拉伸—弯曲预载荷下纳米压痕装置设计分析与试验研究

发布时间：2017-10-24 22:06

  本文关键词：拉伸—弯曲预载荷下纳米压痕装置设计分析与试验研究

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【摘要】：材料是人类生产生活的物质基础,因对材料变形损伤和破坏机理缺乏研究,致使材料在正常服役中失效破坏的现象时有发生,给国家经济和人民的生命财产安全造成了巨大损失。各类材料在服役中都不可避免受到载荷作用,虽然材料力学性能测试的技术近年来发展较快,但针对接近服役条件下的测试理论与方法的研究鲜有报道。目前,英、美和瑞士等国都有商业化的压痕测试仪器产品,所开展的压痕测试都是针对样品材料开展的单一压痕测试,而复合载荷下的纳米压痕测试理论与方法罕见报道。因此,针对材料在复合载荷下的纳米压痕测试研究越来越受到国内外学者的广泛关注。复合载荷下的纳米压痕测试,由于可以借助显微成像系统,对材料的力学行为进行原位观测,在材料力学测试、生物力学和生物医学等领域具有广泛的应用前景。所以,研究复合载荷压痕测试的基本理论与关键技术具有重要意义。同时,在复合载荷耦合和解耦、测试仪器误差校正等方面,还有待深入研究。本文面向国家重大需求,结合复合载荷下压痕测试方面的国内外进展与现存问题,开展了复合载荷预加载下纳米压痕装置设计分析和试验的基础研究。在此基础上,针对装置设计制造、检测控制、调试校准等理论与技术,展开了较为深入的研究;并利用自主研制的装置开展了典型材料微观力学性能的测试分析。论文主要内容如下:系统研究了拉伸、弯曲和压痕测试基本理论。在此基础上,推导了四点弯曲测试的挠度曲线方程。针对复合载荷加载的情况,建立了预拉伸-弯曲复合和预弯曲-拉伸复合加载理论模型,对弹性模量的计算公式提出了修正算法,分析了有无圆弧过渡对测试试样的表面应力分布影响。根据仿真结果得出的结论为:在设计试样时,增加圆弧过渡后,试样表面应力分布更平缓,可以有效地降低夹持端部的应力集中。开展了复合载荷预加载下纳米压痕装置的设计分析。着重研究了测试装置的机械结构功能模块设计和控制系统搭建等理论与技术问题,通过ANSYS软件对关键零部件进行静动态特性、整机静动态特性有限元仿真分析。仿真分析结果表明,所设计的装置基本满足要求。开展了复合载荷预加载下纳米压痕装置的性能测试试验。首先,对测试装置各模块单元中的力传感器和位移传感器进行了标定试验。其次,利用Q235钢、6061铝合金、黄铜等对拉伸、弯曲和压痕模块开展了重复性试验,将自主开发装置的试验曲线与商业化试验机的测试曲线进行对比。结果表明,测试曲线具有较好的一致性,各模块具有很好的测试精度和重复精度。对拉伸模块的试件夹持部分和机架变形部分提出了修正算法,利用Q235钢作为测试试件,开展了试验研究和校准修正。试验结果表明:弹性模量校正后测试误差为2.6%;对弯曲模块测试装置的机架柔度进行了修正,并开展了试验研究,试验测定6061铝合金和紫铜的弹性模量测试误差分别为4.78%和1.52%,验证了修正算法的可靠性。然后,利用玻氏压头对铝合金试件进行了不同最大压入载荷的试验,得出的结论为:压入载荷越大,弹性模量值相对减小,而硬度值变化不大。最后,对不同弯曲压头的接触半径开展了四点弯曲测试试验,试验结果表明,在相同弯曲载荷作用下,压头半径越大,弯曲载荷-挠度曲线的斜率越大,即试样的变形量越小。利用自制的拉-弯预载荷纳米压痕装置,针对铝合金、铸铁、Q235钢和骨骼等材料开展了典型应用研究。首先,针对6061铝合金和铸铁材料开展了拉伸预载荷下压痕测试试验、弯曲预载荷下压痕测试试验和拉伸-弯曲预载荷下压痕测试试验。其次对材料Q235钢开展了纯拉伸、纯弯曲及复合载荷下的金相组织试验。结合金相显微镜对Q235试件在拉伸、弯曲及其复合载荷作用下微观形貌的变化过程进行原位观测,发现在载荷的不同加载阶段,材料的微观组织结构的变化及裂纹的发展规律。最后针对生物材料骨骼开展了仿真分析和压痕测试试验。采用真实骨骼作为测试试件,开展了有无内部缺陷的骨骼纳米压痕测试试验,并利用高景深显微镜,观测到骨骼表面二维形貌和压痕深度的变化。试验结果表明:对于一定试样尺寸,当预置缺陷半径r越大时,硬度的绝对偏差受压痕深度影响较大,随压痕深度的增加,硬度的绝对偏差明显减小,表明试样内部缺陷在一定程度上影响其硬度值。
【关键词】：拉伸 弯曲 纳米压痕 原位观测 骨骼
【学位授予单位】：吉林大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TH87
【目录】：

• 摘要5-7
• ABSTRACT7-13
• 第1章 绪论13-29
• 1.1 课题研究背景与研究意义13-14
• 1.2 国内外研究现状14-27
• 1.2.1 拉伸测试技术发展现状15-19
• 1.2.2 弯曲测试技术发展现状19-22
• 1.2.3 压痕测试技术发展现状22-25
• 1.2.4 复合载荷测试技术国内外发展现状25-27
• 1.3 本文主要研究内容27-29
• 第2章 材料力学性能测试的基本理论29-43
• 2.1 材料力学性能测试理论模型29-35
• 2.1.1 拉伸测试基本理论29-30
• 2.1.2 弯曲测试基本理论30-33
• 2.1.3 压痕测试基本理论33-35
• 2.2 复合载荷加载理论模型35-38
• 2.2.1 预拉伸-弯曲复合加载理论模型35-36
• 2.2.2 预弯曲-拉伸复合加载理论模型36-38
• 2.3 测试试样的受力分析和圆弧过渡影响38-41
• 2.4 本章小结41-43
• 第3章 复合载荷压痕测试装置的设计与分析43-59
• 3.1 测试装置功能43-44
• 3.2 主要功能模块及组成44-47
• 3.2.1 拉伸模块设计分析45
• 3.2.2 弯曲模块设计分析45-46
• 3.2.3 压痕模块设计分析46-47
• 3.3 关键零部件的静动态特性分析47-52
• 3.4 整机静力学和动力学特性分析52-54
• 3.5 控制系统设计54-57
• 3.5.1 控制系统组成54-55
• 3.5.2 电控单元设计55-56
• 3.5.3 控制软件界面及功能介绍56-57
• 3.6 本章小结57-59
• 第4章 复合载荷压痕测试装置的性能测试试验59-83
• 4.1 测试装置各传感器标定与精度分析59-65
• 4.1.1 拉伸测试单元传感器标定与精度分析60-63
• 4.1.2 弯曲测试单元传感器标定与精度分析63-64
• 4.1.3 压痕测试单元传感器标定与精度分析64-65
• 4.2 各模块单元性能测试试验65-72
• 4.2.1 拉伸-弯曲预载荷下纳米压痕测试的试验方案65-66
• 4.2.2 拉伸模块性能测试试验66-68
• 4.2.3 弯曲模块性能测试试验68-69
• 4.2.4 压痕模块性能测试试验69-72
• 4.3 测试装置性能的影响因素分析72-80
• 4.3.1 拉伸模块性能的影响因素分析72-77
• 4.3.2 弯曲模块性能的影响因素分析77-80
• 4.4 拉伸预载荷对弯曲性能测试的影响80-81
• 4.5 本章小结81-83
• 第5章 拉-弯预载荷下压痕测试试验83-103
• 5.1 单纯拉伸加载下材料压痕响应的测试试验83-85
• 5.1.1 拉伸预载荷条件下压痕测试试验分析83-84
• 5.1.2 拉伸变载荷条件下压痕测试试验分析84-85
• 5.2 单纯弯曲加载下材料压痕响应的测试试验85-87
• 5.2.1 弯曲预载荷条件下压痕测试试验分析85
• 5.2.2 弯曲变载荷条件下压痕测试试验分析85-86
• 5.2.3 不同压头半径下的四点弯曲测试86-87
• 5.3 拉-弯预载荷下材料压痕响应的测试试验87-89
• 5.3.1 复合载荷定载荷下压痕测试试验分析87-88
• 5.3.2 复合载荷变载荷下压痕测试试验分析88-89
• 5.4 典型材料微观力学性能原位测试试验89-95
• 5.4.1 Q235单纯拉伸状态下金相组织原位测试89-91
• 5.4.2 Q235单纯四点弯曲状态下金相组织原位测试91-93
• 5.4.3 Q235拉伸-弯曲复合载荷下金相组织原位测试93-95
• 5.5 纳米压痕测试试验典型应用95-101
• 5.5.1 骨骼样本压痕有限元仿真和测试试验95-97
• 5.5.2 骨骼样本内部缺陷的压痕有限元仿真和测试试验97-101
• 5.6 本章小结101-103
• 第6章 总结与展望103-105
• 参考文献105-115
• 作者简介及研究成果115-117
• 致谢117

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