基于音圈致动的微米压入力学测试仪器的研制

Micromechanical testing is a universal and essential technique for fundamental researches on materials, physics, mechanics, and so on. Mechanical theories and problems are involved in the developing instrument for micromechanical testing. This proposed project is aimed to develop a catalog of voice coil actuated indentation testing techniques for measuring hardness and elastoplastic parameters of metals. These techniques will be compatible with hardness testers and material test machines, and will expand the working range of nanoindentation testers. Targets of this project mainly include: (i) researching model, analyze and control of dynamics for measuring system based on flexible supporting voice coil actuator to optimize tester design, (ii) manufacturing a depth-sensing microindentation tester to develop locally probing techniques, (iii) developing techniques of verification and calibration to evaluate instrument characteristics, (iv) improving the integrated analyzing method for measuring hardness, elastic modulus, yield strain, and work-hardening exponent using spherical indentation to develop simplified testing procedures, (v) comparing the results of indentation tests and conventional tensile tests on typical materials to verify the reliability of determination of elastoplastic parameters by indentation testing. Theoretical reliability, technical feasibility, and resulting credibility will be satisfied in the instrument development in this project. The ownership of intellectual properties and practical and economic value of the new developed instrument will be emphasized. Based on these above researches, some techniques and standards for microindentation will be established.

微米力学测试是材料、物理、力学等学科基础研究的通用和必备技术，相关测试仪器的研制蕴含着力学的科学原理和问题。本申请项目旨在，针对金属材料，发展一类基于音圈致动压入方式测定材料硬度和弹塑性参数的技术，以兼顾传统硬度计和材料试验机的测试功能，拓宽纳米压入仪的测试范围。主要内容包括：研究柔性支撑的音圈致动测量系统动力学的建模、分析和控制，以优化其设计方案；制作基于深度敏感原理的微米压入仪，以发展样品的微区测量技术；建立相关的检验和校准技术，以评定仪器特性；完善基于球形压入识别硬度、弹性模量、屈服应变和幂硬化指数的一体化分析方法，以形成高效测试方法；选择若干典型材料，进行压入和拉伸对比和校核的试验，以确认压入所测定弹塑性参数的可靠性。所研制的仪器，做到理论可靠、技术可行、结果可信，拥有自主知识产权，强化实用性和经济性，并以此形成有关技术方法和规范。

微米力学测试是材料、物理、力学等学科基础研究的通用和必备技术，相关测试仪器的研制蕴含着力学的科学原理和基本问题。本项目主要针对金属等典型材料，发展一类基于音圈致动的压入方式测定材料硬度和弹性参数的技术，以便兼顾传统硬度计和材料试验机的测试功能，拓宽纳米压入仪的测试范围。其主要研究内容包括：研究柔性支撑的音圈致动测量系统动力学的建模、分析和控制，以便优化其设计方案；设计加工基于深度敏感原理的微米压入仪，以便发展样品的微区测量技术；建立相关的检验和校准技术，以便评定仪器特性；完善基于压入方式识别硬度和弹性模量等参数的分析方法，以便形成可靠测试方法；选择若干典型材料，进行压入与超声和拉伸对比和校核的试验，以便确认压入所测定弹性参数的可靠性。.通过上述工作的开展，研制样机1台，指标和功能：载荷量程10N/分辨力0.15mN，位移量程1.5mm/分辨力0.16μm，达到国际标准ISO 14577对于压入仪器要求；能够测定弹性模量和硬度等参数。确认样机的测试可靠性：选择五种典型材料，分别使用样机和商业化压入仪MTS Nano Indenter® XP试验，样机与XP结果比较接近，但样机结果的准确性和分散性仍需提高。.建立有关评定技术，获得专利授权。发展有关测试方法，登记软件著作权。所研制的仪器，以理论可靠、技术可行、结果可信为目标，拥有自主知识产权，强化实用性和经济性，并以此形成有关技术方法和规范，便于仪器化压入技术的推广和应用。