多層膜納米壓痕與壓痕下微觀結(jié)構(gòu)的研究[J];電子顯微學(xué)報(bào);2008年04期

中國重要會議論文全文數(shù)據(jù)庫 前10條

1 楊慶生;劉志遠(yuǎn);李熙;;生物軟組織納米壓痕測試方法的最新進(jìn)展[A];力學(xué)與工程應(yīng)用[C];2012年

2 許明;胡永峰;劉明霞;黃平;徐可為;;金屬多層膜硬度基底效應(yīng)的納米壓痕法研究[A];中國力學(xué)學(xué)會學(xué)術(shù)大會'2009論文摘要集[C];2009年

3 朱瑛;劉倩倩;;單晶鋁納米壓痕仿真及其實(shí)驗(yàn)研究[A];第九屆真空冶金與表面工程學(xué)術(shù)會議論文摘要集[C];2009年

4 劉志遠(yuǎn);楊慶生;李衛(wèi)衛(wèi);高雪玉;;考慮基底效應(yīng)的復(fù)合材料組分性能的納米壓痕原位測試技術(shù)[A];第17屆全國復(fù)合材料學(xué)術(shù)會議（復(fù)合材料力學(xué)分論壇）論文集[C];2012年

5 劉志遠(yuǎn);高雪玉;楊慶生;;納米壓痕法測定人血紅細(xì)胞的力學(xué)特性[A];北京力學(xué)會第十六屆學(xué)術(shù)年會論文集[C];2010年

6 于超;康國政;;納米壓痕的分子動力學(xué)模擬[A];四川省力學(xué)學(xué)會2010年學(xué)術(shù)大會論文集[C];2010年

7 郇勇;劉東旭;楊榮;張?zhí)┤A;;納米壓痕儀的載荷精度研究[A];中國力學(xué)學(xué)會學(xué)術(shù)大會'2009論文摘要集[C];2009年

8 王振清;楊增杰;孟慶華;;含表面缺陷的單晶銅薄膜納米壓痕多尺度模擬[A];第七屆海峽兩岸工程力學(xué)研討會論文摘要集[C];2011年

9 王濱;王春亮;楊力;沙菲;;納米壓痕試驗(yàn)測量不確定度評定[A];第七屆全國MTS材料試驗(yàn)學(xué)術(shù)會議論文集（一）[C];2007年

10 鄧旭輝;丁燕懷;尹久仁;張平;姜勇;;PMMA納米壓痕的黏彈性回復(fù)研究[A];中國力學(xué)大會——2013論文摘要集[C];2013年

中國博士學(xué)位論文全文數(shù)據(jù)庫 前7條

1 崔利娜;拉伸—彎曲預(yù)載荷下納米壓痕裝置設(shè)計(jì)分析與試驗(yàn)研究[D];吉林大學(xué);2016年

2 王露萌;雙晶材料納米壓痕初始塑性變形行為的跨尺度模擬與實(shí)驗(yàn)研究[D];哈爾濱工業(yè)大學(xué);2013年

3 黎軍頑;納米壓痕過程的多尺度準(zhǔn)連續(xù)介質(zhì)法研究[D];復(fù)旦大學(xué);2010年

4 楊增杰;分離式擬質(zhì)點(diǎn)方法的研究及納米壓痕多尺度模擬[D];哈爾濱工程大學(xué);2011年

5 趙星;納米粒子并合、沉積和納米壓痕的計(jì)算模擬研究[D];東北大學(xué);2009年

6 馬增勝;納米壓痕法表征金屬薄膜材料的力學(xué)性能[D];湘潭大學(xué);2011年

7 王華滔;準(zhǔn)連續(xù)介質(zhì)方法在晶體微觀變形多尺度模擬中的應(yīng)用[D];復(fù)旦大學(xué);2008年

中國碩士學(xué)位論文全文數(shù)據(jù)庫 前10條

1 王凱強(qiáng);顆粒夾雜軟基體復(fù)合材料的壓痕力學(xué)性能測試與表征研究[D];蘭州大學(xué);2015年

2 王新偉;納米壓痕儀的校準(zhǔn)及標(biāo)物的研制[D];太原理工大學(xué);2016年

3 徐海龍;低溫納米壓痕測試裝置的設(shè)計(jì)分析與試驗(yàn)研究[D];吉林大學(xué);2016年

4 郝芯;預(yù)應(yīng)力下納米壓痕仿真與試驗(yàn)研究[D];吉林大學(xué);2016年

5 時月;原位納米壓痕/劃痕測試儀器的設(shè)計(jì)與試驗(yàn)研究[D];吉林大學(xué);2016年

6 付海雙;納米壓痕測試裝置的設(shè)計(jì)分析與試驗(yàn)研究[D];吉林大學(xué);2016年

7 彭超;高分子材料納米壓痕表征的分子模擬與實(shí)驗(yàn)研究[D];哈爾濱工業(yè)大學(xué);2016年

8 沈林;材料樣品表面粗糙度對納米壓痕測試結(jié)果的影響研究[D];吉林大學(xué);2012年

9 蔡晶琦;單晶銅納米壓痕初始塑性變形行為實(shí)驗(yàn)研究[D];哈爾濱工業(yè)大學(xué);2006年

10 王春亮;納米壓痕試驗(yàn)方法研究[D];機(jī)械科學(xué)研究總院;2007年

，

本文編號：1090728