高温仪器化压入测试中位移测量漂移影响因素的研究

• 作 者: 陈克
• 机 构: 中国科学院大学
• 出 处: 中国科学院大学
• 发表日期: 2015年期
• 关键词: 高温仪器化压入测试 位移漂移 数值验证 热传导理论

随着新材料的研制和发展，仪器化压入技术在薄膜/涂层、非晶合金、生物材料、微机电系统等领域得到广泛应用，逐渐成为微/纳米尺度材料力学参数识别的通用测试技术。为了认识和掌握材料的高温力学性能，需要将该技术从室温测试工况拓展至高温测试工况。测试的高温试样与室温压头尖端的非等温接触易引起压头等的热膨胀，导致位移测量漂移，影响压入深度仅为几十纳米至几微米的测试结果。因此，迫切需要研究高温仪器化压入测试技术的可靠性，以便规范测试程序。　　本文针对Agilent公司Nano Indenter(@) G200的高温压入装置，重点从模型建立、理论分析、数值验证等方面研究测试过程中温度对位移测量漂移的影响，并探讨影响测试的三种因素及其程度。具体工作如下。　　首先，引入基本假设，分析室温压头尖端和高温试样的非等温接触过程，建立高温压入的热接触分析模型。这部分工作主要建立了室温压头尖端和高温试样间接触传热的导热微分方程，用于研究室温压头与高温试样接触后基托内温度场的变化情况，以及确定基托热膨胀变形引起的位移测量漂移量。　　其次，通过热传导理论分析室温压头尖端和高温试样接触后的热传导过程，给出定解条件，获得热接触后压头基托内温度场分布的近似解析解。采用有限元方法模拟高温压入过程，对比分析数值结果和解析结果，验证理论模型的准确性。选取常用工程材料，数值模拟研究高温压入过程，分析试样材料属性对压头基托热膨胀变形的影响规律。研究发现，压头尖端与高温试样间的接触热阻，以及被测试样的材料属性显著影响着高温压入测试中位移测量的漂移程度，差异甚至达到几个量级;数值模拟结果较好验证了理论分析的准确性。　　最后，分析和探讨高温测试中影响位移测量的因素及其程度:压头基托材料的选择、金属材料的高温蠕变、温度变化对压头面积函数的影响。研究发现，选择热膨胀系数小、热扩散率大的材料作为高温压入测试压头的基托，可以有效降低压头基托的热膨胀变形量，尤其是对于热传导率大的金属及其合金的高温试样;Agilent Nano Indenter(@) G200高温测试时，可以忽略金属及合金高温蠕变的影响;在进行高温仪器化压入测试时，压头的实际面积与面积函数的确定面积之间的相对偏差相当小，因此，可以忽略高温对压头面积函数的影响，即将室温下校准的压头面积函数用于高温测试。