專(zhuān)利名稱(chēng)：一種小尺度片狀樣品三點(diǎn)彎曲力學(xué)性能測(cè)試方法和裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于一種小尺度片狀樣品三點(diǎn)彎曲力學(xué)性能測(cè)試的方法及其裝置，包括應(yīng)用于表面制備有薄膜材料片狀樣品的力學(xué)性能測(cè)試以及預(yù)制有微裂紋脆性材料高速開(kāi)裂速度測(cè)試實(shí)驗(yàn)研究領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
目前，在國(guó)內(nèi)外的材料的小尺度片狀樣品脆韌性轉(zhuǎn)變、裂紋尖端位錯(cuò)發(fā)射行為以及預(yù)制有微裂紋的脆性材料高速開(kāi)裂行為的研究中，前者一般采用納米壓痕和塊體材料的等軸拉伸等方法，而后者研究中通常將樣品固定在硬質(zhì)彈性框架上，再通過(guò)力學(xué)測(cè)量系統(tǒng)對(duì)框架加載實(shí)現(xiàn)大尺度或者塊體材料在微變形的情況下實(shí)現(xiàn)裂紋高速開(kāi)裂。但隨著當(dāng)今科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，各方面對(duì)不同材料的相關(guān)實(shí)驗(yàn)展開(kāi)，包括高分子材料、單晶材料、多晶材料、薄膜材料以及非晶材料，對(duì)小尺度樣品裂紋開(kāi)裂行為研究提出越來(lái)越高的要求，同時(shí)要求樣品測(cè)試過(guò)程中避免更多的外來(lái)干擾，因?yàn)樵诹鸭y尖端和裂紋高速開(kāi)裂行為研究中關(guān)注的主要問(wèn)題是材料本征結(jié)構(gòu)和能量耗散之間的關(guān)系，雖然目前已經(jīng)有大量相關(guān)工作開(kāi)展，包括采用分子動(dòng)力學(xué)模擬和有限元模擬方法對(duì)裂紋尖端的運(yùn)動(dòng)和裂紋尖端能量變化進(jìn)行分析，但控制裂紋高速開(kāi)裂的動(dòng)態(tài)機(jī)制仍然不為人們很好理解，在研究材料的尺度、溫度效應(yīng)和控制精度等方面需要深入開(kāi)展下去，而在目前使用的方法中要求樣品較大，無(wú)法實(shí)現(xiàn)小尺度樣品高速裂紋開(kāi)裂研究，而通過(guò)固定在框架上方法更使在溫度場(chǎng)中的研究無(wú)法進(jìn)行。本發(fā)明中小尺度樣品規(guī)格為(16～20)mm×(3～10)mm×(0.3～1)mm。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種小尺度片狀樣品三點(diǎn)彎曲力學(xué)性能測(cè)試的方法及其裝置，包括應(yīng)用于表面制備有薄膜材料的力學(xué)性能測(cè)試以及片狀脆性材料裂紋高速開(kāi)裂速度測(cè)試實(shí)驗(yàn)研究方面，可以很好的避免加載框架對(duì)信號(hào)采集的影響同時(shí)可以實(shí)現(xiàn)在低于1200攝氏度溫度場(chǎng)中展開(kāi)小尺度片狀樣品的相關(guān)實(shí)驗(yàn)。
本發(fā)明的技術(shù)方案是一種小尺度片狀樣品三點(diǎn)彎曲力學(xué)性能測(cè)試方法，其特征在于具體步驟如下1)首先將片狀樣品安裝到樣品臺(tái)的樣品臺(tái)支撐點(diǎn)上，將片狀樣品中間預(yù)制的微裂紋保持在兩個(gè)樣品臺(tái)支撐點(diǎn)的中間，使其上方與加載系統(tǒng)的力傳動(dòng)桿相對(duì)應(yīng)，保證力傳動(dòng)桿的載荷作用在裂紋尖端的正上方；2)調(diào)整限位螺栓，保持片狀樣品的垂直；同時(shí)控制限位螺栓與片狀樣品之間的作用力，使限位螺栓尖端與片狀材料接觸；3)對(duì)力傳動(dòng)桿采用力控制方式，使壓頭與片狀樣品的上表面接觸；4)連接導(dǎo)線(xiàn)與片狀樣品表面薄膜上預(yù)制的兩個(gè)電極，使其與電位采集系統(tǒng)相連接；5)改變控制方式使之與測(cè)試條件匹配；6)安裝熱電偶在片狀樣品的上下表面，同時(shí)調(diào)整電阻絲加熱爐的高度，保證片狀樣品在電阻絲加熱爐的均熱帶內(nèi)；7)關(guān)合電阻絲加熱爐，運(yùn)行加載系統(tǒng)，直至片狀樣品斷裂，記錄斷裂瞬間載荷和電極兩端電壓變化。
所述片狀樣品為非標(biāo)準(zhǔn)樣品，在所述步驟7)中計(jì)算臨界應(yīng)力強(qiáng)度因子Kc時(shí)，采用如下公式Kc=f(aw)3PLBw2πa]]>其中a為裂紋長(zhǎng)度，P為壓頭載荷，w為試樣的高度，B為試樣厚度，L為樣品臺(tái)支撐點(diǎn)跨距， 為形狀修正函數(shù)。
一種小尺度片狀樣品三點(diǎn)彎曲力學(xué)性能測(cè)試裝置，具有樣品臺(tái)、樣品臺(tái)支撐系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)、加熱系統(tǒng)、加載系統(tǒng)、測(cè)試系統(tǒng)，所述樣品臺(tái)為三點(diǎn)彎曲樣品臺(tái)，三點(diǎn)彎曲樣品臺(tái)由高溫合金加工而成，上面加工有放置片狀樣品的窄縫、兩個(gè)樣品支撐點(diǎn)和樣品支撐點(diǎn)外側(cè)的樣品限位點(diǎn)，樣品臺(tái)與垂直放置的片狀樣品相對(duì)應(yīng)的面上裝有限位螺栓，限位螺栓調(diào)整片狀樣品的垂直位置。
本發(fā)明的有益效果是1、本發(fā)明直接安裝小尺度片狀樣品在測(cè)試裝置上，進(jìn)行片狀樣品的三點(diǎn)彎曲實(shí)驗(yàn)，也可以進(jìn)行已經(jīng)預(yù)制微裂紋片狀樣品的臨界應(yīng)力強(qiáng)度因子測(cè)試。
2、本發(fā)明平行放置表面制備有薄膜材料片狀樣品，直接進(jìn)行力學(xué)性能測(cè)試，研究薄膜材料和基體材料的結(jié)合強(qiáng)度。
3、本發(fā)明在樣品臺(tái)及加載壓頭上鍍有納米陶瓷膜，防止樣品臺(tái)和樣品之間發(fā)生導(dǎo)電，避免在高速裂紋開(kāi)裂測(cè)試過(guò)程中干擾采集信號(hào)。
4、本發(fā)明可以在低于300攝氏度的溫度環(huán)境中進(jìn)行相關(guān)實(shí)驗(yàn)。


圖1為本發(fā)明測(cè)試裝置示意圖。
圖2為本發(fā)明圖1中樣品臺(tái)示意圖。
圖3為圖2的側(cè)視圖。
圖中標(biāo)記說(shuō)明1-1-力傳動(dòng)桿，1-2-壓頭，1-3-片狀樣品，1-4-循環(huán)冷卻水，1-5-樣品臺(tái)支撐點(diǎn)，1-6-壓力傳感器，1-7-熱電偶，1-8-電阻絲加熱爐，1-9-溫度控制柜，1-10-電位差計(jì)，1-11-樣品臺(tái)支撐桿，1-12-電極，1-13-樣品臺(tái)；2-1-樣品支撐點(diǎn)，2-2-限位螺栓，2-3-樣品限位點(diǎn)。
圖4為在不同加載速率下臨界應(yīng)力強(qiáng)度因子隨溫度變化曲線(xiàn)。
圖5為預(yù)制有微裂紋樣品上電壓隨裂紋啟動(dòng)開(kāi)裂時(shí)間變化曲線(xiàn)。
具體實(shí)施例方式
下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步描述。
如圖1～3所示，本發(fā)明所述的小尺度片狀樣品三點(diǎn)彎曲力學(xué)性能測(cè)試裝置，具有樣品臺(tái)、樣品臺(tái)支撐系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)、加熱系統(tǒng)、加載系統(tǒng)、測(cè)試系統(tǒng)組成，所述樣品臺(tái)為三點(diǎn)彎曲樣品臺(tái)，三點(diǎn)彎曲樣品臺(tái)由高溫合金加工而成，上面加工有放置片狀樣品1-3的窄縫、兩個(gè)樣品支撐點(diǎn)2-1和樣品支撐點(diǎn)2-1外側(cè)的樣品限位點(diǎn)2-3，樣品臺(tái)1-13與垂直放置的片狀樣品1-3相對(duì)應(yīng)的面上裝有限位螺栓2-2，限位螺栓2-2調(diào)整片狀樣品1-3的垂直位置。所述樣品臺(tái)支撐系統(tǒng)包括樣品臺(tái)支撐點(diǎn)1-5以及其上設(shè)置的樣品臺(tái)支撐桿1-11，三點(diǎn)彎曲樣品臺(tái)安裝于樣品臺(tái)支撐桿1-11上，樣品臺(tái)支撐點(diǎn)1-5下面設(shè)有壓力傳感器1-6；所述加載系統(tǒng)包括力傳動(dòng)桿1-1以及其下面連接的壓頭1-2，壓頭1-2與片狀樣品1-3接觸；所述冷卻系統(tǒng)為環(huán)繞于力傳動(dòng)桿1-1和樣品臺(tái)支撐點(diǎn)1-5外側(cè)的循環(huán)冷卻水1-4；所述加熱系統(tǒng)包括電阻絲加熱爐1-8、熱電偶1-7以及與電阻絲加熱爐1-8相連的溫度控制柜1-9，本發(fā)明加熱系統(tǒng)采用雙電偶監(jiān)控方式；所述測(cè)試系統(tǒng)包括電位差計(jì)1-10、安裝于片狀樣品1-3上的電極1-12，電極1-12通過(guò)電位采集系統(tǒng)與電位差計(jì)1-10相連。
本發(fā)明所述的小尺度片狀樣品三點(diǎn)彎曲力學(xué)性能測(cè)試方法，具體由以下實(shí)驗(yàn)步驟完成。在臨界應(yīng)力強(qiáng)度因子測(cè)試和高速裂紋開(kāi)裂測(cè)試中1.1首先將片狀樣品1-3安裝到樣品臺(tái)1-13的樣品臺(tái)支撐點(diǎn)1-5上，同時(shí)要保持片狀樣品1-3的平整性，將片狀樣品1-3中間預(yù)制的微裂紋保持在兩個(gè)樣品臺(tái)支撐點(diǎn)1-5的中間，使其上方與加載系統(tǒng)的力傳動(dòng)桿1-1相對(duì)應(yīng)，保證力傳動(dòng)桿1-1的載荷作用在裂紋尖端的正上方，保證測(cè)試數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。
1.2隨后調(diào)整限位螺栓2-2，保持片狀樣品的垂直擺放；同時(shí)適度控制限位螺栓2-2與片狀樣品1-3之間的作用力，使限位螺栓尖端與片狀材料輕輕接觸，防止其間作用力干擾力傳動(dòng)桿1-1所加載荷，進(jìn)而避免影響測(cè)試結(jié)果；1.3對(duì)力傳動(dòng)桿1-1采用力控制方式，使壓頭1-2與片狀樣品1-3的上表面輕輕接觸，避免位移控制接觸瞬間大載荷破壞樣品和壓力傳感器1-6；1.4連接導(dǎo)線(xiàn)與片狀樣品1-3表面薄膜上預(yù)制的兩個(gè)電極1-12，使其與電位采集系統(tǒng)相連接。
1.5改變控制方式，采用位移控制使之與測(cè)試條件匹配。
1.6安裝熱電偶1-7在片狀樣品1-3的上下表面，同時(shí)調(diào)整電阻絲加熱爐1-8的高度，保證片狀樣品1-3在電阻絲加熱爐1-8的均熱帶內(nèi)，在研究脆韌性轉(zhuǎn)和變裂紋速度研究試驗(yàn)中溫度范圍可為100～1200℃，但是在應(yīng)變測(cè)量試驗(yàn)中溫度需低于300℃，安裝加熱裝置是研究溫度的效應(yīng)，而且是力學(xué)性能研究中一個(gè)重要指標(biāo)。
1.7關(guān)合電阻絲加熱爐1-8，使電阻絲加熱爐1-8進(jìn)入工作狀態(tài)，運(yùn)行加載系統(tǒng)，通過(guò)位移控制逐步增加載荷(增加速度為4微米/秒、8微米/秒、16微米/秒)，直至加載片狀樣品1-3斷裂，記錄加載過(guò)程中最大載荷，記錄斷裂瞬間載荷和電極1-12兩端電壓變化，轉(zhuǎn)換電位與時(shí)間數(shù)據(jù)為速度與時(shí)間關(guān)系。
在上述1.7中記錄了加載過(guò)程中最大載荷，但不能反應(yīng)片狀樣品裂紋特征，因?yàn)樵诒景l(fā)明中采用的是非標(biāo)準(zhǔn)樣品，需要根據(jù)公式進(jìn)行轉(zhuǎn)換，所以在計(jì)算臨界應(yīng)力強(qiáng)度因子Kc時(shí)，對(duì)標(biāo)準(zhǔn)公式進(jìn)行了處理，得到如下公式Kc=f(aw)3PLBw2πa]]>
其中a為裂紋長(zhǎng)度，P為壓頭1-2載荷，w為試樣的高度，B為試樣厚度，L為樣品臺(tái)支撐點(diǎn)1-5跨距， 為形狀修正函數(shù)。
在圖4中給出了在不同加載速率(4微米/秒、8微米/秒、16微米/秒)的情況下單晶硅片狀樣品的臨界應(yīng)力強(qiáng)度因子(Kc)隨溫度(T)的變化曲線(xiàn)。由圖4可以看出，在低于脆韌性轉(zhuǎn)變溫度階段，屬于脆性開(kāi)裂階段，在這個(gè)階段內(nèi)隨著溫度升高，臨界應(yīng)力強(qiáng)度因子Kc基本不變，隨著溫度繼續(xù)升高，在一個(gè)較小溫度區(qū)間變，臨界應(yīng)力強(qiáng)度因子Kc大幅升高，實(shí)現(xiàn)脆韌性轉(zhuǎn)變。
在圖5中給出了預(yù)制有微裂紋的片狀樣品在高速開(kāi)裂過(guò)程中電位隨開(kāi)裂時(shí)間的變化曲線(xiàn)。由圖5可以看到，通過(guò)本方法及其裝置有效的記錄了在10-6秒時(shí)間內(nèi)裂紋開(kāi)裂的電位動(dòng)態(tài)變化過(guò)程，為高速裂紋速度分析提供了可靠數(shù)據(jù)。
權(quán)利要求
1.一種小尺度片狀樣品三點(diǎn)彎曲力學(xué)性能測(cè)試方法，其特征在于具體步驟如下1)首先將片狀樣品(1-3)安裝到樣品臺(tái)(1-13)的樣品臺(tái)支撐點(diǎn)(1-5)上，將片狀樣品(1-3)中間預(yù)制的微裂紋保持在兩個(gè)樣品臺(tái)支撐點(diǎn)(1-5)的中間，使其上方與加載系統(tǒng)的力傳動(dòng)桿(1-1)相對(duì)應(yīng)，保證力傳動(dòng)桿(1-1)的載荷作用在裂紋尖端的正上方；2)調(diào)整限位螺栓(2-2)，保持片狀樣品的垂直；同時(shí)控制限位螺栓(2-2)與片狀樣品(1-3)之間的作用力，使限位螺栓尖端與片狀材料接觸；3)對(duì)力傳動(dòng)桿(1-1)采用力控制方式，使壓頭(1-2)與片狀樣品(1-3)的上表面接觸；4)連接導(dǎo)線(xiàn)與片狀樣品(1-3)表面薄膜上預(yù)制的兩個(gè)電極(1-12)，使其與電位采集系統(tǒng)相連接；5)改變控制方式使之與測(cè)試條件匹配；6)安裝熱電偶(1-7)在片狀樣品(1-3)的上下表面，同時(shí)調(diào)整電阻絲加熱爐(1-8)的高度，保證片狀樣品(1-3)在電阻絲加熱爐(1-8)的均熱帶內(nèi)；7)關(guān)合電阻絲加熱爐(1-8)，運(yùn)行加載系統(tǒng)，直至片狀樣品(1-3)斷裂，記錄斷裂瞬間載荷和電極(1-12)兩端電壓變化。
2.按照權(quán)利要求1所述的測(cè)試方法，其特征在于片狀樣品為非標(biāo)準(zhǔn)樣品，在所述步驟7)中計(jì)算臨界應(yīng)力強(qiáng)度因子Kc時(shí)，采用如下公式Kc=f(aw)2PLBw2πa]]>其中a為裂紋長(zhǎng)度，P為壓頭(1-2)載荷，w為試樣的高度，B為試樣厚度，L為樣品臺(tái)支撐點(diǎn)(1-5)跨距， 為形狀修正函數(shù)。
3.一種小尺度片狀樣品三點(diǎn)彎曲力學(xué)性能測(cè)試裝置，具有樣品臺(tái)、樣品臺(tái)支撐系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)、加熱系統(tǒng)、加載系統(tǒng)、測(cè)試系統(tǒng)，其特征在于所述樣品臺(tái)為三點(diǎn)彎曲樣品臺(tái)，三點(diǎn)彎曲樣品臺(tái)由高溫合金加工而成，上面加工有放置片狀樣品(1-3)的窄縫、兩個(gè)樣品支撐點(diǎn)(2-1)和樣品支撐點(diǎn)(2-1)外側(cè)的樣品限位點(diǎn)(2-3)，樣品臺(tái)(1-13)與垂直放置的片狀樣品(1-3)相對(duì)應(yīng)的面上裝有限位螺栓(2-2)，限位螺栓(2-2)調(diào)整片狀樣品(1-3)的垂直位置。
全文摘要
本發(fā)明屬于一種小尺度片狀樣品三點(diǎn)彎曲力學(xué)性能測(cè)試的方法和裝置。該方法將已經(jīng)預(yù)制有微裂紋的表面沉積有薄膜片狀樣品放置在樣品臺(tái)上，首先采用力控制方式，使壓頭與樣品的上表面接觸，隨后調(diào)整為測(cè)試條件，防止接觸瞬間大載荷作用；將預(yù)制有微裂紋的片狀樣品上的兩個(gè)電極與電位采集系統(tǒng)相連接，逐步增加載荷，記錄加載過(guò)程中最大載荷，在微裂紋開(kāi)裂瞬間監(jiān)控電位變化，轉(zhuǎn)換電位與時(shí)間數(shù)據(jù)為速度與時(shí)間關(guān)系。該裝置由三點(diǎn)彎曲樣品臺(tái)、樣品臺(tái)支撐系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)、加熱系統(tǒng)、加載系統(tǒng)、測(cè)試系統(tǒng)組成。本發(fā)明直接安裝小尺度片狀樣品在測(cè)試裝置上，進(jìn)行片狀樣品的三點(diǎn)彎曲實(shí)驗(yàn)，也可以進(jìn)行已經(jīng)預(yù)制微裂紋片狀樣品的臨界應(yīng)力強(qiáng)度因子測(cè)試。
文檔編號(hào)G01N3/00GK1920521SQ20051004709
公開(kāi)日2007年2月28日 申請(qǐng)日期2005年8月26日 優(yōu)先權(quán)日2005年8月26日
發(fā)明者譚軍, 萬(wàn)曄, 張磊, 溫井龍, 姚戈 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院金屬研究所