与纳米压痕仪联用的非晶合金涂层拉伸装置及其使用方法制造方法及图纸

一种与纳米压痕仪联用的非晶合金涂层拉伸装置，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、弹性基片、电机、电机电源、齿轮，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，弹性基片被夹持于活动挡板与固定挡板间，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。该装置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，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。该装置特别适用于拉伸变形过程中，涂层材料在不同拉伸应变状态下微纳米力学行为的测试。

Amorphous alloy coating stretching device for use with nano indentation instrument and method of using the same

Stretching device for amorphous alloy coatings and nano indentation combination, which comprises a base, high precision, fine and coarse micro turbine separately fixed column, a movable baffle plate, a fixed baffle plate, elastic substrate, motor, gear motor, power supply, the high precision turbine separately in a fixed fine and coarse micro column between the end. And the movable baffle plate is connected, the fixed baffle plate at one end of the base and integrally connected with the base, the flexible substrate is clamped on the movable baffle plate and a fixed baffle, power motor, motor fixed on the base, a miniature motor shaft through a gear with high precision turbine differential head is connected with the coarse and fine adjustment. The device with the nano indentation hardness test and combined with micro nano viscoelasticity, anelastic rheological behavior test, can realize the amorphous alloy continuous tensile deformation, deformation and strain controlled and high precision. The device is particularly suitable for the tensile deformation process, coating materials under different tensile strain state micro nanomechanical behavior test.

【技术实现步骤摘要】

本专利技术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涂层拉伸装置及其使用方法。
技术介绍
非晶合金具有高弹、高强度等独特的力学性能，兼具软磁、耐腐蚀等功能性，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，在名义弹性区段内，非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质，在该区段内探索非晶合金结构和形变机理尤为重要。研究者们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，类液体区域表现出较低的原子堆积密度、较低硬度和模量、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，可以有效地提高和改进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对所施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段内的微观局域流动行为，同时缺乏相应的变形过程中结构细节随荷载和时间的演化信息，且由于使用夹具夹持样品，材料的初始的零应变状态很难精确控制，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率、极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细节。同时，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品制备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细节，而这些变形细节是材料微观结构的直观反映。但是，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。本专利技术一种与纳米压痕仪联用的非晶合金涂层拉伸装置可以满足上述要求。
技术实现思路
针对现有实验装置的不足，本专利技术的目的在于提供一种与纳米压痕仪联用的非晶合金涂层拉伸装置及其使用方法，该装置能够研究在不同温度下、不同成分的非晶合金涂层样品在拉伸过程中、不同恒定应变拉伸状态下的微纳米力学性质变化，进而反映材料在变形过程中的结构演化信息。根据本专利技术的第一个实施方案，提供一种与纳米压痕仪联用的非晶合金涂层拉伸装置。一种与纳米压痕仪联用的非晶合金涂层拉伸装置，该装置包括底座、高精度涡轮式粗微调微分头、固定立柱、活动挡板、固定挡板、弹性基片、电机、电机电源。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，并且由伸缩杆连接件与活动挡板连接。活动挡板位于固定挡板和固定立柱之间。弹性基片被夹持于活动挡板与固定挡板之间，且不与底座接触。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(或者实现电连接)。优选的是，该装置还包括控制系统。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。在本专利技术中，电机通过齿轮或皮带与高精度涡轮式粗微调微分头连接。在本专利技术中，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的伸缩杆连接件固定连接。微调钮与粗调钮均与伸缩杆连接并控制伸缩杆的伸长或缩短。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，该装置还包括限位螺母。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的伸缩杆连接件连接。在本专利技术中，该装置长为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。在本专利技术中，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。根据本专利技术的第二个实施方案，提供一种与纳米压痕仪联用的非晶合金涂层拉伸装置的使用方法。一种与纳米压痕仪联用的非晶合金涂层拉伸装置的使用方法，该方法包括以下步骤：1)预压：通过高精度涡轮式粗微调微分头的微调钮和粗调钮对弹性基片进行预压，旋紧粗微调切换钮；2)镀膜：在弹性基片上进行非晶合金镀膜，在弹性基片上形成厚度均匀的连续涂层样品；3)卸载：将镀有连续涂层样品的非晶合金涂层拉伸装置放入纳米压痕仪的工作室，对弹性基片进行卸载；4)微纳米力学行为测试：通过控制电机的转速而控制弹性基片的卸载速率，非晶合金涂层样品拉伸达到预设应变量后，电机停止转动，纳米压痕仪对非晶合金涂层样品进行微纳米力学行为测试；5)微纳米力学行为连续测定：重新启动微型电机，重复步骤4)，连续测定不同拉伸应变状态下涂层样品的的微纳米力学行为；6)定量测定：启动电机至预设的应力松弛初始应变值后，电机停止工作，开始记录时间，纳米压痕仪以一定的时本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种与纳米压痕仪联用的非晶合金涂层拉伸装置，该拉伸装置(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)、弹性基片(6)、电机(7)、电机电源(8)，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；弹性基片(6)被夹持于活动挡板(4)与固定挡板(5)之间，且不与底座(1)接触；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。

【技术特征摘要】
1.一种与纳米压痕仪联用的非晶合金涂层拉伸装置，该拉伸装置(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)、弹性基片(6)、电机(7)、电机电源(8)，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；弹性基片(6)被夹持于活动挡板(4)与固定挡板(5)之间，且不与底座(1)接触；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所述的非晶合金涂层拉伸装置，其特征在于：该装置(B)还包括控制系统(14)，控制系统(14)包括接收装置(9)和遥控装置(11)，控制系统(14)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所述的非晶合金涂层拉伸装置，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)的伸长或缩短；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)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。4.根据权利要求1-3中任一项所述的非晶合金涂层拉伸装置，其特征在于：该装置(B)还包括限位螺母(12)，其中高精度涡轮式粗微调微分头(2)通过限位螺母(12)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(12)与活动挡板(4)上的伸缩杆连接件(401)连接。5.根据权利要求1-4中任一项所述的非晶合金涂层拉伸装置，其特征在于：该装置(B)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)。6.根...

【专利技术属性】
技术研发人员：许福，李帅，江明军，戴孟祎，刘映良，张蓝，杨才千，龙志林，
申请(专利权)人：湘潭大学，
类型：发明
国别省市：湖南;43