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与纳米压痕仪联用的非晶合金薄带拉伸装置及其使用方法.pdf

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纳米 压痕 联用 合金 拉伸 装置 及其 使用方法
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摘要
申请专利号:

CN201611112345.1

申请日:

2016.12.07

公开号:

CN106483021A

公开日:

2017.03.08

当前法律状态:

实审

有效性:

审中

法?#19978;?#24773;: 实质审查?#32435;?#25928;IPC(主分类):G01N 3/08申请日:20161207|||公开
IPC分类号: G01N3/08 主分类号: G01N3/08
申请人: 湘潭大学
发明人: 许福; 李帅; 戴孟祎; 江明军; 张围; 李友军; 杨才千; 龙志林
地址: 411105 湖南省湘潭市湘潭大学
优?#28909;ǎ?/td>
专利代理机构: 北京卓恒知识产权代理事务所(特殊普通合伙) 11394 代理人: 徐楼
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法律状态
申请(专利)号:

CN201611112345.1

授权公告号:

|||

法律状态公告日:

2017.04.05|||2017.03.08

法律状态类型:

实质审查?#32435;?#25928;|||公开

摘要

一种与纳米压痕仪联用的非晶合金薄带拉伸装置,包括底座、高精度涡轮式粗微调微分头、固定立柱、活动挡板、固定挡板、电机、电机电源、齿轮、样?#20998;?#26550;、夹具及遥控装置,其中高精度涡轮式粗微调微分头位于固定立柱间,其一端与活动挡板连接,固定挡板位于底座一端并与底座整体连接,弹簧被夹持于活动挡板与固定挡板间,样?#20998;?#26550;置于底座上,位于活动挡板与固定挡板间,夹具附着于样?#20998;?#26550;上,电机、电机电源固定在底座上,微型电机的传动轴通过齿轮与高精度涡轮式粗微调微分头连接。?#31859;?#32622;进行微纳米流变力学行为测试,变形量和应变可控且精度高。?#31859;?#32622;特别适用于拉伸变形过程中,薄膜材料在不同拉伸应变状态下微纳米力学行为的测试。

权利要求书

1.一种与纳米压痕仪(A)联用的非晶合金薄带拉伸装置(B),?#31859;?#32622;(B)包括底座(1)、
高精度涡轮式粗微调微分头(2)、固定立柱(3)、活动挡板(4)、固定挡板(5)、电机(7)、电机
电源(8)、样?#20998;?#26550;(11)、两个夹具(12),其中:底座(1)的一端设有固定挡板(5);底座(1)的
另一端设有固定立柱(3);高精度涡轮式粗微调微分头(2)设置在固定立柱(3)上,并且与活
动挡板(4)连接;活动挡板(4)位于固定挡板(5)和固定立柱(3)之间;样?#20998;?#26550;(11)放置在
底座上并且位于活动挡板(4)与固定挡板(5)之间;活动挡板(4)和固定挡板(5)的顶部分别
设有一个夹具(12);电机(7)与高精度涡轮式粗微调微分头(2)连接并驱动高精度涡轮式粗
微调微分头(2);电机电源(8)与电机(7)实现电连接。
2.根据权利要求1所述的非晶合金薄带拉伸装置,其特征在于:?#31859;?#32622;(B)还包括控制
系统(16),控制系统(16)包括接收装置(9)和遥控装置(13),控制系统(16)连接并控制电机
电源(8)和/或电机(7);和/或
电机(7)通过齿轮(10)或皮带与高精度涡轮式粗微调微分头(2)连接。
3.根据权利要求1或2所述的非晶合金薄带拉伸装置,其特征在于:高精度涡轮式粗微
调微分头(2)包括微调钮(201)、粗调钮(202)、粗微调切换钮(203)和伸缩杆(204),伸缩杆
(204)的一端与活动挡板(4)上?#32435;?#32553;杆连接件(401)固定连接;微调钮(201)与粗调钮
(202)均与伸缩杆(204)连接并控制伸缩杆(204)?#32435;?#38271;或缩短;或者,微调钮(201)与粗调
钮(202)控制伸缩杆(204)的移动;粗微调切换钮(203)控制电机(7)与微调钮(201)或粗调
钮(202)连接;优选的是,粗微调切换钮(203)位于高精度涡轮式粗微调微分头(2)背离活动
挡板(4)一端的端部。
4.根据权利要求1-3中任一项所述的非晶合金薄带拉伸装置,其特征在于:?#31859;?#32622;(B)
还包括限位螺母(14),其中高精度涡轮式粗微调微分头(2)通过限位螺母(14)固定在固定
立柱(3)上,伸缩杆(204)穿过固定立柱(3)和限位螺母(14)与活动挡板(4)上?#32435;?#32553;杆连接
件(401)连接;和/或
样?#20998;?#26550;(11)上部设有横梁(1101);横梁(1101)的顶部高于活动挡板(4)和固定挡板
(5),横梁(1101)与活动挡板(4)的高度差(h)为0.1-5mm,优选为0.2-3mm;优选的是;样?#20998;?br />架(11)与固定挡板(5)之间的间隙(d1)为0.1-10mm优选为0.2-5mm,
样?#20998;?#26550;(11)与活动挡板(4)之间的间隙(d2)为1-20mm,优选为2-10mm。
5.根据权利要求1-4中任一项所述的非晶合金薄带拉伸装置,其特征在于:活动挡板
(4)与固定挡板(5)之间设有弹簧(6),样?#20998;?#26550;(11)包围在弹簧(6)的外周,弹簧(6)的一端
连接活动挡板(4),弹簧(6)的另一端连接固定挡板(5)。
6.根据权利要求1-5中任一项所述的非晶合金薄带拉伸装置,其特征在于:?#31859;?#32622;长为
50-150mm(优选80-120mm,例如106mm),宽为30-80mm(优选40-70mm,例如60mm),高为10-
50mm(优选15-40mm,例如26mm);优选的是,高精度涡轮式粗微调微分头(2)的位移精度达到
0.5μm,应变精度达到2.5*10-5。
7.一种与纳米压痕仪(A)联用的非晶合金薄带拉伸装置(B)的使用方法,该方法包括以
下步骤:
1)预压?#21644;?#36807;高精度涡轮式粗微调微分头(2)的微调钮(201)和粗调钮(202)对弹簧(6)
进行预压,旋紧粗微调切换钮(203);
2)安装:将非晶合金薄带样品(15)加工?#31245;?#23450;尺寸后由夹具(12)夹持;
3)卸载:将夹持薄带样品(15)的非晶合金薄带拉伸装置(B)放入纳米压痕仪(A)的工作
?#36965;?#23545;弹簧(6)进行卸载;
4)微纳米力学行为测试?#21644;?#36807;控制电机(7)的转速而控制弹簧(6)的卸载速?#21097;?#38750;晶合
金薄带样品(15)拉伸达到预设应变量后,电机(7)停止转动,纳米压痕仪(A)对薄带样品
(15)进行微纳米力学行为测试;
5)微纳米力学行为连续测定:重新启动电机(7),重复步骤4),连续测定不同拉伸应变
状态下薄带样品(15)的微纳米力学行为;
6)定量测定:启动电机(7)至预设的应力松弛初?#21152;?#21464;值后,电机(7)停止工作,开始记
录时间,纳米压痕仪(A)以一定的时间间隔测定非晶合金的微纳米力学行为,实现材料在应
力松弛过程中力学响应变化的定量测定。
8.根据权利要求7所述的方法,其中步骤1)所述的预压是通过高精度涡轮式粗微调微
分头(2)实现,高精度涡轮式粗微调微分头(2)的微调钮(201)和粗调钮(202)精确控制压缩
位移量至预设值,待预压弹簧(6)至预定值后,由粗微调切换钮(203)固定粗调钮(202);优
选的是,所述的对弹簧(6)的预压力由高精度涡轮式粗微调微分头(2)顶压施加,微分头顶
压力可达到39.2N。
9.根据权利要求7或8所述的方法,其中步骤3)所述的对弹簧(6)进行卸载的具体操作
为:将非晶合金薄带拉伸装置(B)整体放入纳米压痕仪(A)的工作?#36965;?#24453;温度场保持稳定后,
通过遥控装置(13)和接收装置(9),开启电机(7),带动高精度涡轮式粗微调微分头(2)的微
调钮(201)转动,对弹簧(6)进行卸载。
10.根据权利要求7-9中任一项所述的方法,其中非晶合金薄带拉伸的变形的控制由高
精度涡轮式粗微调微分头(2)的微调钮(201)实现,位移精度达到0.5μm,应变精度达到2.5*
10-5。

说明书

与纳米压痕仪联用的非晶合金薄带拉伸装置及其使用方法

技术领域

本发明涉及用纳米压痕仪研究非晶合金材料结构演化与相关力学行为的技术,具
体涉及一种与纳米压痕仪联用的非晶合金薄带拉伸装置及其使用方法。

背景技术

非晶合金具有高弹、高强度等独特的力学性能,兼具软磁、?#36879;?#34432;等功能性,是一
类应用前景广阔的新材料。非晶合金同时是研究非晶态材料变形机理的一种理想的模型材
料,因而非晶合金变形的材料结构机制一直是人们的研究重点和热点。非晶合金具有超过
2%的名义弹性区段,研究表明,在名义弹性区?#25991;冢?#38750;晶合金表现出黏弹性、滞弹性、弹性
流变屈服等许多独特的力学性?#21097;?#22312;该区?#25991;?#25506;索非晶合金结构和形变机理尤为重要。研
?#31354;?#20204;基于实验和计算模拟,提出流变单元模型来理解和解释非晶态物质的物理和力学问
题。该模型认为,在非晶合金中存在一些纳米尺度的类似于液体的区域。和周围区域相比,
类液体区域表现出?#31995;?#30340;原子堆积密度、?#31995;?#30828;度和模量、较高的能态以及容易剪切变形
和流动等特性。非晶态材料中的流动单元类似晶态材料中的缺陷,其浓度、尺寸和能量的分
布决定非晶合金的力学等性能,老化及其他特性,通过调控非晶合金中的流动单元,可以有
效地提高?#36879;?#36827;非晶合金的力学等性能。尽管基于流变的弹性单元模型和内耗方法、应力
弛豫方法可以表征流变单元激活能和大小及分布,然而,这些模型还不能被直接的实验验
证。因为单纯的传统实验方法一般通过材料?#36816;?#26045;加荷载的力学响应来分析材料的形变机
理,这类方法很难探测到非晶合金变形过程中,特别是在名义弹性区?#25991;?#30340;微观局域流动
行为,同时缺乏相应的变形过程中结构?#38468;?#38543;荷载和时间的演化信息,从而难以精确获取
变形过程中材料的变形量和应变值,而外力作用下变形过程中的材料结构的演化信息是研
究材料形变机理和微观机制的关键。同时,由于受到仪器设备尺寸、样品尺寸及样品室空间
尺寸的限制,传统的力学实验设备很难与原位的结构表征实验装置联用。计算模拟虽然提
供了很多重要的原子或分子尺度的变形机理,但模拟通常是基于极高的变形速?#30465;?#26497;低的
温度或极小尺度的样品等目前无法达到的极端条件,因而模拟结果无法用实验进行验证。
因此,理论模型的实验验证缺失限制了非晶合金变形机理进一步的研究和科学理解。

另一方面,采用传统的宏观力学实验设备研究非晶合金这类率相关行为表现不如
某些聚合物材料显著的材料的室温黏弹性行为等微纳米力学响应时,设备精度、数据采集
等方面的缺陷不利于捕捉材料流变力学行为的?#38468;凇?#21516;时,宏观实验需要大量的实验样品,
这在一定程度上提高了对材料制备工艺的要求,因而,实验结果的离散性由于样?#20998;?#22791;的
过程差异将很难避免。大量研究已经证实,采用纳米压痕仪研究非晶合金的微纳米力学行
为是非常合适的。由于具备无损性、高精度等优点,基于纳米压痕仪的力学行为表征特别适
应于尺寸受限、室温脆性、率相关性不显著的非晶合金等材料的流变力学行为研究。利用压
头纳米压痕仪,人们可以捕捉到非晶合金的流变变形?#38468;冢?#32780;这些变形?#38468;?#26159;材料微观结
构的直观?#20174;场?#20294;是,由于纳米压痕仪样品室的空间尺寸受限,且测试过程中,测试精度对
样品室温度变化非常敏感,即轻微的温度扰动也会产生显著的温漂。因此,很难将传统的大
尺寸力学实验设备与纳米压痕仪进行联用以探测受力过程中的微纳米力学行为演化。此
外,采用纳米压痕仪进行微纳米力学行为测试,特别是低载模式下,压入深度通常在纳米
级,因而对样品表面的平整度要求非常高,一般的大尺寸样品表面机械打磨等方法很难达
到测试对样品表面的要求。

如果能在材料变形过程中,或在恒定应变状态下(即应力松弛过程中),实时表征
材料的微纳米力学响应,并基于相应的力学响应分析材料的结构演化信息,将是研究对过
程和速率敏感的非晶态材料变形机理的重要突破。所以理想中的适用于研究非晶合金在变
形过程中结构演化与相关力学行为的装置需要能够实现非晶合金可控且精度高的变形,并
且能够与纳米压痕仪联用,用以研究变形过程中或应力松弛过程中非晶合金的微纳米力学
行为变化,探索非晶合金的微观结构及形变机理。本发明一种与纳米压痕仪联用的非晶合
金薄带拉伸装置可以满足上述要求。

发明内容

针对现有实验装置的不足,本发明的目的在于提供一种与纳米压痕仪联用的非晶
合金薄带拉伸装置及其使用方法,?#31859;?#32622;能够研究在不同温度下、不同成分的非晶合金薄
带样品在拉伸过程中、不同恒定应变拉伸状态下的微纳米力学性?#26102;?#21270;,进而?#20174;?#26448;料在
变形过程中的结构演化信息。

根据本发明提供的第一种实施方?#31119;?#25552;供一种与纳米压痕仪联用的非晶合金薄带
拉伸装置。

一种与纳米压痕仪联用的非晶合金薄带拉伸装置,?#31859;?#32622;包括底座、高精度涡轮
式粗微调微分头、固定立柱、活动挡板、固定挡板、电机、电机电源、样?#20998;?#26550;、两个夹具。其
中:底座的一端设有固定挡板。底座的另一端设有固定立柱。高精度涡轮式粗微调微分头设
置在固定立柱上,并且与活动挡板上?#32435;?#32553;杆连接件连接。活动挡板位于固定挡板和固定
立柱之间。样?#20998;?#26550;放置在底座上并且位于活动挡板与固定挡板之间。活动挡板和固定挡
板的顶部分别设有一个夹具。电机与高精度涡轮式粗微调微分头连接并驱动高精度涡轮式
粗微调微分头。电机电源与电机连接;优选是电机电源与电机实现电连接。

优选的是,?#31859;?#32622;还包括控制系统。控制系统包括接收装置和遥控装置。控制系统
连接并控制电机电源和/或电机。

在本发明中,电机通过齿轮或皮带与高精度涡轮式粗微调微分头连接。

在本发明中,高精度涡轮式粗微调微分头包括微调钮、粗调钮、粗微调切换钮和伸
缩杆。伸缩杆的一端与活动挡板上?#32435;?#32553;杆连接件固定连接。微调钮与粗调钮均与伸缩杆
连接并控制伸缩?#35828;纳?#38271;或缩短。或者,微调钮与粗调钮控制伸缩杆的移动。粗微调切换钮
控制电机与微调钮或粗调钮连接(或交替连接)。

优选的是,粗微调切换钮位于高精度涡轮式粗微调微分头背离活动挡板一端的端
部。

优选的是,?#31859;?#32622;还包括限位螺母。其中高精度涡轮式粗微调微分头通过限位螺
母固定在固定立柱上,伸缩杆穿过固定立柱和限位螺母与活动挡板上?#32435;?#32553;杆连接件连
接。

在本发明中,样?#20998;?#26550;上部设有横梁。横梁的顶部高于活动挡板和固定挡板。横梁
与活动挡板的高度差为0.1-5mm,优选为0.2-3mm,更优选为0.5-2mm,例如0.6mm,0.8mm。

在本发明中,样?#20998;?#26550;与固定挡板之间的间隙;样?#20998;?#26550;与固定挡板之间的间隙
为0.1-10mm优选为0.2-5mm,更优选为0.5-3mm,例如1mm,1.5mm。

在本发明中,样?#20998;?#26550;与活动挡板之间的间隙;样?#20998;?#26550;与活动挡板之间的间隙
为5mm-20mm,优选为2-10mm,更优选为3-8mm,例如5mm,6mm。

优选的是,活动挡板与固定挡板之间设有弹簧。样?#20998;?#26550;包围在弹簧的外周,弹簧
的一端连接活动挡板,弹簧的另一端连接固定挡板。

在本发明中,?#31859;?#32622;长为50-150mm,优选80-120mm,更优选为90-110mm,例如
106mm。宽为30-80mm,更优选40-70mm,优选为50-65mm,例如60mm。高为10-50mm,优选15-
40mm,更优选为20-30mm,例如26mm。

优选的是,高精度涡轮式粗微调微分头的位移精度达到0.5μm,应变精度达到2.5*
10-5。

根据本发明的第二种实施方?#31119;?#25552;供一种与纳米压痕仪联用的非晶合金薄带拉伸
装置的使用方法。

一种与纳米压痕仪联用的非晶合金薄带拉伸装置的使用方法,该方法包括以下步
骤:

1)预压?#21644;?#36807;高精度涡轮式粗微调微分头的微调钮和粗调钮对弹簧进行预压,旋
紧粗微调切换钮;

2)安装:将非晶合金薄带样品加工?#31245;?#23450;尺寸后由夹具夹持;

3)卸载:将夹持薄带样品的非晶合金薄带拉伸装置放入纳米压痕仪的工作?#36965;?#23545;
弹簧进行卸载;

4)微纳米力学行为测试?#21644;?#36807;控制电机的转速而控制弹簧的卸载速?#21097;?#38750;晶合金
薄带样品拉伸达到预设应变量后,电机停止转动,纳米压痕仪对薄带样?#26041;?#34892;微纳米力学
行为测试;

5)微纳米力学行为连续测定:重新启动电机,重复步骤4),连续测定不同拉伸应变
状态下薄带样品的微纳米力学行为;

6)定量测定:启动电机至预设的应力松弛初?#21152;?#21464;值后,电机停止工作,开始记录
时间,纳米压痕仪以一定的时间间隔测定非晶合金的微纳米力学行为,实现材料在应力松
弛过程中力学响应变化的定量测定。

在本发明中,其中步骤1)所述的预压是通过高精度涡轮式粗微调微分头实现,高
精度涡轮式粗微调微分头的微调钮和粗调钮精确控制压缩位移量至预设值,待预压弹簧至
预定值后,由粗微调切换钮固定粗调钮。

优选的是,所述的对弹簧的预压力由高精度涡轮式粗微调微分头顶压施加,微分
头顶压力可达到39.2N。

在本发明中,其中步骤3)所述的对弹簧进行卸载的具体操作为:将非晶合金薄带
拉伸装置整体放入纳米压痕仪的工作?#36965;?#24453;温度场保持稳定后,通过遥控装置和接收装置,
开启电机,带动高精度涡轮式粗微调微分头的微调钮转动,对弹簧进行卸载。

在本发明中,其中非晶合金薄带拉伸的变形的控制由高精度涡轮式粗微调微分头
的微调钮实现,位移精度达到0.5μm,应变精度达到2.5*10-5。

在本发明中,对于非晶合金薄带样品的制备没有特殊要求,采用的是公知技术。弹
簧的材料可根据拉伸非晶合金的变形量和应变需求等综合选取。

在本发明中,?#31859;?#32622;能够实现非晶合金从零应变开始的连续拉伸变形,精确控制
应变,非晶合金拉伸的变形的控制由粗微调测微头的微调钮实现。

在本发明中,上述方法通过遥控装置和微型电机实现对非晶合金的拉伸变形,因
而工作时能保持工作室温度稳定,样品测试区的装置高度和装置整体外形尺寸均很小,满
足纳米压痕仪低载模式工作的空间要求,可以与纳米压痕仪联用,测试非晶合金在不同的
拉伸变形状态、应力松弛过程中的硬度、黏弹性响应、滞弹性响应、蠕变、应力松弛等微纳米
力学行为的变化。除非晶合金外,?#31859;?#32622;和方法同样适用于其他能形成一侧表面光滑的连
续薄带的材料。

在本发明中,固定挡板固定设置在底座的一端。固定立柱优选为下端固定设置在
底座上、上端分开为两根立柱的装置,分开的部分用于高精度涡轮式粗微调微分头?#32435;?#32553;
杆穿过。

在本发明中,高精度涡轮式粗微调微分头?#32435;?#32553;杆一端与高精度涡轮式粗微调微
分头内部的调节装置连接,伸缩杆的另一端与活动挡板上?#32435;?#32553;杆连接件连接。伸缩杆可
以是自由伸缩的装置,也可以是固定长度的装置,粗微调切换钮控制电机与微调钮或粗调
钮连接。微调钮和粗调钮均与伸缩杆连接,微调钮和粗调钮控制伸缩?#35828;纳?#38271;或缩短,或者
微调钮与粗调钮控制伸缩杆的移动,从而使得伸缩杆带动活动挡板远离或靠近固定挡板,
即实现调整活动挡板和固定挡板间的距离,从而控制了弹簧的压缩或拉伸。

在本发明中,样?#20998;?#26550;放置在底座上并且位于活动挡板与固定挡板之间。样?#20998;?br />架用于支撑非晶合金薄带。横梁的顶部高于活动挡板和固定挡板的目的是,非晶合金在薄
带拉伸装置上处于?#26519;?#30340;状态,与纳米压痕仪联用时,不会产生较大的形变,能够更加准确
的测定相关性能。样?#20998;?#26550;与固定挡板和活动挡板之间均存在间隙,是为了保证伸缩杆带
动活动挡板移动有充分的空间,便于测定非晶合金过程中,能够调整非晶合金薄带处于不
同的拉伸状态,测定不同状态下非晶合金的各种性能。一般地,样?#20998;?#26550;与固定挡板之间的
间隙是固定的,不会产生变化;样?#20998;?#26550;与活动挡板之间的间隙是变化的,根据活动挡板的
移动,间隙的宽度随之变化,

在本发明中,微分头顶压弹簧可以产生预压力,装上样品后,微分头卸载,弹簧恢
复,带动非晶薄带样品拉伸,在本发明中发现,弹簧的压缩变?#20301;?#22797;后,微分头还可以带动
弹簧拉伸,进一步给非晶薄带样品施加更大的拉应力,即可以实现更好的拉伸效果(弹簧先
压,后拉);所述的对弹簧的预压力由高精度涡轮式粗微调微分头顶压施加,微分头顶压力
可达到39.2*2N(即为原来的2倍)。此外,活动挡板与固定挡板之间设有弹簧的目的:由于机
械设备固有的间隙与预制带来的,不可避免的带来误差;高精度涡轮式粗微调微分?#38750;?#21160;
活动挡板移动是,由于高精度涡轮式粗微调微分头的误差将会传递给非晶合金性能的测
试?#31783;?#32622;弹簧,由于弹簧具有抗拉伸和抗压缩作用,在活动挡板移动过程中,弹簧会给活动
当帮一个力,使得活动挡板时刻处于“?#20004;簟?#30340;状态,消除了由于高精度涡轮式粗微调微分
?#38750;?#21160;活动挡板带来的误差,能够更加准确的控制活动挡板的移动,从而更加精确的测定
非晶合金的各项性能。样?#20998;?#26550;包围在弹簧的外周;弹簧的一端与固定挡板固定连接,弹簧
的另一端与活动挡板固定连接。即,弹簧穿过样?#20998;?#26550;的内部,能够自由压缩或伸长,不受
样?#20998;?#26550;的影响。

在本发明中,电机的选择没有特殊要求,由于本发明的装置较小,一般选用微型电
机。

在本发明中,控制系统包括接收装置和遥控装置,接收装置和遥控装置通过信号
连接,实现隔离控制本发明的装置。

在本发明中,限位螺母的作用是将高精度涡轮式粗微调微分头固定在固定立柱
上。高精度涡轮式粗微调微分头?#32435;?#32553;杆可以自由移动。

在本发明中,微分头顶压力是指指微分头旋动微分头粗、微调钮使伸缩杆行进,在
行进过程中通过压片对弹簧产生的压力。

在本发明中,薄带样品的规格不受限制,根据非晶合金的种类和需要测定的性能
而设定。一般地,薄带样品的的厚度为20μm~100μm,薄带样品的宽度为100μm~1000μm。

在本发明中,对弹簧进行卸载,即旋动微分头微调钮使伸缩杆退回,在退回过程中
卸除通过压片对弹簧施加的压力。一般地,卸载速率由遥控装置控制电机电源和/或电机进
行控制,根据电机的转速,卸载速率可在5μm/s~120μm/s间选择。微分头的微调钮旋转一圈
对应?#32435;?#32553;杆行进位移为5μm,实施例中电动马达的电机转速为?#20154;?#21487;控,转速在6转/分
钟-60转/?#31181;?0.1转/秒-1转/秒),?#35782;?#24212;的卸载速率可达到0.5μm/s~5μm/s,以弹簧初始
长度20mm为例,卸载的应变速率可达2.5*10-5s-1~2.5*10-4s-1)。

在本发明中,对非晶合金薄带样品拉伸的预设应变量可达到0~0.02。此处应变
0.02是指?#31859;?#32622;能实现的非晶合金薄带的最大拉伸应变,实际上,如果薄带厚度和宽度很
小,可以实现更大的拉伸应变直至非晶合金断裂,本发明的目的主要是考察非晶合金弹性
?#25991;冢?#26448;料变形过程中的微纳结构演化,所以,非弹性段的塑性或者破?#21040;?#27573;暂时没有考
虑。另0.02是大部分非晶合金弹性应变上限,超过此应变值一般会发生塑性变?#20301;?#26029;裂,0-
0.02是根据需要设定,如需要知道应变为0.01的拉伸状态下非晶合金的微纳米力学行为,
则本装置的预设应变量即为0.01,这也是本装置的一个很大的特点,当在0-0.02之间选择n
个应变?#25377;?#23450;微纳米力学行为后,以应变值为横坐标,微纳米力学行为的测定值为纵坐标,
即可得到非晶合金在拉伸变形过程中微纳米力学行为的演化规律。

在本发明中,纳米压痕仪对非晶合金的微纳米力学行为的时间间隔根据所需进行
的微纳米力学实验可以不同。?#28909;紓?#20570;硬度、黏弹性、滞弹性实验时,时间间隔一般为卸载至
薄带达到所需应变通过实验方案设计,如0.002,0.006,0.01等。不同拉伸应变状态,根据电
机转速,以转速为24转/?#31181;?#30340;电机为例[位移速率2μm/s,应变速率1*10-4s-1],则该时间间
隔为20s,60s,100s,测试系统温度稳定后即可进行。?#30452;热紓?#24212;力松弛过程中的实验时,先
将非晶合金卸载至所需应变,通过实验方案设计,可以为0~0.02的任一应变值,之后以一
定的时间间隔测定非晶合金在恒定应变时随时间增加过程中,材料的微纳力学行为变为;
如硬度、黏弹性、滞弹性等,应力松弛是指材料在恒定应变时,应力随时间而?#26723;?#30340;现象,本
装置可以定量测量松弛过程中材料微纳力学行为随时间的变化,进而间接地?#20174;?#20986;材料在
此过程中的结构演化。在松弛过程中,起始阶段纳米压痕测试的时间间隔应较小,根据纳米
压痕仪的工作机制,松弛过程中每次纳米压痕工作的时间间隔可以为10s~180s。

在本发明中,压缩位移量的预设值是指弹簧压缩预设值,根据微分头能实现的最
大压力,以及弹簧的材质、外径、线径及其弹性常数,该?#24213;?#22823;可达0.022。

在本发明中,纳米压痕仪的温度根据薄带样品而设定,纳米压痕仪的温度即纳米
压痕仪的工作温度范围。本装置的温度可以直接由纳米压痕仪的工作温度范围设定,不受
装置的影响,因为弹簧的材质在温度不超过300度?#34987;?#26412;性质不受温度变化的影响,由纳米
压痕仪工作温度可达到的范围为室温~350℃,?#26102;?#35013;置推荐适用的实验温度范围在室温
~300℃之间。不同温度下材料在拉伸变形过程中会表现出不同的特征,也可由本装置结合
纳米压痕仪的微纳米力学实验进行表征。

在本发明中,高精度涡轮式粗微调微分头的位移精度由微分头生产厂?#20918;?#23450;,即
通过微分头的微调旋钮可实现的位移控制精度;应变精度是根据位移精度、弹性基片纵向
长度确定,因微分头的位移精度达到0.5μm,本装置中弹簧在实施例中的纵向长度为20mm,
故应变精度达到0.5μm/20mm=0.000025,即2.5*10-5。

除与纳米压痕仪联用外,本装置还适用于与其他实验设备(能谱扫描仪等)联用,
以观测或?#25377;?#34180;膜或薄带材料在拉伸过程中的其他物理量变化。

与现有的拉伸装置相比,本发明所具有的有益效果为:

1、装置外形尺寸小,安装拆卸方便,能够与纳米压痕仪联用进行硬度测试和黏弹
性、滞弹性等微纳米流变力学行为测试;

2、可以实现非晶合金连续拉伸变形,变形量和应变可控且精度高;

3、可保持恒定应变,实现非晶合金的应力松弛过程;

4、适用于不同种类的非晶合金材料,实验温度可控且温度场稳定;

5、所测试的样品为旋淬系?#25345;?#22791;的非晶合金薄带,贴辊面粗糙,而另一面为高真
空单辊旋淬系统甩带形成,其表面光滑、平整,测试精度高。

附图说明

图1为本发明与纳米压痕仪联用的非晶合金薄带拉伸装置的结构示意图;

图2为本发明与纳米压痕仪联用的非晶合金薄带拉伸装置的主视图;

图3为本发明与纳米压痕仪联用的非晶合金薄带拉伸装置的俯视图;

图4为本发明与纳米压痕仪联用的非晶合金薄带拉伸装置的左视图;

图5为本发明与纳米压痕仪联用的非晶合金薄带拉伸装置的E-E剖面视图;

图6为本发明与纳米压痕仪联用的非晶合金薄带拉伸装置实验状态的结构示意
图;

图7为本发明与纳米压痕仪联用的非晶合金薄带拉伸装置实验状态的主视图;

图8为本发明与纳米压痕仪联用的非晶合金薄带拉伸装置实验状态的俯视图;

图9为本发明与纳米压痕仪联用的非晶合金薄带拉伸装置实验状态的左视图;

图10为本发明与纳米压痕仪联用的非晶合金薄带拉伸装置实验状态的F-F剖面视
图;

图11为本发明与纳米压痕仪联用的非晶合金薄带拉伸装置实验状态M部位的局部
放大图;

图12为本发明控制系统示意图。

附图标记:A:纳米压痕仪;B:非晶合金薄带拉伸装置;1:底座;2:高精度涡轮式粗
微调微分头;201:微调钮;202:粗调钮;203:粗微调切换钮;204:伸缩杆;3:固定立柱;4:活
动挡板;401:伸缩杆连接件;5:固定挡板;6:弹簧;7:电机;8:电机电源;9:接收装置;10:齿
轮;11:样?#20998;?#26550;;1101:横梁;12:夹具;13:遥控装置;14?#21512;?#20301;螺?#31119;?5:薄带样品;16:控制
系统;d1:样?#20998;?#26550;与固定挡板之间的间隙;d2:样?#20998;?#26550;与活动挡板之间的间隙;h:横梁与
活动挡板的高度差。

具体实施方式

根据本发明提供的第一种实施方?#31119;?#25552;供一种与纳米压痕仪A联用的非晶合金薄
带拉伸装置B。

一种与纳米压痕仪A联用的非晶合金薄带拉伸装置B,?#31859;?#32622;B包括底座1、高精度
涡轮式粗微调微分头2、固定立柱3、活动挡板4、固定挡板5、电机7、电机电源8、样?#20998;?#26550;11、
两个夹具12。其中:底座1的一端设有固定挡板5。底座1的另一端设有固定立柱3。高精度涡
轮式粗微调微分头2设置在固定立柱3上,并且与活动挡板4上?#32435;?#32553;杆连接件401连接。活
动挡板4位于固定挡板5和固定立柱3之间。样?#20998;?#26550;11放置在底座上并且位于活动挡板4与
固定挡板5之间。活动挡板4和固定挡板5的顶部分别设有一个夹具12。电机7与高精度涡轮
式粗微调微分头2连接并驱动高精度涡轮式粗微调微分头2。电机电源8与电机7连接;优选
是电机电源与电机实现电连接。

优选的是,?#31859;?#32622;B还包括控制系统16。控制系统16包括接收装置9和遥控装置13。
控制系统16连接并控制电机电源8和/或电机7。

在本发明中,电机7通过齿轮10或皮带与高精度涡轮式粗微调微分头2连接。

在本发明中,高精度涡轮式粗微调微分头2包括微调钮201、粗调钮202、粗微调切
换钮203和伸缩杆204。伸缩杆204的一端与活动挡板4上?#32435;?#32553;杆连接件401固定连接。微调
钮201与粗调钮202均与伸缩杆204连接并控制伸缩杆204?#32435;?#38271;或缩短。或者,微调钮201与
粗调钮202控制伸缩杆204的移动。粗微调切换钮(203)控制电机7与微调钮201或粗调钮202
连接(或粗微调切换钮(203)控制电机7与微调钮201或粗调钮202交替连接)。

优选的是,粗微调切换钮203位于高精度涡轮式粗微调微分头2背离活动挡板4一
端的端部。

优选的是,?#31859;?#32622;B还包括限位螺母14。其中高精度涡轮式粗微调微分头2通过限
位螺母14固定在固定立柱3上,伸缩杆204穿过固定立柱3和限位螺母14与活动挡板4上?#32435;?br />缩杆连接件401连接。

在本发明中,样?#20998;?#26550;11上部设有横梁1101。横梁1101的顶部高于活动挡板4和固
定挡板5。横梁1101与活动挡板4的高度差h为0.1-5mm,优选为0.2-3mm,更优选为0.5-2mm,
例如0.6mm,0.8mm。

在本发明中,样?#20998;?#26550;11与固定挡板5之间的间隙;样?#20998;?#26550;11与固定挡板5之间
的间隙d1为0.1-10mm优选为0.2-5mm,更优选为0.5-3mm,例如1mm,1.5mm。

在本发明中,样?#20998;?#26550;11与活动挡板4之间的间隙;样?#20998;?#26550;11与活动挡板4之间
的间隙d2为1-20mm,优选为2-10mm,更优选为3-8mm,例如5mm,6mm。

优选的是,活动挡板4与固定挡板5之间设有弹簧6。样?#20998;?#26550;11包围在弹簧6的外
周,弹簧6的一端连接活动挡板4,弹簧6的另一端连接固定挡板5。

在本发明中,?#31859;?#32622;长为50-150mm,优选80-120mm,更优选为90-110mm,例如
106mm。宽为30-80mm,更优选40-70mm,优选为50-65mm,例如60mm。高为10-50mm,优选15-
40mm,更优选为20-30mm,例如26mm。

优选的是,高精度涡轮式粗微调微分头2的位移精度达到0.5μm,应变精度达到
2.5*10-5。

根据本发明的第二个实施方?#31119;?#25552;供一种与纳米压痕仪联用的非晶合金薄带拉伸
装置的使用方法。

一种与纳米压痕仪A联用的非晶合金薄带拉伸装置B的使用方法,该方法包括以下
步骤:

1)预压?#21644;?#36807;高精度涡轮式粗微调微分头2的微调钮201和粗调钮202对弹簧6进行
预压;

2)安装:将非晶合金薄带样品15加工?#31245;?#23450;尺寸后由夹具12夹持;

3)卸载:将夹持薄带样品15的非晶合金薄带拉伸装置B放入纳米压痕仪A的工作
?#36965;?#23545;弹簧6进行卸载;

4)微纳米力学行为测试?#21644;?#36807;控制电机7的转速而控制弹簧6的卸载速?#21097;?#38750;晶合
金薄带样品15拉伸达到预设应变量后,电机7停止转动,纳米压痕仪A对薄带样品15进行微
纳米力学行为测试;

5)微纳米力学行为连续测定:重新启动电机7,重复步骤4),连续测定不同拉伸应
变状态下薄带样品15的微纳米力学行为;

6)定量测定:启动电机7至预设的应力松弛初?#21152;?#21464;值后,电机7停止工作,开始记
录时间,纳米压痕仪A以一定的时间间隔测定非晶合金的微纳米力学行为,实现材料在应力
松弛过程中力学响应变化的定量测定。

在本发明中,其中步骤1)所述的预压是通过高精度涡轮式粗微调微分头2实现,高
精度涡轮式粗微调微分头2的微调钮201和粗调钮202精确控制压缩位移量至预设值,待预
压弹簧6至预定值后,由粗微调切换钮203固定粗调钮202。

优选的是,所述的对弹簧6的预压力由高精度涡轮式粗微调微分头2顶压施加,微
分头顶压力可达到39.2N。

在本发明中,其中步骤3)所述的对弹簧6进行卸载的具体操作为:将非晶合金薄带
拉伸装置B整体放入纳米压痕仪A的工作?#36965;?#24453;温度场保持稳定后,通过遥控装置13和接收
装置9,开启电机7,带动高精度涡轮式粗微调微分头2的微调钮201转动,对弹簧6进行卸载。

在本发明中,其中非晶合金薄带拉伸的变形的控制由高精度涡轮式粗微调微分头
2的微调钮201实现,位移精度达到0.5μm,应变精度达到2.5*10-5。

实施例1

如图1,一种与纳米压痕仪A联用的非晶合金薄带拉伸装置B,?#31859;?#32622;B包括底座1、
高精度涡轮式粗微调微分头2、固定立柱3、活动挡板4、固定挡板5、电机7、电机电源8、样品
支架11、两个夹具12。其中:底座1的一端设有固定挡板5。底座1的另一端设有固定立柱3。高
精度涡轮式粗微调微分头2设置在固定立柱3上,并且与活动挡板4上?#32435;?#32553;杆连接件401连
接。活动挡板4位于固定挡板5和固定立柱3之间。样?#20998;?#26550;11放置在底座上并且位于活动挡
板4与固定挡板5之间。活动挡板4和固定挡板5的顶部分别设有一个夹具12。电机7与高精度
涡轮式粗微调微分头2连接并驱动高精度涡轮式粗微调微分头2。电机电源8与电机7连接。
电机7通过齿轮10与高精度涡轮式粗微调微分头2连接。高精度涡轮式粗微调微分头2包括
微调钮201、粗调钮202、粗微调切换钮203和伸缩杆204。伸缩杆204的一端与活动挡板4上的
伸缩杆连接件401固定连接。微调钮201与粗调钮202均与伸缩杆204连接并控制伸缩杆204
?#32435;?#38271;或缩短。粗微调切换钮202控制电机7与微调钮201或粗调钮202连接。粗微调切换钮
203位于高精度涡轮式粗微调微分头2背离活动挡板4一端的端部。?#31859;?#32622;B还包括限位螺母
14。其中高精度涡轮式粗微调微分头2通过限位螺母14固定在固定立柱3上,伸缩杆204穿过
固定立柱3和限位螺母14与活动挡板4上?#32435;?#32553;杆连接件401连接。样?#20998;?#26550;11上部设有横
梁1101。横梁1101的顶部高于活动挡板4和固定挡板5。横梁1101与活动挡板4的高度差h为
0.5mm。样?#20998;?#26550;11与固定挡板5之间的间隙;样?#20998;?#26550;11与固定挡板5之间的间隙d1为1mm,
样?#20998;?#26550;11与活动挡板4之间的间隙;样?#20998;?#26550;11与活动挡板4之间的间隙d2为5mm。

?#31859;?#32622;长宽高为106mm*60mm*26mm。

实施例2

重?#35789;?#26045;例1,只是?#31859;?#32622;B还包括控制系统16。控制系统16包括接收装置9和遥控
装置13。控制系统16连接并控制电机电源8和电机7。

实施例3

重?#35789;?#26045;例2,只是电机7通过齿轮与高精度涡轮式粗微调微分头2连接。微调钮
201与粗调钮202控制伸缩杆204的移动。

实施例4

重?#35789;?#26045;例2,只是横梁1101与活动挡板4的高度差h为0.8mm。样?#20998;?#26550;11与固定
挡板5之间的间隙;样?#20998;?#26550;11与固定挡板5之间的间隙d1为2mm,样?#20998;?#26550;11与活动挡板4
之间的间隙;样?#20998;?#26550;11与活动挡板4之间的间隙d2为6mm。

实施例5

重?#35789;?#26045;例2,只是活动挡板4与固定挡板5之间设有弹簧6。样?#20998;?#26550;11包围在弹
簧6的外周,弹簧6的一端连接活动挡板4,弹簧6的另一端连接固定挡板5。

实施例6

重?#35789;?#26045;2,底座1、固定立柱3、活动挡板4及固定挡板5为中碳钢。高精度涡轮式粗
微调微分头2为日本西格玛光机公司生产的WGP-13,行程0-13mm,额定静载荷39.2N,粗调最
小读数5μm,微调最小读数0.5μm。纳米压痕仪A为美国Hysitron公司的TriboIndenter微纳
米综合力学测试系统低载模式纳米压痕模块。弹簧6为合金钢材?#21097;?#22806;径10mm,长度20mm,线
径2.5mm,经测试室温弹簧常数为98N/mm。经计算,在高精度涡轮式粗微调微分头2的额定静
荷载作用下可实现的预压应变范围为0-2%。

实施例7

如图6,一种与纳米压痕仪A联用的非晶合金薄带拉伸装置的使用方法,使用实施
例2中的装置,通过旋动高精度涡轮式粗微调微分头2对弹簧6进行预压,高精度涡轮式粗微
调微分头2的粗、微调刻度精确控制压缩位移量至预设值0.4mm后,由粗微调切换钮203固定
粗调部。将由高真空单辊旋淬系?#25345;?#22791;的非晶合金薄带样品15,加工成拉伸试样形状,端部
由夹具12夹持。将装置整体放入纳米压痕仪A的工作?#36965;?#24453;温度场保持稳定后,通过遥控装
置13和接收装置9,开启微型电机7,带动高精度涡轮式粗微调微分头2的微调钮201转动,对
弹簧6进行卸载。通过精确控制微型电机7的转速而控制弹簧6的卸载速?#21097;?#38750;晶合金薄带拉
伸达到预设应变量后,微型电机7停止转动,纳米压痕仪A进行微纳米力学行为测试。重新启
动微型电机7,重复上一步操作,连续测定不定拉伸应变状态下非晶合金的微纳米力学行
为。启动微型电机7至预设的应力松弛初?#21152;?#21464;值后,微型电机7停止工作,开始记录时间,
纳米压痕仪A以一定的时间间隔测定非晶合金的微纳米力学行为,实现材料在应力松弛过
程中力学响应变化的定量测定。

关于本文
本文标题:与纳米压痕仪联用的非晶合金薄带拉伸装置及其使用方法.pdf
链接地址:http://www.pqiex.tw/p-5994603.html
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