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試儀主要用于測量納米尺度的硬度與彈性模量，可以用于研究或測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，但由于目前國際環(huán)境的影響，諸多國內(nèi)院校研究所均不考慮購買國外的設(shè)備。所以我司應(yīng)某科技大學(xué)要求，共同開發(fā)了一款對金屬材料的球壓痕試驗(yàn)儀。

此款壓痕載荷位移測試儀可測量各種材料的硬度，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。但可以針對某些特定的功能進(jìn)行擴(kuò)展開發(fā)來逐步完善。下面的功能是已經(jīng)完成的壓痕測試儀的部分功能。

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,待到壓頭開始平穩(wěn)接觸測試表面時(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)"后正式幵始自動球壓痕試驗(yàn)。設(shè)置自動球壓痕試驗(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)前載荷值后自動開始試驗(yàn),加載與卸載速率由系統(tǒng)自動控制,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)離試樣測試表面的起始高度,單次自動球壓痕試驗(yàn)正式結(jié)束

真應(yīng)力-應(yīng)變曲線

自動球壓痕試驗(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)過程中每一個(gè)加載、卸載循環(huán)周期都能測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ε，繪制真應(yīng)力-工程應(yīng)變曲線

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