测量应力作用下材料微观力学性能的加载装置及方法
【专利摘要】本发明是一种测量应力作用下材料微观力学性能的加载装置及方法，加载装置包括加载装置主体、施力刀和螺钉，加载装置主体设置加载螺孔，加载螺孔下方设置施力刀卡槽，两个侧框由支撑刀构成，作为支撑平台；施力刀为尖契形，尖契形的刀头为圆角；螺钉上的螺纹与加载装置主体的加载螺孔相配合，螺帽顶部开直槽，用于旋入加载螺孔，并对施力刀施加正压力。本发明能很方便的、简单、直接的运用于NanoIndenter（MTS,USA）纳米压痕仪，且不需要对仪器进行改造、加工。进一步简化了加载方法，使得材料所受应力的理论计算值和真实值更加吻合。
【专利说明】测量应力作用下材料微观力学性能的加载装置及方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及材料的力学性能测量技术，尤其是涉及适用于纳米压痕仪上的加载装置及方法，用于测量材料在应力作用下纳米尺度的力学性能。
【背景技术】
[0002]纳米压痕技术，也称深度敏感压痕技术，是测试材料力学性质的方法之一，可以在纳米尺度上测量材料的各种力学性能，如:载荷-位移曲线、弹性模量、硬度、断裂韧性、应变硬化效应、粘弹性或螺变行为等(A.C.Fischer-Cripps, Nano indentation, seconded., Springer, NewYork, 2004)。纳米压痕仪的出现及应用使得纳米压痕技术得以广泛的应用。从WebofknowledgeSM数据库中的检索结果可以看出，有关纳米压痕仪研究的报道从20世纪80年代就开始出现了，而且关于其研究的文献逐年增加，每年关于其研究的引文数已接近1600次，由此可见纳米压痕仪作为研究材料力学性能的仪器之一，越来越受到关注及运用。然而，目前很少有人研究材料在应力作用下的微观力学性能，这主要是受制于纳米压痕仪专用载物台对样品的要求，很难实现对样品的加载。
[0003]传统加载装置一般均采用千分表对扰度测定后来定量加载，加载装置尺寸设计均过大，不适合在NanoIndenter (MTS, USA)纳米压痕仪上运用。
【发明内容】
[0004]本发明的目的是提出一种测量应力作用下材料微观力学性能的加载装置及方法，以实现NanoIndenter (MTS, USA)纳米压痕仪测量外应力作用下材料的纳米力学性能为目标，进一步发展纳米压痕仪的研究领域，使其在定性、定量研究应力作用下材料的纳米力学性能上提供具体的实验方案。
[0005]为了实现本发明的目的，提出以下技术方案:
[0006]一种测量应力作用下材料微观力学性能的加载装置，所述加载装置包括加载装置主体、施力刀和螺钉，其中，
[0007]所述加载装置主体为下部开口的门形框架，框架顶部正中沿加载装置主体轴线部位设置加载螺孔，加载螺孔下方设置施力刀卡槽；所述门形框架的两个侧框由支撑刀构成，所述支撑刀的头部形成向上的锐角，两个支撑刀沿加载装置的主体对称，作为支撑平台；
[0008]所述施力刀为一个正方体，在正方体的两个侧面的三分之二处向下斜切，形成尖契形，尖契形的刀头为圆角；
[0009]所述螺钉上的螺纹与加载装置主体的加载螺孔相配合，螺帽顶部开槽，用于旋入加载螺孔，并对施力刀施加正压力。
[0010]所述加载装置主体长26mm、宽15mm、厚5mm ;所述支撑刀的刀头形成60度角，且支撑刀头的圆角半径为0.3mm ;所述的加载螺孔直径为3mm，螺纹间距为0.5mm ;所述施力刀卡槽深度为2mm,宽度为5mm ;所述施力刀的厚度为5mm,施力刀长6mm、宽5mm,施力刀头角度为60°且施力刀头的圆角为0.3mm，确保施力刀在加载过程中的方向始终在加载装置的主体轴线上；所述螺钉直径为3mm，螺钉长度为8臟，螺钉间距为0.5mm。
[0011]本发明还提出使用所述加载装置的测量应力作用下材料微观力学性能的方法，所述方法包括步骤:
[0012]I)准备加工试样；
[0013]2)将处理好的样品装配在加载装置上，使待测表面与水平面保持平行；
[0014]3)按照实验设计方案，计算出加载预定弹性载荷所需的扰度；
[0015]4)根据计算出的扰度定量加载；
[0016]5)将加载后的加载装置固定在NanoIndenter纳米压痕仪的样品台上进行测试，纳米压痕仪的测试结果和之前计算出的定量的应力一一对应，得到材料在定量应力作用下的微观力学性能。
[0017]在步骤I),所述试样的尺寸要求为:16~20mm长,5mm高，I~2mm厚。所述试样的待测表面进行抛光处理，并设计缺口或预裂纹；以确保测量数据的可靠性及稳定性。
[0018]在步骤3)，计算加载预定弹性载荷所需的扰度的公式如下:
【权利要求】
1.一种测量应力作用下材料微观力学性能的加载装置，其特征在于:所述加载装置包括加载装置主体、施力刀和螺钉，其中， 所述加载装置主体为下部开口的门形框架，框架顶部正中沿加载装置主体轴线部位设置加载螺孔，加载螺孔下方设置施力刀卡槽；所述门形框架的两个侧框由支撑刀构成，所述支撑刀的头部形成向上的锐角，两个支撑刀沿加载装置的主体对称，作为支撑平台； 所述施力刀为一个正方体，在正方体的两个侧面的三分之二处向下斜切，形成尖契形，尖契形的刀头为圆角； 所述螺钉上的螺纹与加载装置主体的加载螺孔相配合，螺帽顶部开槽，用于旋入加载螺孔,并对施力刀施加正压力。
2.根据权利要求1所述的加载装置，其特征在于:所述加载装置主体长26_、宽15_、厚5mm ;所述支撑刀的刀头形成60度角，且支撑刀头的圆角半径为0.3mm ;所述的加载螺孔直径为3mm,螺纹间距为0.5mm ;所述施力刀卡槽深度为2mm,宽度为5mm ;所述施力刀的厚度为5mm，施力刀长6mm、宽5mm，施力刀头角度为60°且施力刀头的圆角为0.3mm，确保施力刀在加载过程中的方向始终在加载装置的主体轴线上；所述螺钉直径为3mm，螺钉长度为8mm,螺钉间距为0.5mm。
3.使用如权利要求1或2所述加载装置的测量应力作用下材料微观力学性能的方法，其特征在于:所述方法包括步骤: 1)准备加工试样； 2)将处理好的样品装配在加载装置上，使待测表面与水平面保持平行； 3)按照实验设计方案，计算出加载预定弹性载荷所需的扰度； 4)根据计算出的扰度定量加载； 5)将加载后的加载装置固定在NanoIndenter纳米压痕仪的样品台上进行测试,纳米压痕仪的测试结果和之前计算出的定量的应力一一对应，得到材料在定量应力作用下的微观力学性能。
4.根据权利要求3所述的测量应力作用下材料微观力学性能的方法，其特征在于:在步骤I )，所述试样的尺寸要求为:16~20mm长,5mm高，I~2mm厚。
5.根据权利要求4所述的测量应力作用下材料微观力学性能的方法，其特征在于:在步骤1)，所述试样的待测表面进行抛光处理，并设计缺口或预裂纹；以确保测量数据的可靠性及稳定性。
6.根据权利要求5所述的测量应力作用下材料微观力学性能的方法，其特征在于:在步骤3)，计算加载预定弹性载荷所需的扰度的公式如下:
7.根据权利要求6所述的测量应力作用下材料微观力学性能的方法，其特征在于:在步骤4)，定量加载的方法包括通过千分表测量材料施力刀处的扰度或直接通过螺钉的加载角度进行定量加载；所述试验时材料的最大应力值不应超过材料的弹性极限，如果超过，则在计算时需要考虑材料的塑性形变行为。
【文档编号】G01N3/08GK103698214SQ201310746964
【公开日】2014年4月2日 申请日期:2013年12月30日 优先权日:2013年12月30日
【发明者】高克玮, 屈少鹏, 李晓, 庞晓露, 王燕斌 申请人:北京科技大学