高温环境下微纳米压痕测试平台设计分析与试验研究

发布时间：2017-09-16 01:38

  本文关键词：高温环境下微纳米压痕测试平台设计分析与试验研究

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【摘要】：微纳米压痕测试技术基于实时采集压头压入样品的载荷和深度,进而从载荷-压深曲线中获取材料的硬度、弹性模量等参数,结合压痕区域材料变形情况,研究材料在载荷作用下的性能及微观组织演化规律,以其测试参数高分辨率、试样制备简单方便,测试参数种类丰富等特点,逐渐成为测试材料微观力学性能的主流手段之一。由于一些材料实际服役环境极为复杂,不可避免受到复杂温度场的作用,材料会表现出与常温下迥然不同的性能,常温条件下的微纳米压痕测试获取的材料参数难以表征实际使用性能,开展变温环境特别是高温环境下材料压痕响应测试技术的研究显得尤为重要,相关工作对于揭示材料高温力学性能和指导材料制备、及其寿命预测和可靠性评估具有重要的理论意义和应用价值。论文评述了高温微纳米压痕测试技术的研究背景和意义,综述分析了高温微纳米压痕测试技术的国内外发展现状,并从测试技术与仪器、材料压痕响应研究两个方面进行了归纳总结。论文在分析研究微纳米压痕测试基本理论、关键技术以及高温加载/测试关键技术的基础上,讨论了温度加载对压痕测试的影响,进而开展了基于模块化思想的高温微纳米压痕测试装置的设计分析,建立测试平台三维模型,开展了关键零部件和整机的静力学、动力学和热学仿真分析。在上述工作的基础上,开展了高温微纳米压痕测试平台整机集成、载荷/位移检测单元标定等工作,并测试分析了室温至1000℃范围内测试平台的温度稳定性,验证了用于拓宽测试装置载荷量程范围的双传感器检测方案的可行性。采用标准硬度块700-800HV50对测试装置进行了压痕测试结果的校准,校准后的测试结果与商业化仪器测试结果相比,硬度测试误差为3.2%,弹性模量测试误差为8.6%,且测试曲线具有良好的重复性。利用电机加载进行大载荷压痕测试,测试硬度和模量误差率为1.7%和8.5%。利用校准后的测试平台,论文分别针对熔融石英和GH1131高温合金开展了压痕响应的测试研究,结合测试结果发现:随着温度的升高,熔融石英的硬度逐渐降低,而弹性模量呈现上升趋势;GH1131高温合金的硬度和模量均有所降低。
【关键词】：高温 微纳米压痕 压痕响应 熔融石英 高温合金
【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】：TH87
【目录】：

• 摘要5-7
• Abstract7-12
• 第1章 绪论12-28
• 1.1 研究背景及意义12-13
• 1.2 国内外研究现状13-26
• 1.2.1 高温环境微纳米压痕测试技术研究现状14-20
• 1.2.2 高温环境材料压痕响应研究的研究现状20-26
• 1.3 本文研究内容26-28
• 第2章 微纳米压痕测试原理与高温压痕测试的关键技术28-40
• 2.1 微纳米压痕测试技术的原理28-33
• 2.1.1 微纳米压痕测试技术的特点28-29
• 2.1.2 微纳米压痕测试的典型分析方法与经典力学模型29-31
• 2.1.3 压头主要类型及其相关参数31-33
• 2.2 精密压入驱动技术33-35
• 2.2.1 大行程压入驱动方式的实现33-34
• 2.2.2 小行程精密驱动技术—压电叠堆34-35
• 2.3 高温压痕测试的关键技术35-37
• 2.4 测控软件设计分析37-39
• 2.5 本章小结39-40
• 第3章 高温环境微纳米压痕测试装置设计分析40-60
• 3.1 测试平台整机设计40-44
• 3.1.1 压痕机械加载模块结构原理设计40-41
• 3.1.2 温度加载模块的设计与注意事项41-43
• 3.1.3 测试平台整体结构43-44
• 3.2 关键机械单元的设计分析44-51
• 3.2.1 Z轴精密旋转定位平台设计分析44-47
• 3.2.2 Z轴宏动工作台设计分析47-48
• 3.2.3 精密驱动单元设计分析48-51
• 3.3 关键机械部件温度特性分析51-53
• 3.4 精密检测单元的设计分析53-56
• 3.4.1 双传感器检测方案的设计53-54
• 3.4.2 载荷检测模块54-55
• 3.4.3 位移检测模块55-56
• 3.5 测试装置三维模型及整机模态分析56-59
• 3.5.1 测试平台整机三维模型56-57
• 3.5.2 测试平台整机模态分析57-59
• 3.6 本章小结59-60
• 第4章 测试平台调试校准与相关试验60-86
• 4.1 测试平台整机集成60-61
• 4.2 精密驱动单元输出特性测定61-66
• 4.3 温控单元的变温加载性能测试分析66-69
• 4.3.1 温度加载及保持性测试66-67
• 4.3.2 交替变温的响应实时性测试67
• 4.3.3 温度对信号检测波动的影响67-69
• 4.4 载荷/位移传感器的标定校准69-74
• 4.4.1 载荷力传感器的标定校准69-73
• 4.4.2 位移传感器的标定校准73-74
• 4.5 测试平台的性能测试74-76
• 4.5.1 原始压痕曲线测试74-75
• 4.5.2 原始压痕曲线重复性测试75-76
• 4.6 测试平台的精度校准与修正76-80
• 4.6.1 测试平台机架柔度校准分析76-77
• 4.6.2 校准后压痕曲线及其重复性测试分析77-78
• 4.6.3 电机驱动大载荷压痕校准78-80
• 4.7 相关材料高温压痕响应研究80-84
• 4.7.1 熔融石英高温压痕响应研究80-83
• 4.7.2 GH1131材料高温压痕测试83-84
• 4.8 本章小结84-86
• 第5章 总结与展望86-90
• 5.1 总结86-87
• 5.2 展望87-90
• 参考文献90-96
• 作者简介及攻读硕士学位期间的主要科研成果96-98
• 致谢98

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本文编号：860163