微米尺度压痕仪研发与可靠性研究

发布时间：2021-07-27 01:49

　　仪器化压痕测试技术作为表征材料力学性能的重要手段,可以有效地测量小尺寸材料的弹性模量、硬度和蠕变等力学性能参数,相比于传统的检测方法更有着无损检测和节约试验成本的突出优势,对表面工程、微电子、集成微光机电系统、生物工程和医学材料等领域的发展有着良好的帮助。为了弥补传统的宏观与显微力学性能测试方法的不足,众多研究学者提出并完善的仪器化压痕测试技术逐渐成为材料力学性能领域最常用的测试手段之一。本论文结合当前压痕测试技术和测试仪器的特点,制定了大行程微米尺度压痕仪的设计目标,完成了仪器结构设计、仪器关键部件和整体结构分析、仪器调试和校验、测控软件设计和开发等相关工作,并基于调试成功的仪器进行了典型材料的压痕试验可靠性研究。主要内容如下:（1）基于压痕测试仪器中常用的驱动技术和检测技术,根据设计需求完成微米尺度压痕测试装置的驱动和精密检测部件的选型工作,选用步进电机作为压痕仪器的驱动方式,采用应变片式的载荷传感器和光栅式的位移传感器作为压痕仪器的检测方式。针对压痕试验中常用的Berkovich压头、Vickers压头和圆锥压头等,基于经典Oliver-Pharr压痕测试方法进行理论阐释。（2）... 

【文章来源】：湘潭大学湖南省

【文章页数】：78 页

【学位级别】：硕士

【部分图文】：

压头与试验样品接触面积示意图[57]

Doerner与Nix研发的压痕仪[61]

湘潭大学硕士研究生论文5据进行处理分析，即可计算出试验样品的力学参数[50]，他们研发出的压痕仪器结构如图1.3所示。图1.3Oliver和Pharr研发的压痕仪器[50]2002年，Minnesota大学的Thurn和Cook等[72]研究人员将纳米压入测量原理应用到宏观压入试验，并且自制了一台宏观压入仪，仪器的结构如图1.4所示。该仪器的最大测试载荷为100N，仪器的位移分辨率为50nm，仪器的载荷分辨率为50mN。图1.4Thurn和Cook等研发的压痕仪器[72]2004年，瑞士洛桑联邦理工学院的Rabe等[66]研发出了一台压痕测试装置，该仪器可以与扫描电镜配合起来对有原位监测需求的试验样品进行压痕测试。该仪器由于其工作特性，设计地较为精巧，所搭配的各项传感器的精度都很高，其主要部件有：可平面移动的测试台，精密传感器和压痕驱动部件以及提供大行程移动的步进电机等。在进行原位试验之前需要先将整个压痕装置在电镜内部固定好，以便压痕仪器能够稳定的进行试验工作，然后通过计算机发出指令控制驱动电机实现整个精密压入部件的宏观移动，当整个精密压入部件调整至电镜可以进行观察的恰当位置后，即可开始压痕试验的加载、保载和卸载步骤。进行压痕试


本文编号：3304818