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《太原理工大學(xué)》 2015年

納米壓痕儀的校準(zhǔn)及不確定度評(píng)定

黎正偉  

【摘要】：納米壓痕力學(xué)測(cè)量技術(shù)具有操作靈活簡(jiǎn)單、測(cè)量分辨力高、對(duì)樣品無(wú)損或微損等優(yōu)點(diǎn)，廣泛用于金屬、微機(jī)電系統(tǒng)、復(fù)合材料、生物材料、薄膜涂層等材料力學(xué)性能的測(cè)試。商用的納米壓痕儀的位移和載荷傳感器都存在測(cè)量誤差，壓頭面積函數(shù)和理論模型也會(huì)有所偏差，這些誤差都會(huì)導(dǎo)致測(cè)量準(zhǔn)確度的下降，因此需要對(duì)商用的納米壓痕儀進(jìn)行校準(zhǔn)。 本文在位移因子已經(jīng)完成校準(zhǔn)的基礎(chǔ)上，對(duì)納米壓痕儀的壓頭面積函數(shù)和載荷因子進(jìn)行了校準(zhǔn)，并對(duì)納米壓痕力學(xué)測(cè)量系統(tǒng)的硬度和折合模量的測(cè)量不確定度進(jìn)行了評(píng)定。主要研究工作及結(jié)果如下： 1.玻式壓頭面積函數(shù)的校準(zhǔn)與溯源。針對(duì)玻式壓頭由于制造精度和磨損鈍化所導(dǎo)致幾何形狀的偏差對(duì)納米壓痕力學(xué)測(cè)量的影響，采用兩種方法對(duì)玻式壓頭面積函數(shù)進(jìn)行校準(zhǔn)：一種是通過(guò)熔融石英標(biāo)準(zhǔn)樣塊測(cè)量的間接校準(zhǔn)法，在該方法中首先校準(zhǔn)機(jī)架柔度，然后在熔融石英上進(jìn)行一系列不同壓入深度的壓痕實(shí)驗(yàn)，最后通過(guò)迭代方法得出壓頭面積函數(shù)。另一種方法是基于原子力顯微鏡的直接校準(zhǔn)法，在該方法采用了0.2Hz、0.5Hz和1Hz三種不同的掃描頻率對(duì)玻式壓頭尖端進(jìn)行了掃描，通過(guò)擬合壓頭截面積與高度的關(guān)系得出與針尖高度直接對(duì)應(yīng)的壓頭面積函數(shù)。將兩種校準(zhǔn)方法測(cè)得的壓頭面積函數(shù)依次應(yīng)用到熔融石英和聚碳酸酯兩種標(biāo)準(zhǔn)樣塊的壓痕驗(yàn)證測(cè)試。壓痕實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在較淺壓入深度，基于掃描頻率為0.5Hz的直接校準(zhǔn)法所測(cè)得標(biāo)準(zhǔn)樣塊的硬度值和折合模量值比間接方法測(cè)得的結(jié)果準(zhǔn)確，在較大壓入深度，兩種校準(zhǔn)方法的測(cè)量結(jié)果相差不大。 2.載荷因子的校準(zhǔn)與溯源。通過(guò)分析發(fā)現(xiàn)，，采用可溯源的標(biāo)準(zhǔn)砝碼校準(zhǔn)納米壓痕儀的載荷因子時(shí)并沒(méi)有完全復(fù)現(xiàn)出壓頭與被測(cè)樣品的受力情況，為此采用FS-C130型微力值標(biāo)準(zhǔn)器對(duì)納米壓痕儀的載荷因子進(jìn)行校準(zhǔn)。通過(guò)校準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)測(cè)得載荷因子的平均值為1.0131mV/mg，實(shí)驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)偏差為0.0003mV/mg。將通過(guò)校準(zhǔn)測(cè)得的壓頭面積函數(shù)和載荷因子同時(shí)應(yīng)用到納米壓痕儀系統(tǒng)中，并在熔融石英標(biāo)準(zhǔn)樣塊上進(jìn)行一系列不同深度的壓痕測(cè)試，最后與校準(zhǔn)前的壓痕測(cè)試結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。壓痕測(cè)試結(jié)果表明，通過(guò)壓頭面積函數(shù)和載荷因子的校準(zhǔn)后測(cè)得的結(jié)果比校準(zhǔn)前測(cè)得的結(jié)果更接近熔融石英標(biāo)準(zhǔn)樣品的標(biāo)稱值，驗(yàn)證了校準(zhǔn)后納米壓痕儀在測(cè)量準(zhǔn)確度上有了明顯的提升。 3.納米壓痕儀不確定度的評(píng)定。通過(guò)分析得出納米壓痕儀產(chǎn)生不確定度的主要因素為載荷、位移、壓頭面積函數(shù)和接觸剛度。針對(duì)這些因素的分量不確定度分別進(jìn)行計(jì)算（例如接觸零點(diǎn)、熱漂移、機(jī)架柔度、和噪音等不確定度）。最后對(duì)納米硬度和折合模量不確定度進(jìn)行評(píng)定，得出納米硬度在95%的置信水平下的相對(duì)擴(kuò)展不確定度為5.86%，折合模量在95%的置信水平下的相對(duì)擴(kuò)展不確定度為2.94%。

【關(guān)鍵詞】：
【學(xué)位授予單位】：太原理工大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號(hào)】：TH823
【目錄】：

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中國(guó)碩士學(xué)位論文全文數(shù)據(jù)庫(kù) 前10條

1 沈林;材料樣品表面粗糙度對(duì)納米壓痕測(cè)試結(jié)果的影響研究[D];吉林大學(xué);2012年

2 蔡晶琦;單晶銅納米壓痕初始塑性變形行為實(shí)驗(yàn)研究[D];哈爾濱工業(yè)大學(xué);2006年

3 王春亮;納米壓痕試驗(yàn)方法研究[D];機(jī)械科學(xué)研究總院;2007年

4 張忠立;基于表面凹型缺陷的納米壓痕多尺度研究[D];復(fù)旦大學(xué);2012年

5 米杰;原位納米壓痕/劃痕測(cè)試裝置的設(shè)計(jì)與試驗(yàn)研究[D];吉林大學(xué);2013年

6 史成利;壓頭與試件間垂直度誤差對(duì)納米壓痕/刻劃測(cè)試影響的研究[D];吉林大學(xué);2014年

7 黎正偉;納米壓痕儀的校準(zhǔn)及不確定度評(píng)定[D];太原理工大學(xué);2015年

8 黃勇力;用納米壓痕法表征薄膜的應(yīng)力—應(yīng)變關(guān)系[D];湘潭大學(xué);2006年

9 項(xiàng)敏;基于納米壓痕和有限元仿真的TSV-Cu力學(xué)性能分析[D];北京工業(yè)大學(xué);2014年

10 袁英堃;基于可調(diào)式拉伸—彎曲預(yù)載荷的原位納米壓痕測(cè)試系統(tǒng)研究[D];吉林大學(xué);2014年

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