納米壓痕儀的作用

納米壓痕儀是一種高分辨率的納米力學(xué)測(cè)試系統(tǒng)，能夠在微尺度和納米尺度上準(zhǔn)確量化材料的機(jī)械和摩擦學(xué)特性。儀器化壓痕載荷位移測(cè)試儀主要用于測(cè)量納米尺度的硬度與彈性模量，可以用于研究或測(cè)試薄膜等納米材料的接觸剛度、蠕變、彈性功、塑性功、斷裂韌性、應(yīng)力-應(yīng)變曲線、疲勞、存儲(chǔ)模量及損耗模量等特性。這種設(shè)備一般為進(jìn)口，但由于目前國(guó)際環(huán)境的影響，諸多國(guó)內(nèi)院校研究所均不考慮購(gòu)買(mǎi)國(guó)外的設(shè)備。所以我司應(yīng)某科技大學(xué)要求，共同開(kāi)發(fā)了一款對(duì)金屬材料的球壓痕試驗(yàn)儀。

此款壓痕載荷位移測(cè)試儀可測(cè)量各種材料的硬度，模量，蠕變，松弛和斷裂韌性，從散裝金屬和陶瓷到水凝膠，薄膜，硬質(zhì)涂層。其功能跟進(jìn)口相比肯定有不完善之處。但可以針對(duì)某些特定的功能進(jìn)行擴(kuò)展開(kāi)發(fā)來(lái)逐步完善。下面的功能是已經(jīng)完成的壓痕測(cè)試儀的部分功能。

載荷-位移曲線

可以實(shí)現(xiàn)載荷加載-部分卸載-加載-部分卸載……的循環(huán)，試驗(yàn)時(shí)的起始預(yù)加載載荷設(shè)定為53.378 N (即12.(Hbs ),壓頭壓入試樣測(cè)試表面前的行進(jìn)速率設(shè)定為0.508 mm/s (即0.02 in/s)左右,靠近試樣測(cè)試表面時(shí)降低到0.127 mm/s (即0.005 in/s)左右,而當(dāng)位移傳感器接觸到試樣基準(zhǔn)面時(shí),壓頭行進(jìn)速率進(jìn)一步降低到0.00533 mm/s (即0.00021 in/s)左右,然后壓頭保持該速率緩慢向下運(yùn)動(dòng),待到壓頭開(kāi)始平穩(wěn)接觸測(cè)試表面時(shí)則進(jìn)入預(yù)加載階段。當(dāng)預(yù)加載載荷達(dá)到設(shè)定值時(shí)即停止加載,選擇“繼續(xù)試驗(yàn)"后正式幵始自動(dòng)球壓痕試驗(yàn)。設(shè)置自動(dòng)球壓痕試驗(yàn)的載荷、載荷加載與卸載的循環(huán)次數(shù)以及每次卸載載荷與當(dāng)前載荷值后自動(dòng)開(kāi)始試驗(yàn),加載與卸載速率由系統(tǒng)自動(dòng)控制,在完成次加載后,試驗(yàn)機(jī)將把載荷卸除并將橫梁及壓頭快速回升到遠(yuǎn)離試樣測(cè)試表面的起始高度,單次自動(dòng)球壓痕試驗(yàn)正式結(jié)束

真應(yīng)力-應(yīng)變曲線

自動(dòng)球壓痕試驗(yàn)獲得的載荷-位移曲線如圖所示,圖中僅列出了3個(gè)加、卸載循環(huán)周期。通過(guò)添加“部分卸載"環(huán)節(jié),有助于確定每個(gè)加載循環(huán)點(diǎn)的總壓痕深度以及殘余壓痕深度

屈服強(qiáng)度

屈服強(qiáng)度計(jì)算

其中dt為總壓痕直徑；ht為總壓痕深度；D為壓頭直徑。

試驗(yàn)過(guò)程中每一個(gè)加載、卸載循環(huán)周期都能測(cè)量到球壓頭的總壓入深度ht,并可根據(jù)上式將其轉(zhuǎn)化為總的壓痕直徑dt。根據(jù)載荷-位移曲線，每個(gè)ht都對(duì)應(yīng)一個(gè)載荷P,以dt/D為橫坐標(biāo)，P/dt²（Mpa）為縱坐標(biāo)繪制換算屈服強(qiáng)度曲線

抗拉強(qiáng)度

ε_p=ln（1+ε）

上式中，ε_p為真應(yīng)變，ε為工程應(yīng)變，根據(jù)真應(yīng)力-應(yīng)變曲線的數(shù)據(jù)，將其橫坐標(biāo)改為工程應(yīng)變?chǔ)?，繪制真應(yīng)力-工程應(yīng)變曲線

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