测试原位纳米压痕的微小型加载装置

　　纳米压痕测试可对试件材料局部很小的区域施加微小的载荷力,以测试材料的硬度、弹性模量等力学参数^[1-2]。如果在测试过程中借助扫描电子显微镜和透射电子显微镜等仪器原位监测材料在外部载荷作用下发生的力学行为和损伤状况,还可据此研究材料的变形损伤机制与载荷作用和材料性能间的相关性规律,为材料的设计和使用提供指导。近年来,研究人员研制出了专门的测试装置对纳米管、纳米线等进行原位纳米力学测试研究^[3-4]，最新研究成果受到《自然》、《科学》等世界顶级期刊的追踪报道^[4]。但这些研究绝大多数着眼于纳米尺度材料,针对较大尺寸三维试件的原位纳米力学测试的研究鲜有报道。

　　本文就较大尺寸三维试件的原位纳米压痕测试装置开展了研究,研制了测试平台样机,对其进行了基本的性能测试分析。

　　1　纳米压痕的理论基础

　　图1为轴对称金刚石压头在压痕测试中任一压痕剖面的示意图。在压头压入材料的过程中,材料经历弹塑性变形,产生了与压头形状相适应的压痕接触深度hc和接触圆半径a。在压头退出过程中,弹性变形回复,被测材料的硬度和弹性模量可从最大压力Pmax、最大压入深度hmax、卸载后的残余深度hf和卸载曲线的端部斜率S =dP/dh等试验数据中获得。

　　根据弹性变形理论,材料硬度H可定义为

　　       H = P/A      (1)

　　式中:P为某一压痕深度的实时载荷;A为压头与试件接触区域的投影面积。

　　由式(1)可见,材料硬度是其承受接触载荷能力的量度。压头材料通常为自然界中的单晶金刚石,其硬度极高。为了保证理论分析的准确性和实验测试结果的可信性,同时考虑到金刚石压头的弹性行为,本文以折算模量表征试样和压头接触作用时的复合效应,其关系式为

　　式中:E_s为试样的弹性模量;ν_s为试样的泊松比;E_i为金刚石压头的弹性模量(1141 GPa);ν_i为金刚石压头的泊松比(0.07)。

　　据此,通过假定被测材料的泊松比,即可测定其弹性模量。当ν_s=0.25±0.1时,弹性模量测定结果的不确定度仅为5.3%。

　　2　微小型压痕测试装置设计分析

　　本文设计了一种适用于三维微构件纳米压痕测试的试验装置。该装置结构尺寸微小,可置于扫描电子显微镜的载物台上,实现原位纳米压痕测试。压痕测试装置可安装多种形式的金刚石压头,利用压电直动式驱动装置推动金刚石压头对被测试件材料施加压入载荷,通过对柔性铰链敏感单元的弹性变形的检测,依据胡克定律计算压入载荷力。据此可得到压痕测试过程中的载荷-位移曲线,从而测定材料的硬度和弹性模量等力学参数。被测试件可以是特征尺寸毫米级以上的三维试件材料。纳米压痕测试装置如图2所示。柔性铰链、压杆和基座是一个整体,通过线切割一次加工而成,铰链的对称性较好,可避免由于复杂装配导致的结构过大和刚度损失。压头通过固定螺钉固定在压杆上,压杆由3组柔性铰链连接到刚性基座上。基座左端连接由螺钉、柔性铰链、薄铜片组成的调整机构,用来预紧压电叠堆。基座右端的柔性铰链中间为一凸台,用于固定试样。