开题报告-多载荷复合加载试验装置设计

1、t衣k空机械科学与工程学院本科生毕业设计（论文）开题报告学生姓名：学 号:班 级：专业：机械工程及自动化指导教师： TOC o 1-5 h z 一、课题介绍1 HYPERLINK l bookmark16 o Current Document 1课题名称1 HYPERLINK l bookmark19 o Current Document 2研究意义及课题有关背景1 HYPERLINK l bookmark25 o Current Document 3传统测量方法及优缺点3 HYPERLINK l bookmark29 o Current Document 4本试验装置的优点及问题4 HYPE

2、RLINK l bookmark33 o Current Document 5工作内容46工作要求4 HYPERLINK l bookmark44 o Current Document 7可能用到的主要知识和技能5 HYPERLINK l bookmark50 o Current Document 8需要自学的知识和技能5 HYPERLINK l bookmark56 o Current Document 二、工作计划5 HYPERLINK l bookmark59 o Current Document 三、参考文献5一、课题介绍1课题名称多载荷复合加载试验装置设计2研究意义及课题有关背景本试

3、验装置旨在研究拉压、剪切、压痕多载荷模式下，材料的硬度以及其 他的力学性能。开展这种接近服役条件下的多载荷模式材料的微观力学性能， 对于研究材料在实际工作过程中在一定环境下的受力与产生的应变有着指导 性意义。有助于合理选择使用材料与计算服役材料的使用寿命。一、有关硬度的介绍硬度是衡量材料软硬程度的一种性能指标。常用的硬度试验方法有压入法 和刻划法两类。在压入法中，根据压入载荷、压头几何形状和表示方法的不同， 又分为布氏硬度、洛氏硬度、维氏硬度和显微硬度等多种。压入法硬度值是材 料表面抵抗另一物体压入时所引起塑性变形的能力。硬度值不是一个单纯的物 理量，它表征着材料的弹性、塑性、变形强化、强度和

4、韧性等一系列不同物理 量组合的一种综合性能指标。根据材料的硬度，人们可以对材料的某些力学性 能进行评定，如抗拉强度、疲劳极限和磨损性能等。硬度通常被定义为压入载荷与压痕投影面积的比值。在体材料的硬度试验 中，当压入载荷大于10N时所得到的硬度值一般称为宏观硬度 (macrohardness)。近十几年来，随着大规模集成电路制作技术的迅速发展， 微机电系统(MEMS)的尺寸可小至几毫米甚至数微米。因此，微小精密构件的 微观硬度(microhardness)、涂层或薄膜的机械性能等问题开始引人关注，如 MEMS中微梁和微泵致动膜的弹性变形。此时的压入载荷一般为几佰毫牛或数 牛，压痕深度为微米级。当

5、压入深度为纳米级或亚微米级时，这就是所谓的纳 米硬度(nanohardness) o二、纳米压痕测试技术纳米压痕测试技术是近些年发展起来的一项具有微纳米级精度的力学测 试新技术。对于材料的硬度及其他力学性能的测量有着重要的意义。由于具有操作方便、样品制备简单、测试分辨率高、测试内容丰富等众多优点，纳米压 痕测试技术逐步发展成为微纳米力学测试的主流技术，在材料科学、生物医学、 半导体技术、钢铁冶金、表面工程、纳米技术、微机电系统等领域发挥着越 来越重要的作用，它可以对各类固态材料或器件的力学性能做出评价，从而对 其设计和使用提供指导。纳米压痕测试技术是指利用具有特定尖端形式的压头对试件表面进行压

6、 入和压出，在这个过程中，通过高分辨率载荷力传感器和位移传感器分别实现 对压入载荷和深度信号的同步拾取，从而获得载荷一深度(P-h)曲线，根据 Oliver-Pharr方法分析P h曲线可以得到材料的硬度、弹性模量等力学参数。三、硬度与残余应力微、纳米压痕技术是研究材料属性的有效方法，同时也是研究材料硬度与 残余应力关系的有效手段。研究发现但材料压痕表面产生明显的pile-up时， 材料的硬度并不受残余应力的影响。对于大多数的工程材料。压痕表面产生明 显的pile-up非常普遍，这使得通过压痕测量确定残余应力的应用受到了限制。以金属材料为例，长期以来一直认为金属硬度与材料的应力状况有关，早 在

7、1932年Kokubo就阐明了弯曲应力对金属和合金Vickers硬度测量的影响。 之后，人们通过Brinell、Rockwell、Vickers等硬度测量方法对处于单轴、双 轴应力状态金属做了大量深入研究。研究表明,硬度作为材料的基本参数，对于 确定材料的残余应力十分有用。sines和carlson通过对四点弯曲高碳钢梁RockwenB硬度的测量，得到了 应力对硬度影响的典型关系。实验在确保试件所承受的应力并没有超过其弹性 极限的前提下，考虑了材料承受拉应力或者压应力的情况。从实验数据上主要 能得出三个结论:(l)应力的影响比较小，施加应力所产生的硬度变化仅仅不到 10%;(2)硬度将随着拉应

8、力的增加而减小，同时随着压应力的增加而增加；(3) 拉应力比压应力对材料硬度的影响更明显。对双轴应力试件的硬度实验可以得 到类似的结果，但是拉伸和压缩对硬度的影响比较均衡。Bolshakov等使用有限元方法研究残余应力对铝合金8009纳米压痕行为的 影响，对上面的实验结果进行了分析模拟结果表明由于Pile-up并没有考虑到 接触面积中，通过分析载荷-位移曲线测得的材料硬度和弹性模量并不准确当 使用考虑pile-up的接触面积时,硬度和弹性模量不受残余应力的明显影响但 文章也指出使用纳米压痕方法测量硬度和弹性模量时，只有当材料出现2pile-up,所得到的结果才会不准确而对于大多数材料，Pile

9、-up现象并不明 显；Yun-HeeLee,Dongil Kwon通过对预加应变的单品钨纳米压痕实验,研究平 面内弹性接触应力对表面法向接触变形的影响。研究发现，在拉应力状态下，给 定压痕深度的压痕载荷比不承受拉力时低，而这是表面法向压痕压力和拉应力 共同作用导致塑性增强的结果。3、传统测量方法及优缺点20世纪中期，微电子技术的发展和计算机的普遍应用，残余应力的测量技 术才取得了突破性的进展。发展至今共形成数十种传统测量方法，概括起来大 致可分为两大类，即具有一定损伤的机械释放测量法和非破坏性无损伤的物理 测量法。有损检测法利用机械加工或其它加工方法将残余应力释放，然后测量 应变的变化求出残余

10、应力。它的优点是：测量精度高，缺点是：对构件损伤大； 无损检测法利用材料物理性质的变化或晶体结构参数的变化测量残余应力。其 中，压痕法是一种能无损地测量残余应力的新方法，借助于理论分析和有限元 方法研究压痕法中有关测量参数，能方便、准确地获得构件中的残余应力。作 为一种局部的非破坏的试验方法，压痕试验技术在材料力学性能的测定中已经 得到了广泛的应用。它的优点是：对构件无损害或损害很小。由于残余应力会 影响到材料的腐蚀、开裂、疲劳强度等力学性能，同时也会对材料的物理机械 性能产生巨大影响，对结构的强度造成很大危害，历史上许多灾难性破坏事故 大多是由结构中的残余应力引起，因此，研究和测量构件中的残

11、余应力对生产 和科学实验有着重要的现实意义。与常规标准试验方法相比，压痕试验技术的优点在于：（1）所需试验材料 的体积小，使得试验的环境条件更易于控制，从而更加切近实际在役材料的工 作环境，实现材料的在役检测，提高试验精度。另外还能够很大在程度上降低 试验费用；（2）对试件的形状要求不严格，能够用于测定一些特殊材料的性质， 如生物材料等。也有助于降低试件加工成本，缩短加工时间；（3）试验可以在 一个试件上完成，有助于降低由于加工而带来的试件与试件之间的差异，减小 试验数据的分散度，提高试验精度；（4 ）试件的材料可以从在役材料中直接得 到，有助于减小试件与实际在役材料之间的差异；（5 ）所需试

12、验时间短，有助 于缩短试验周期，提高试验效率；（6）压痕深度与材料的硬度之间存在指数关 系，可以代替传统的硬度试验；（7）可以用于材料局部特性的测定，如裂纹尖 端处应力场的测定等。目前随着商品纳米压入仪的投入使用，压痕实验研究进 入了一个新阶段。利用压痕法确定材料的力学性质也有最初的弹性模量发展到 了一个更加广泛的领域。概括来讲，压痕法的应用领域主要包括：其一通过压痕法来测量受压材料 的力学性质，如弹性模量、屈服应力、塑性特性、蠕变、疲劳、粘性以及断裂 性能等。其二通过压痕法来研究力学机理，如蠕变机理和破坏机理等。其三对 在役结构及局部材料进行压痕以便直接得到局部材料力学特性。其四对压痕法 本

13、身的研究，建立局部压痕法和常规方法的联系。其五利用压痕法来提高材料 的抗疲劳、断裂的性能。总之，压痕试验作为一种简单的、方便的、局部的、 非破坏方法己经得到了广泛的应用。4、此试验装置的优点及问题多载荷复合加载试验装置，通过结构紧凑具有微/纳精密的驱动/传动单 元、巧妙的加载单元，结合检测、控制单元，集拉伸（压缩）、剪切、纳米压 痕于一体，能够进行不同载荷应力状态下，材料的压痕实验。加之此装置能够 在在扫描电子显微镜镜等测量仪器下进行试验，故能够非常准确的模拟材料在 服役时应力状态，也能够观测出材料内部的分子结构在应力状态下的变化趋 势，一次测量或计算出材料硬度以及其他微观力学性能。同时通过扫

14、描电子显 微镜高分辨率可视化原位监测加载过程中材料的变形行为、损伤机制与性能演 变规律，为接近服役条件下材料微观力学性能测试与分析提供崭新的方法和手 段。但是此试验装置在加载过程中须达到准静态加载，避免出现载荷冲击，以 实现平稳加载，不对试验结果造成影响；由于装置本身结构紧凑，传动装置密 集，试验过程中出现的温升与热变形应在装置设计的考虑范围之内，亦或者考 虑在算法程序中，以保证使其更接近服役条件；在压头向试件施加压力时，试 件的小范围弯曲变形，是否会对实验结果造成影响，应该怎样补偿，这些问题 都应该在考虑的范围内。5、工作内容阅读资料，了解研究现状；确定方案，开始初步设计；装置选择，进行强度

15、校核；绘图及编写设计说明书。外文翻译5千字。设计说明书2万字。绘图量4张A0图的量（至少含一张A0图）。7可能用到的主要知识和技能机械工程基础理论（机械原理、机械设计）及机械整体系统设 计技能；熟用 CATIA, AUOTOCAD 软件；对拉压、剪切、微纳米压痕的原理以及实验装置结构的深入研究。8需要自学的知识和技能WORD排版技术；英文阅读能力和检索资料能力；各种软件的功能和主要软件的灵活运用；二、工作计划1.2012.11 2012.12选题。2.2013.01 2013.02实施研究、收集资料、开题报告。3.2012.032012.05初步设计、详细设计、撰写设计说明书初稿。4.2012.062012.06完成修改、定稿、答辩。三、参考文献黄虎.赵宏伟.万顺光.纳米压痕测试装置机架柔度直接标定法的改进.西安交 通大学学报.2012.08刘亚龙.材料微纳米尺度压痕硬度检测的仿真研究.哈尔滨