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方法鮮有報道[8-10]。因此，針對材料在復(fù)合載荷下的納米壓痕測試研究已經(jīng)受到國內(nèi)外研究人員的密切關(guān)注拉伸-彎曲預(yù)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)行為進行原位觀測，在鋼鐵、有色金屬、生物醫(yī)學(xué)工程、航空航天等領(lǐng)域有廣泛的應(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。此外，關(guān)于拉伸-彎曲復(fù)合載荷耦合和解耦、測試裝置精度提高、新型生物材料的應(yīng)用研究等理論方面，還有待深入研究。本文面向國家需求和行業(yè)特點，結(jié)合材料微觀力學(xué)性能測試領(lǐng)域的國內(nèi)外進展與現(xiàn)存問題，重點研究了復(fù)合載荷加載的理論模型，開展了測試裝置機械結(jié)構(gòu)設(shè)計、控制系統(tǒng)設(shè)計、測試裝置調(diào)試校準(zhǔn)等研究。在此基礎(chǔ)上，利用自主研制的裝置開展典型材料微觀力學(xué)性能的測試分析和破壞機理的研究。論文主要研究工作，對于豐富材料的力學(xué)性能測試的理論與方法具有一定的指導(dǎo)意義，在各類工程材料力學(xué)性能測試領(lǐng)域具有良好的應(yīng)用價值。

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第 2 章 材料力學(xué)性能測試的基本理論

2.1 材料力學(xué)性能測試?yán)碚撃Ｐ?

在實際使用材料之前，需要對材料的力學(xué)性能進行測試，這樣可以提供在不同載荷條件下，測試材料的各項力學(xué)性能指標(biāo)，例如硬度、屈服強度、抗拉強度、彈性模量、疲勞極限、延伸率、斷裂韌度等。通過這些指標(biāo)，為材料在實際工程應(yīng)用中的設(shè)計計算提供理論依據(jù)。與此同時，人們在長期使用材料的過程中，根據(jù)材料的不同使用環(huán)境要求，發(fā)展并完善了材料力學(xué)性能測試方法。這些方法主要有拉伸/壓縮法、彎曲法、扭法、納米壓痕法等[6]，本節(jié)針對拉伸測試基本理論、彎曲測試基本理論以及壓痕測試?yán)碚撻_展研究。

2.2 復(fù)合載荷加載理論模型

圖 2.7 拉伸-四點彎曲復(fù)合加載原理在整個拉伸、彎曲復(fù)合加載的測試過程中，對于測試試樣所受到的拉伸載荷和彎曲載荷會互相影響。一種是在彎曲測試試驗中，由于試樣的兩個固定端被夾持，進而產(chǎn)生附加的拉伸載荷，導(dǎo)致縱向纖維變長。另外一種是在拉伸測試試驗中，會對彎曲測試的原始跨距和橫截面積產(chǎn)生影響。因此為了更好地開展復(fù)合載荷加載模式下材料力學(xué)性能的測試工作，本文特別構(gòu)建了拉-彎復(fù)合加載模式下的力學(xué)模型。

第 3 章 復(fù)合載荷壓痕測試裝置的設(shè)計與分析 ........... 31

3.1 測試裝置功能............ 31
3.2 主要功能模塊及組成............ 32
3.3 關(guān)鍵零部件的靜動態(tài)特性分析 ........... 35
3.4 整機靜力學(xué)和動力學(xué)特性分析 .......... 40
3.5 控制系統(tǒng)設(shè)計 .......... 42
第 4 章 復(fù)合載荷壓痕測試裝置的性能測試試驗.......... 47
4.1 測試裝置各傳感器標(biāo)定與精度分析 ...... 47
4.2 各模塊單元性能測試試驗 ............ 53
4.3 測試裝置性能的影響因素分析 ..... 60
4.4 拉伸預(yù)載荷對彎曲性能測試的影響 ...... 68
4.5 本章小結(jié) .... 69
第 5 章 拉-彎預(yù)載荷下壓痕測試試驗.......... 71
5.1 單純拉伸加載下材料壓痕響應(yīng)的測試試驗 ........ 71
5.2 單純彎曲加載下材料壓痕響應(yīng)的測試試驗 ........ 73
5.3 拉-彎預(yù)載荷下材料壓痕響應(yīng)的測試試驗 ........ 75
5.4 典型材料微觀力學(xué)性能原位測試試驗 ........ 77

第 5 章 拉-彎預(yù)載荷下壓痕測試試驗

5.1 單純拉伸加載下材料壓痕響應(yīng)的測試試驗

將試件裝夾后進行拉伸載荷加載，施加 100N 的拉伸載荷時停止加載，保持 100N的加載載荷，然后通過壓痕測試模塊對試樣進行最大壓入載荷 80mN。同時，對試樣上不同區(qū)域進行多組納米壓痕取點壓入測試。由圖 5.1 可以看出，當(dāng)施加最大載荷 80mN時，兩種材料的壓痕測試的加載和卸載測試曲線的重復(fù)性都比較好，說明壓痕模塊具有較好穩(wěn)定性。由于 6061 鋁合金屬于彈塑性材料，而鑄鐵屬于脆性材料，由壓痕測試曲線可以看出，6061 鋁合金試件的最大壓入深度和殘余壓入深度都比鑄鐵試件大。

5.2 單純彎曲加載下材料壓痕響應(yīng)的測試試驗

由圖 5.4（a）可以看出，，當(dāng)最大壓入力均為 80mN 的壓痕試驗時，彎曲預(yù)載荷逐漸增大，測試試件上的壓入深度隨之增加，壓入載荷-深度曲線的斜率減小。材料的力學(xué)性能參數(shù)也隨彎曲預(yù)載荷的變化而變化。說明隨彎曲預(yù)載荷的增加使 6061 鋁合金材料的彈塑性能變差。由圖 5.4（b）可以看出，在最大壓入力均為 80mN 的壓痕試驗中，當(dāng)彎曲預(yù)載荷逐漸增大，殘余壓入深度無明顯變化，表現(xiàn)為在彎曲預(yù)載荷作用下，鑄鐵材料的晶粒間隙和尺寸并沒有太明顯的變化。但是壓入載荷-深度曲線的斜率增加，和鋁合金材料彎曲預(yù)載荷壓痕的試驗結(jié)果正好相反，體現(xiàn)出了鑄鐵材料脆性變形的特點。

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第 6 章 總結(jié)與展望

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)外進展與現(xiàn)存問題，開展了復(fù)合載荷下納米壓痕測試?yán)碚摰幕A(chǔ)研究。在此基礎(chǔ)上，針對裝置設(shè)計制造、控制單元設(shè)計、校準(zhǔn)調(diào)試等理論與技術(shù)，展開了較為深入的研究，同時利用自主研制的裝置開展了典型材料微觀力學(xué)性能的測試試驗研究。本文主要工作和結(jié)論如下：(1)在詳細分析拉伸測試、四點彎曲測試和壓痕測試方法的基礎(chǔ)上，推導(dǎo)了四點彎曲測試的撓度曲線方程。在此基礎(chǔ)上著重分析了復(fù)合加載的理論模型，對彈性模量的計算公式提出了修正算法，同時分析了有無圓弧過渡對測試試樣的表面應(yīng)力分布影響。(2)研制了拉-彎預(yù)載荷下的納米壓痕裝置。著重設(shè)計分析了裝置的機械結(jié)構(gòu)功能模塊和解決了控制系統(tǒng)搭建等技術(shù)問題。(3)開展了拉-彎預(yù)載荷下納米壓痕裝置的性能測試和試驗研究。利用 Q235 鋼、黃銅、6061 鋁合金等典型材料，分別對三個功能模塊進行性能測試試驗，將測試結(jié)果和商業(yè)化試驗機測得結(jié)果進行了對比。

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參考文獻（略）

本文編號：313535