低温纳米压痕测试装置的设计分析与试验研究

发布时间：2017-12-07 09:06

  本文关键词：低温纳米压痕测试装置的设计分析与试验研究

  更多相关文章： 压痕 低温 真空 测试装置 熔融石英 压痕曲线 弹性模量

【摘要】：基于压入载荷-深度曲线进行数据分析处理的纳米压痕测试技术,具有获取材料微观力学性能信息丰富、试样制备简单、测量分辨力高等其它测试技术手段无可比拟的优势。由于材料的力学性能与其服役条件密切相关,采用常温条件下测得的材料力学性能参数去指导低温环境下材料或结构的设计、制造和使用,显然是不够科学的,而传统纳米压痕测试仪器尚不具备评定材料低温力学性能的能力。因此,开展低温纳米压痕测试技术的研究和测试装置的研制显得十分重要。本文结合当前材料力学性能测试背景,总结概括了纳米压痕测试技术与低温纳米压痕测试技术的国内外研究现状,并分析了当前低温纳米压痕测试研究所存在的问题。在此基础上,论文着重阐述了利用Oliver-Pharr分析法进行数据分析的分析流程,分析比较了压痕测试中常用精密驱动、精密检测方法以及低温制冷手段的优势和不足。结合上述工作,论文设计了一种可工作于真空中、能够实现100K~常温(293K)连续变温的压痕测试装置,建立了测试装置的虚拟样机模型,开展了关键机械元件和整机的静动态特性分析,验证了设计方案的可行性。论文通过对三种低温变温方案的比对分析,指出了“整体真空-接触变温”方案的优势,研究了电气元件隔热问题的解决办法。在此基础上,论文开展了低温纳米压痕测试装置原型样机的集成与测试系统的搭建工作,进行了各类传感器的标定与测试装置机架柔度的校准等工作,并着重开展了精密压入单元的输出性能测试、测试系统的闭环控制特性和位移输出特性测试、变温压痕曲线的重复性测试等测试工作。测试结果表明:论文设计的精密压入单元具有较快的响应速度,测试系统具有压入载荷控制和压入深度控制两种模式的闭环控制,能够实现最大压入深度为20nm~30μm的压痕测试,校准后的压痕测试曲线与同条件下商业化压痕仪的压痕测试曲线吻合度高、测试结果重复性好,硬度和弹性模量的测试值仅偏离标准值1.42%和0.89%。论文还开展了真空室系统的抽气速度和自然漏气等情况的测试分析工作。通过开展隔热压杆的隔热性能测试、扩展载物台的降温和升温时间历程测试可知,所设计的隔热压杆结构能够满足低温纳米压痕测试的隔热要求,采用液氮制冷液降温时,扩展载物台与恒温器载物台保持着10K左右的温差,而升温时这一现象则不存在,扩展载物台所能达到的最低温度为87.3K。利用自制低温纳米压痕测试装置,本文研究了真空度的变化、试样粘结胶固化时间对测试结果的影响,并开展了熔融石英的低温变温压痕测试,实现了不同温度下熔融石英的硬度、弹性模量和压痕测试曲线的获取。试验结果表明,当真空度在10-1Pa~105Pa(1atm)变化时,可以忽略真空度的变化对压痕测试曲线和测试力学参数的影响;当温度在100K~293K变化时,随着温度的降低,熔融石英的压痕测试曲线表现出明显的规律性,即最大压入深度增加,接触刚度有所减小;试验测得293K和100K时熔融石英的弹性模量值、硬度值分别为60.36GPa、9.10GPa和49.75GPa、7.25GPa,均有随温度降低而减小的趋势。
【学位授予单位】：吉林大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TB383.1

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本文编号：1261839