预应力温度梯度下原位纳米压痕测试装置的设计与试验研究

发布时间：2020-03-21 17:41

【摘要】：纳米压痕测试技术是一种无损测试方式,已成为微观力学性能测试的主流方法之一,越来越受到大家的青睐。上世纪五十年代欧美国家开始对纳米压痕测试技术进行研究,已经能够实现原位纳米压痕且已商业化,我国在近十年里对这一领域进行大力发展,目前在纳米压痕测试技术方面的研究已取得一定成效。材料在实际服役中,受到多种载荷的共同作用,并且在受力过程中由于环境温度的变化,同时受到热场影响,导致材料的失效不是某单一载荷而是由多场多载荷共同作用造成的。为研究材料在实际服役状态下的可靠性、稳定性,设计一种精密检测其微观力学参数的预应力温度梯度下原位纳米压痕测试仪具有重要意义。以压痕测试技术理论为基础,设计纳米压痕测试装置的机械结构,通过有限元仿真分析验证机械结构的合理性,计算出该装置的机架柔度实现压痕仪的校准。利用校准后的压痕仪压入标准熔融石英试样采集载荷位移曲线,与商业化压痕仪采集的曲线对比显示重合度很高,说明自制压痕仪具有可靠性;通过对标准熔融石英试样重复性压入采集曲线显示重复性良好,说明自制压痕仪具有稳定性。调试过程中首先对压痕力传感器和位移传感器进行标定,然后通过PID进行反馈调节测试,最后对压头和试件进行检测,测试结果:位移分辨力达到0.1nm,载荷分辨力达到0.001m N,控制速率为1nm/s到50nm/s和0.1m N/s到50m N/s。利用研制的测试装置进行纳米压痕测试试验,选取的试样为TC4钛合金,TC4机械性能较好在航空航天具有广泛应用。通过两次纳米压痕测试得知钛合金TC4的弹性模量较低,在钛合金TC4生产加工时,往往需要对其进行离子注入以提高其显微硬度。再对Ni-Ti记忆合金进行温度梯度下的压痕测试,Ni-Ti记忆合金是一种形状记忆合金。通过观察Ni-Ti记忆合金在不同温度下的载荷-位移曲线发现,材料的力学特性发生了变化,当温度达到45℃时压痕曲线发生明显变化,通过试验结束后的数据处理发现,在相变点温度之前,弹性模量和刚度几乎保持不变,达到相变点温度之后,由于材料的记忆效应弹性形变,弹性模量、刚度突然增加。对镁铝合金在温度梯度下进行预疲劳纳米压痕测试,结果表明经过预疲劳加载会使试件弹性模量明显增加,再对试件加热会使材料弹性模量降低且弹性模量介于预疲劳加载前后之间;预疲劳条件下会使镁铝合金抗压性得到一定程度的提高,高温预疲劳条件下会使镁铝合金抗压性提高的更加明显。
【学位授予单位】：吉林大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：TH87

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本文编号：2593697