專利名稱：一種小尺度片狀樣品三點彎曲力學性能測試方法和裝置的制作方法
技術領域：
本發(fā)明屬于一種小尺度片狀樣品三點彎曲力學性能測試的方法及其裝置，包括應用于表面制備有薄膜材料片狀樣品的力學性能測試以及預制有微裂紋脆性材料高速開裂速度測試實驗研究領域。
背景技術：
目前，在國內(nèi)外的材料的小尺度片狀樣品脆韌性轉變、裂紋尖端位錯發(fā)射行為以及預制有微裂紋的脆性材料高速開裂行為的研究中，前者一般采用納米壓痕和塊體材料的等軸拉伸等方法，而后者研究中通常將樣品固定在硬質(zhì)彈性框架上，再通過力學測量系統(tǒng)對框架加載實現(xiàn)大尺度或者塊體材料在微變形的情況下實現(xiàn)裂紋高速開裂。但隨著當今科學技術的發(fā)展，各方面對不同材料的相關實驗展開，包括高分子材料、單晶材料、多晶材料、薄膜材料以及非晶材料，對小尺度樣品裂紋開裂行為研究提出越來越高的要求，同時要求樣品測試過程中避免更多的外來干擾，因為在裂紋尖端和裂紋高速開裂行為研究中關注的主要問題是材料本征結構和能量耗散之間的關系，雖然目前已經(jīng)有大量相關工作開展，包括采用分子動力學模擬和有限元模擬方法對裂紋尖端的運動和裂紋尖端能量變化進行分析，但控制裂紋高速開裂的動態(tài)機制仍然不為人們很好理解，在研究材料的尺度、溫度效應和控制精度等方面需要深入開展下去，而在目前使用的方法中要求樣品較大，無法實現(xiàn)小尺度樣品高速裂紋開裂研究，而通過固定在框架上方法更使在溫度場中的研究無法進行。本發(fā)明中小尺度樣品規(guī)格為(16～20)mm×(3～10)mm×(0.3～1)mm。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種小尺度片狀樣品三點彎曲力學性能測試的方法及其裝置，包括應用于表面制備有薄膜材料的力學性能測試以及片狀脆性材料裂紋高速開裂速度測試實驗研究方面，可以很好的避免加載框架對信號采集的影響同時可以實現(xiàn)在低于1200攝氏度溫度場中展開小尺度片狀樣品的相關實驗。
本發(fā)明的技術方案是一種小尺度片狀樣品三點彎曲力學性能測試方法，其特征在于具體步驟如下1)首先將片狀樣品安裝到樣品臺的樣品臺支撐點上，將片狀樣品中間預制的微裂紋保持在兩個樣品臺支撐點的中間，使其上方與加載系統(tǒng)的力傳動桿相對應，保證力傳動桿的載荷作用在裂紋尖端的正上方；2)調(diào)整限位螺栓，保持片狀樣品的垂直；同時控制限位螺栓與片狀樣品之間的作用力，使限位螺栓尖端與片狀材料接觸；3)對力傳動桿采用力控制方式，使壓頭與片狀樣品的上表面接觸；4)連接導線與片狀樣品表面薄膜上預制的兩個電極，使其與電位采集系統(tǒng)相連接；5)改變控制方式使之與測試條件匹配；6)安裝熱電偶在片狀樣品的上下表面，同時調(diào)整電阻絲加熱爐的高度，保證片狀樣品在電阻絲加熱爐的均熱帶內(nèi)；7)關合電阻絲加熱爐，運行加載系統(tǒng)，直至片狀樣品斷裂，記錄斷裂瞬間載荷和電極兩端電壓變化。
所述片狀樣品為非標準樣品，在所述步驟7)中計算臨界應力強度因子Kc時，采用如下公式Kc=f(aw)3PLBw2πa]]>其中a為裂紋長度，P為壓頭載荷，w為試樣的高度，B為試樣厚度，L為樣品臺支撐點跨距， 為形狀修正函數(shù)。
一種小尺度片狀樣品三點彎曲力學性能測試裝置，具有樣品臺、樣品臺支撐系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)、加熱系統(tǒng)、加載系統(tǒng)、測試系統(tǒng)，所述樣品臺為三點彎曲樣品臺，三點彎曲樣品臺由高溫合金加工而成，上面加工有放置片狀樣品的窄縫、兩個樣品支撐點和樣品支撐點外側的樣品限位點，樣品臺與垂直放置的片狀樣品相對應的面上裝有限位螺栓，限位螺栓調(diào)整片狀樣品的垂直位置。
本發(fā)明的有益效果是1、本發(fā)明直接安裝小尺度片狀樣品在測試裝置上，進行片狀樣品的三點彎曲實驗，也可以進行已經(jīng)預制微裂紋片狀樣品的臨界應力強度因子測試。
2、本發(fā)明平行放置表面制備有薄膜材料片狀樣品，直接進行力學性能測試，研究薄膜材料和基體材料的結合強度。
3、本發(fā)明在樣品臺及加載壓頭上鍍有納米陶瓷膜，防止樣品臺和樣品之間發(fā)生導電，避免在高速裂紋開裂測試過程中干擾采集信號。
4、本發(fā)明可以在低于300攝氏度的溫度環(huán)境中進行相關實驗。


圖1為本發(fā)明測試裝置示意圖。
圖2為本發(fā)明圖1中樣品臺示意圖。
圖3為圖2的側視圖。
圖中標記說明1-1-力傳動桿，1-2-壓頭，1-3-片狀樣品，1-4-循環(huán)冷卻水，1-5-樣品臺支撐點，1-6-壓力傳感器，1-7-熱電偶，1-8-電阻絲加熱爐，1-9-溫度控制柜，1-10-電位差計，1-11-樣品臺支撐桿，1-12-電極，1-13-樣品臺；2-1-樣品支撐點，2-2-限位螺栓，2-3-樣品限位點。
圖4為在不同加載速率下臨界應力強度因子隨溫度變化曲線。
圖5為預制有微裂紋樣品上電壓隨裂紋啟動開裂時間變化曲線。
具體實施例方式
下面結合附圖對本發(fā)明做進一步描述。
如圖1～3所示，本發(fā)明所述的小尺度片狀樣品三點彎曲力學性能測試裝置，具有樣品臺、樣品臺支撐系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)、加熱系統(tǒng)、加載系統(tǒng)、測試系統(tǒng)組成，所述樣品臺為三點彎曲樣品臺，三點彎曲樣品臺由高溫合金加工而成，上面加工有放置片狀樣品1-3的窄縫、兩個樣品支撐點2-1和樣品支撐點2-1外側的樣品限位點2-3，樣品臺1-13與垂直放置的片狀樣品1-3相對應的面上裝有限位螺栓2-2，限位螺栓2-2調(diào)整片狀樣品1-3的垂直位置。所述樣品臺支撐系統(tǒng)包括樣品臺支撐點1-5以及其上設置的樣品臺支撐桿1-11，三點彎曲樣品臺安裝于樣品臺支撐桿1-11上，樣品臺支撐點1-5下面設有壓力傳感器1-6；所述加載系統(tǒng)包括力傳動桿1-1以及其下面連接的壓頭1-2，壓頭1-2與片狀樣品1-3接觸；所述冷卻系統(tǒng)為環(huán)繞于力傳動桿1-1和樣品臺支撐點1-5外側的循環(huán)冷卻水1-4；所述加熱系統(tǒng)包括電阻絲加熱爐1-8、熱電偶1-7以及與電阻絲加熱爐1-8相連的溫度控制柜1-9，本發(fā)明加熱系統(tǒng)采用雙電偶監(jiān)控方式；所述測試系統(tǒng)包括電位差計1-10、安裝于片狀樣品1-3上的電極1-12，電極1-12通過電位采集系統(tǒng)與電位差計1-10相連。
本發(fā)明所述的小尺度片狀樣品三點彎曲力學性能測試方法，具體由以下實驗步驟完成。在臨界應力強度因子測試和高速裂紋開裂測試中1.1首先將片狀樣品1-3安裝到樣品臺1-13的樣品臺支撐點1-5上，同時要保持片狀樣品1-3的平整性，將片狀樣品1-3中間預制的微裂紋保持在兩個樣品臺支撐點1-5的中間，使其上方與加載系統(tǒng)的力傳動桿1-1相對應，保證力傳動桿1-1的載荷作用在裂紋尖端的正上方，保證測試數(shù)據(jù)的準確性。
1.2隨后調(diào)整限位螺栓2-2，保持片狀樣品的垂直擺放；同時適度控制限位螺栓2-2與片狀樣品1-3之間的作用力，使限位螺栓尖端與片狀材料輕輕接觸，防止其間作用力干擾力傳動桿1-1所加載荷，進而避免影響測試結果；1.3對力傳動桿1-1采用力控制方式，使壓頭1-2與片狀樣品1-3的上表面輕輕接觸，避免位移控制接觸瞬間大載荷破壞樣品和壓力傳感器1-6；1.4連接導線與片狀樣品1-3表面薄膜上預制的兩個電極1-12，使其與電位采集系統(tǒng)相連接。
1.5改變控制方式，采用位移控制使之與測試條件匹配。
1.6安裝熱電偶1-7在片狀樣品1-3的上下表面，同時調(diào)整電阻絲加熱爐1-8的高度，保證片狀樣品1-3在電阻絲加熱爐1-8的均熱帶內(nèi)，在研究脆韌性轉和變裂紋速度研究試驗中溫度范圍可為100～1200℃，但是在應變測量試驗中溫度需低于300℃，安裝加熱裝置是研究溫度的效應，而且是力學性能研究中一個重要指標。
1.7關合電阻絲加熱爐1-8，使電阻絲加熱爐1-8進入工作狀態(tài)，運行加載系統(tǒng)，通過位移控制逐步增加載荷(增加速度為4微米/秒、8微米/秒、16微米/秒)，直至加載片狀樣品1-3斷裂，記錄加載過程中最大載荷，記錄斷裂瞬間載荷和電極1-12兩端電壓變化，轉換電位與時間數(shù)據(jù)為速度與時間關系。
在上述1.7中記錄了加載過程中最大載荷，但不能反應片狀樣品裂紋特征，因為在本發(fā)明中采用的是非標準樣品，需要根據(jù)公式進行轉換，所以在計算臨界應力強度因子Kc時，對標準公式進行了處理，得到如下公式Kc=f(aw)3PLBw2πa]]>
其中a為裂紋長度，P為壓頭1-2載荷，w為試樣的高度，B為試樣厚度，L為樣品臺支撐點1-5跨距， 為形狀修正函數(shù)。
在圖4中給出了在不同加載速率(4微米/秒、8微米/秒、16微米/秒)的情況下單晶硅片狀樣品的臨界應力強度因子(Kc)隨溫度(T)的變化曲線。由圖4可以看出，在低于脆韌性轉變溫度階段，屬于脆性開裂階段，在這個階段內(nèi)隨著溫度升高，臨界應力強度因子Kc基本不變，隨著溫度繼續(xù)升高，在一個較小溫度區(qū)間變，臨界應力強度因子Kc大幅升高，實現(xiàn)脆韌性轉變。
在圖5中給出了預制有微裂紋的片狀樣品在高速開裂過程中電位隨開裂時間的變化曲線。由圖5可以看到，通過本方法及其裝置有效的記錄了在10-6秒時間內(nèi)裂紋開裂的電位動態(tài)變化過程，為高速裂紋速度分析提供了可靠數(shù)據(jù)。
權利要求
1.一種小尺度片狀樣品三點彎曲力學性能測試方法，其特征在于具體步驟如下1)首先將片狀樣品(1-3)安裝到樣品臺(1-13)的樣品臺支撐點(1-5)上，將片狀樣品(1-3)中間預制的微裂紋保持在兩個樣品臺支撐點(1-5)的中間，使其上方與加載系統(tǒng)的力傳動桿(1-1)相對應，保證力傳動桿(1-1)的載荷作用在裂紋尖端的正上方；2)調(diào)整限位螺栓(2-2)，保持片狀樣品的垂直；同時控制限位螺栓(2-2)與片狀樣品(1-3)之間的作用力，使限位螺栓尖端與片狀材料接觸；3)對力傳動桿(1-1)采用力控制方式，使壓頭(1-2)與片狀樣品(1-3)的上表面接觸；4)連接導線與片狀樣品(1-3)表面薄膜上預制的兩個電極(1-12)，使其與電位采集系統(tǒng)相連接；5)改變控制方式使之與測試條件匹配；6)安裝熱電偶(1-7)在片狀樣品(1-3)的上下表面，同時調(diào)整電阻絲加熱爐(1-8)的高度，保證片狀樣品(1-3)在電阻絲加熱爐(1-8)的均熱帶內(nèi)；7)關合電阻絲加熱爐(1-8)，運行加載系統(tǒng)，直至片狀樣品(1-3)斷裂，記錄斷裂瞬間載荷和電極(1-12)兩端電壓變化。
2.按照權利要求1所述的測試方法，其特征在于片狀樣品為非標準樣品，在所述步驟7)中計算臨界應力強度因子Kc時，采用如下公式Kc=f(aw)2PLBw2πa]]>其中a為裂紋長度，P為壓頭(1-2)載荷，w為試樣的高度，B為試樣厚度，L為樣品臺支撐點(1-5)跨距， 為形狀修正函數(shù)。
3.一種小尺度片狀樣品三點彎曲力學性能測試裝置，具有樣品臺、樣品臺支撐系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)、加熱系統(tǒng)、加載系統(tǒng)、測試系統(tǒng)，其特征在于所述樣品臺為三點彎曲樣品臺，三點彎曲樣品臺由高溫合金加工而成，上面加工有放置片狀樣品(1-3)的窄縫、兩個樣品支撐點(2-1)和樣品支撐點(2-1)外側的樣品限位點(2-3)，樣品臺(1-13)與垂直放置的片狀樣品(1-3)相對應的面上裝有限位螺栓(2-2)，限位螺栓(2-2)調(diào)整片狀樣品(1-3)的垂直位置。
全文摘要
本發(fā)明屬于一種小尺度片狀樣品三點彎曲力學性能測試的方法和裝置。該方法將已經(jīng)預制有微裂紋的表面沉積有薄膜片狀樣品放置在樣品臺上，首先采用力控制方式，使壓頭與樣品的上表面接觸，隨后調(diào)整為測試條件，防止接觸瞬間大載荷作用；將預制有微裂紋的片狀樣品上的兩個電極與電位采集系統(tǒng)相連接，逐步增加載荷，記錄加載過程中最大載荷，在微裂紋開裂瞬間監(jiān)控電位變化，轉換電位與時間數(shù)據(jù)為速度與時間關系。該裝置由三點彎曲樣品臺、樣品臺支撐系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)、加熱系統(tǒng)、加載系統(tǒng)、測試系統(tǒng)組成。本發(fā)明直接安裝小尺度片狀樣品在測試裝置上，進行片狀樣品的三點彎曲實驗，也可以進行已經(jīng)預制微裂紋片狀樣品的臨界應力強度因子測試。
文檔編號G01N3/00GK1920521SQ20051004709
公開日2007年2月28日 申請日期2005年8月26日 優(yōu)先權日2005年8月26日
發(fā)明者譚軍, 萬曄, 張磊, 溫井龍, 姚戈 申請人:中國科學院金屬研究所