本發(fā)明涉及用納米壓痕儀研究非晶合金材料結(jié)構(gòu)演化與相關(guān)力學(xué)行為的技術(shù)，具體涉及一種與納米壓痕儀聯(lián)用的非晶合金涂層拉伸裝置及其使用方法。

背景技術(shù)：

非晶合金具有高彈、高強(qiáng)度等獨(dú)特的力學(xué)性能，兼具軟磁、耐腐蝕等功能性，是一類(lèi)應(yīng)用前景廣闊的新材料。非晶合金同時(shí)是研究非晶態(tài)材料變形機(jī)理的一種理想的模型材料，因而非晶合金變形的材料結(jié)構(gòu)機(jī)制一直是人們的研究重點(diǎn)和熱點(diǎn)。非晶合金具有超過(guò)2％的名義彈性區(qū)段，研究表明，在名義彈性區(qū)段內(nèi)，非晶合金表現(xiàn)出黏彈性、滯彈性、彈性流變屈服等許多獨(dú)特的力學(xué)性質(zhì)，在該區(qū)段內(nèi)探索非晶合金結(jié)構(gòu)和形變機(jī)理尤為重要。研究者們基于實(shí)驗(yàn)和計(jì)算模擬，提出流變單元模型來(lái)理解和解釋非晶態(tài)物質(zhì)的物理和力學(xué)問(wèn)題。該模型認(rèn)為，在非晶合金中存在一些納米尺度的類(lèi)似于液體的區(qū)域。和周?chē)鷧^(qū)域相比，類(lèi)液體區(qū)域表現(xiàn)出較低的原子堆積密度、較低硬度和模量、較高的能態(tài)以及容易剪切變形和流動(dòng)等特性。非晶態(tài)材料中的流動(dòng)單元類(lèi)似晶態(tài)材料中的缺陷，其濃度、尺寸和能量的分布決定非晶合金的力學(xué)等性能，老化及其他特性，通過(guò)調(diào)控非晶合金中的流動(dòng)單元，可以有效地提高和改進(jìn)非晶合金的力學(xué)等性能。盡管基于流變的彈性單元模型和內(nèi)耗方法、應(yīng)力弛豫方法可以表征流變單元激活能和大小及分布，然而，這些模型還不能被直接的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。因?yàn)閱渭兊膫鹘y(tǒng)實(shí)驗(yàn)方法一般通過(guò)材料對(duì)所施加荷載的力學(xué)響應(yīng)來(lái)分析材料的形變機(jī)理，這類(lèi)方法很難探測(cè)到非晶合金變形過(guò)程中，特別是在名義彈性區(qū)段內(nèi)的微觀局域流動(dòng)行為，同時(shí)缺乏相應(yīng)的變形過(guò)程中結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)隨荷載和時(shí)間的演化信息，且由于使用夾具夾持樣品，材料的初始的零應(yīng)變狀態(tài)很難精確控制，從而難以精確獲取變形過(guò)程中材料的變形量和應(yīng)變值，而外力作用下變形過(guò)程中的材料結(jié)構(gòu)的演化信息是研究材料形變機(jī)理和微觀機(jī)制的關(guān)鍵。同時(shí)，由于受到儀器設(shè)備尺寸、樣品尺寸及樣品室空間尺寸的限制，傳統(tǒng)的力學(xué)實(shí)驗(yàn)設(shè)備很難與原位的結(jié)構(gòu)表征實(shí)驗(yàn)裝置聯(lián)用。計(jì)算模擬雖然提供了很多重要的原子或分子尺度的變形機(jī)理，但模擬通常是基于極高的變形速率、極低的溫度或極小尺度的樣品等目前無(wú)法達(dá)到的極端條件，因而模擬結(jié)果無(wú)法用實(shí)驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證。因此，理論模型的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證缺失限制了非晶合金變形機(jī)理進(jìn)一步的研究和科學(xué)理解。

另一方面，采用傳統(tǒng)的宏觀力學(xué)實(shí)驗(yàn)設(shè)備研究非晶合金這類(lèi)率相關(guān)行為表現(xiàn)不如某些聚合物材料顯著的材料的室溫黏彈性行為等微納米力學(xué)響應(yīng)時(shí)，設(shè)備精度、數(shù)據(jù)采集等方面的缺陷不利于捕捉材料流變力學(xué)行為的細(xì)節(jié)。同時(shí)，宏觀實(shí)驗(yàn)需要大量的實(shí)驗(yàn)樣品，這在一定程度上提高了對(duì)材料制備工藝的要求，因而，實(shí)驗(yàn)結(jié)果的離散性由于樣品制備的過(guò)程差異將很難避免。大量研究已經(jīng)證實(shí)，采用納米壓痕儀研究非晶合金的微納米力學(xué)行為是非常合適的。由于具備無(wú)損性、高精度等優(yōu)點(diǎn)，基于納米壓痕儀的力學(xué)行為表征特別適應(yīng)于尺寸受限、室溫脆性、率相關(guān)性不顯著的非晶合金等材料的流變力學(xué)行為研究。利用壓頭納米壓痕儀，人們可以捕捉到非晶合金的流變變形細(xì)節(jié)，而這些變形細(xì)節(jié)是材料微觀結(jié)構(gòu)的直觀反映。但是，由于納米壓痕儀樣品室的空間尺寸受限，且測(cè)試過(guò)程中，測(cè)試精度對(duì)樣品室溫度變化非常敏感，即輕微的溫度擾動(dòng)也會(huì)產(chǎn)生顯著的溫漂。因此，很難將傳統(tǒng)的大尺寸力學(xué)實(shí)驗(yàn)設(shè)備與納米壓痕儀進(jìn)行聯(lián)用以探測(cè)受力過(guò)程中的微納米力學(xué)行為演化。此外，采用納米壓痕儀進(jìn)行微納米力學(xué)行為測(cè)試，特別是低載模式下，壓入深度通常在納米級(jí)，因而對(duì)樣品表面的平整度要求非常高，一般的大尺寸樣品表面機(jī)械打磨等方法很難達(dá)到測(cè)試對(duì)樣品表面的要求。

如果能在材料變形過(guò)程中，或在恒定應(yīng)變狀態(tài)下(即應(yīng)力松弛過(guò)程中)，實(shí)時(shí)表征材料的微納米力學(xué)響應(yīng)，并基于相應(yīng)的力學(xué)響應(yīng)分析材料的結(jié)構(gòu)演化信息，將是研究對(duì)過(guò)程和速率敏感的非晶態(tài)材料變形機(jī)理的重要突破。所以理想中的適用于研究非晶合金在變形過(guò)程中結(jié)構(gòu)演化與相關(guān)力學(xué)行為的裝置需要能夠?qū)崿F(xiàn)非晶合金可控且精度高的變形，并且能夠與納米壓痕儀聯(lián)用，用以研究變形過(guò)程中或應(yīng)力松弛過(guò)程中非晶合金的微納米力學(xué)行為變化，探索非晶合金的微觀結(jié)構(gòu)及形變機(jī)理。本發(fā)明一種與納米壓痕儀聯(lián)用的非晶合金涂層拉伸裝置可以滿(mǎn)足上述要求。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

針對(duì)現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)裝置的不足，本發(fā)明的目的在于提供一種與納米壓痕儀聯(lián)用的非晶合金涂層拉伸裝置及其使用方法，該裝置能夠研究在不同溫度下、不同成分的非晶合金涂層樣品在拉伸過(guò)程中、不同恒定應(yīng)變拉伸狀態(tài)下的微納米力學(xué)性質(zhì)變化，進(jìn)而反映材料在變形過(guò)程中的結(jié)構(gòu)演化信息。

根據(jù)本發(fā)明的第一個(gè)實(shí)施方案，提供一種與納米壓痕儀聯(lián)用的非晶合金涂層拉伸裝置。

一種與納米壓痕儀聯(lián)用的非晶合金涂層拉伸裝置，該裝置包括底座、高精度渦輪式粗微調(diào)微分頭、固定立柱、活動(dòng)擋板、固定擋板、彈性基片、電機(jī)、電機(jī)電源。底座的一端設(shè)有固定擋板。底座的另一端設(shè)有固定立柱。高精度渦輪式粗微調(diào)微分頭設(shè)置在固定立柱上，并且由伸縮桿連接件與活動(dòng)擋板連接?；顒?dòng)擋板位于固定擋板和固定立柱之間。彈性基片被夾持于活動(dòng)擋板與固定擋板之間，且不與底座接觸。電機(jī)與高精度渦輪式粗微調(diào)微分頭連接并驅(qū)動(dòng)高精度渦輪式粗微調(diào)微分頭。電機(jī)電源與電機(jī)連接(或者實(shí)現(xiàn)電連接)。

優(yōu)選的是，該裝置還包括控制系統(tǒng)?？刂葡到y(tǒng)包括接收裝置和遙控裝置?？刂葡到y(tǒng)連接并控制電機(jī)電源和/或電機(jī)。

在本發(fā)明中，電機(jī)通過(guò)齒輪或皮帶與高精度渦輪式粗微調(diào)微分頭連接。

在本發(fā)明中，高精度渦輪式粗微調(diào)微分頭包括微調(diào)鈕、粗調(diào)鈕、粗微調(diào)切換鈕和伸縮桿。伸縮桿的一端與活動(dòng)擋板上的伸縮桿連接件固定連接。微調(diào)鈕與粗調(diào)鈕均與伸縮桿連接并控制伸縮桿的伸長(zhǎng)或縮短?；蛘?，微調(diào)鈕與粗調(diào)鈕控制伸縮桿的移動(dòng)。粗微調(diào)切換鈕控制電機(jī)與微調(diào)鈕或粗調(diào)鈕交替連接。

優(yōu)選的是，粗微調(diào)切換鈕位于高精度渦輪式粗微調(diào)微分頭背離活動(dòng)擋板一端的端部。

優(yōu)選的是，該裝置還包括限位螺母。其中高精度渦輪式粗微調(diào)微分頭通過(guò)限位螺母固定在固定立柱上，伸縮桿穿過(guò)固定立柱和限位螺母與活動(dòng)擋板上的伸縮桿連接件連接。

在本發(fā)明中，該裝置長(zhǎng)為50-150mm，優(yōu)選80-120mm，更優(yōu)選為90-110mm，例如106mm。寬為30-80mm，更優(yōu)選40-70mm，優(yōu)選為50-65mm，例如60mm。高為10-50mm，優(yōu)選15-40mm，更優(yōu)選為20-30mm，例如26mm。

在本發(fā)明中，高精度渦輪式粗微調(diào)微分頭的位移精度達(dá)到0.5μm，應(yīng)變精度達(dá)到2.5*10^-5。

根據(jù)本發(fā)明的第二個(gè)實(shí)施方案，提供一種與納米壓痕儀聯(lián)用的非晶合金涂層拉伸裝置的使用方法。

一種與納米壓痕儀聯(lián)用的非晶合金涂層拉伸裝置的使用方法，該方法包括以下步驟：

1)預(yù)壓：通過(guò)高精度渦輪式粗微調(diào)微分頭的微調(diào)鈕和粗調(diào)鈕對(duì)彈性基片進(jìn)行預(yù)壓，旋緊粗微調(diào)切換鈕；

2)鍍膜：在彈性基片上進(jìn)行非晶合金鍍膜，在彈性基片上形成厚度均勻的連續(xù)涂層樣品；

3)卸載：將鍍有連續(xù)涂層樣品的非晶合金涂層拉伸裝置放入納米壓痕儀的工作室，對(duì)彈性基片進(jìn)行卸載；

4)微納米力學(xué)行為測(cè)試：通過(guò)控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速而控制彈性基片的卸載速率，非晶合金涂層樣品拉伸達(dá)到預(yù)設(shè)應(yīng)變量后，電機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng)，納米壓痕儀對(duì)非晶合金涂層樣品進(jìn)行微納米力學(xué)行為測(cè)試；

5)微納米力學(xué)行為連續(xù)測(cè)定：重新啟動(dòng)微型電機(jī)，重復(fù)步驟4)，連續(xù)測(cè)定不同拉伸應(yīng)變狀態(tài)下涂層樣品的的微納米力學(xué)行為；

6)定量測(cè)定：?jiǎn)?dòng)電機(jī)至預(yù)設(shè)的應(yīng)力松弛初始應(yīng)變值后，電機(jī)停止工作，開(kāi)始記錄時(shí)間，納米壓痕儀以一定的時(shí)間間隔測(cè)定非晶合金的微納米力學(xué)行為，實(shí)現(xiàn)材料在應(yīng)力松弛過(guò)程中力學(xué)響應(yīng)變化的定量測(cè)定。

在本發(fā)明中，其中步驟1)所述的預(yù)壓是通過(guò)高精度渦輪式粗微調(diào)微分頭實(shí)現(xiàn)，高精度渦輪式粗微調(diào)微分頭的微調(diào)鈕和粗調(diào)鈕精確控制壓縮位移量至預(yù)設(shè)值，待預(yù)壓彈性基片至預(yù)定值后，由粗微調(diào)切換鈕固定粗調(diào)鈕。

優(yōu)選的是，所述的對(duì)彈性基片的預(yù)壓力由高精度渦輪式粗微調(diào)微分頭頂壓施加，微分頭頂壓力可達(dá)到39.2N。

在本發(fā)明中，其中步驟3)所述的對(duì)彈性基片進(jìn)行卸載的具體操作為：將非晶合金涂層拉伸裝置整體放入納米壓痕儀的工作室，待溫度場(chǎng)保持穩(wěn)定后，通過(guò)遙控裝置和接收裝置，開(kāi)啟電機(jī)，帶動(dòng)高精度渦輪式粗微調(diào)微分頭的微調(diào)鈕轉(zhuǎn)動(dòng)，對(duì)彈性基片進(jìn)行卸載。

在本發(fā)明中，其中非晶合金涂層拉伸的變形的控制由高精度渦輪式粗微調(diào)微分頭的微調(diào)鈕實(shí)現(xiàn)，位移精度達(dá)到0.5μm，應(yīng)變精度達(dá)到2.5*10^-5。

在本發(fā)明中，對(duì)于在彈性基片上選定的區(qū)域進(jìn)行非晶合金鍍膜沒(méi)有特殊要求，采用的是公知技術(shù)。彈性基片的材料可根據(jù)拉伸非晶合金的總應(yīng)變需求、鍍膜工藝的需要等綜合選取。

在本發(fā)明中，該裝置能夠?qū)崿F(xiàn)非晶合金從零應(yīng)變開(kāi)始的連續(xù)拉伸變形，精確控制應(yīng)變，非晶合金拉伸的變形的控制由粗微調(diào)測(cè)微頭的微調(diào)鈕實(shí)現(xiàn)。

在本發(fā)明中，上述方法通過(guò)遙控裝置和微型電機(jī)實(shí)現(xiàn)對(duì)非晶合金的拉伸變形，因而工作時(shí)能保持工作室溫度穩(wěn)定，樣品測(cè)試區(qū)的裝置高度和裝置整體外形尺寸均很小，滿(mǎn)足納米壓痕儀低載模式工作的空間要求，可以與納米壓痕儀聯(lián)用，測(cè)試非晶合金在不同的拉伸變形狀態(tài)、應(yīng)力松弛過(guò)程中的硬度、黏彈性響應(yīng)、滯彈性響應(yīng)、蠕變、應(yīng)力松弛等微納米力學(xué)行為的變化。除非晶合金外，本裝置和方法同樣適用于彈性基片上其他可通過(guò)鍍膜方法形成涂層的材料，如聚合物涂層。

在本發(fā)明中，固定擋板固定設(shè)置在底座的一端。固定立柱優(yōu)選為下端固定設(shè)置在底座上、上端分開(kāi)為兩根立柱的裝置，分開(kāi)的部分用于高精度渦輪式粗微調(diào)微分頭的伸縮桿穿過(guò)。

在本發(fā)明中，高精度渦輪式粗微調(diào)微分頭的伸縮桿一端與高精度渦輪式粗微調(diào)微分頭內(nèi)部的調(diào)節(jié)裝置連接，伸縮桿的另一端與活動(dòng)擋板上的伸縮桿連接件連接。伸縮桿可以是自由伸縮的裝置，也可以是固定長(zhǎng)度的裝置，粗微調(diào)切換鈕控制電機(jī)與微調(diào)鈕或粗調(diào)鈕連接。微調(diào)鈕和粗調(diào)鈕均與伸縮桿連接，微調(diào)鈕和粗調(diào)鈕控制伸縮桿的伸長(zhǎng)或縮短，或者微調(diào)鈕與粗調(diào)鈕控制伸縮桿的移動(dòng)，從而使得伸縮桿帶動(dòng)活動(dòng)擋板遠(yuǎn)離或靠近固定擋板，即實(shí)現(xiàn)調(diào)整活動(dòng)擋板和固定擋板間的距離，從而控制了彈性基片的壓縮或拉伸。

在本發(fā)明中，彈性基片被夾持于活動(dòng)擋板與固定擋板之間，彈性基片的一端與固定擋板固定連接，彈性基片的另一端與活動(dòng)擋板上的伸縮桿連接件固定連接。伸縮桿連接件為固定于活動(dòng)擋板上，與伸縮桿相連，用于增強(qiáng)伸縮桿與活動(dòng)擋板的連接。

在本發(fā)明中，電機(jī)的選擇沒(méi)有特殊要求，由于本發(fā)明的裝置較小，一般選用微型電機(jī)。

在本發(fā)明中，控制系統(tǒng)包括接收裝置和遙控裝置，接收裝置和遙控裝置通過(guò)信號(hào)連接，實(shí)現(xiàn)隔離控制本發(fā)明的裝置。

在本發(fā)明中，限位螺母的作用是將高精度渦輪式粗微調(diào)微分頭固定在固定立柱上。高精度渦輪式粗微調(diào)微分頭的伸縮桿可以自由移動(dòng)。

在本發(fā)明中，微分頭頂壓力指微分頭旋動(dòng)微分頭粗、微調(diào)鈕使伸縮桿行進(jìn)，在行進(jìn)過(guò)程中通過(guò)壓片對(duì)彈性基片產(chǎn)生的壓力。

在本發(fā)明中，涂層樣品的厚度一般為0.5μm～10μm，優(yōu)選為1μm～8μm，更優(yōu)選為1.5-5μm。

在本發(fā)明中，對(duì)彈性基片進(jìn)行卸載，即旋動(dòng)微分頭微調(diào)鈕使伸縮桿退回，在退回過(guò)程中卸除通過(guò)壓片對(duì)彈性基片施加的壓力)。一般地，卸載速率由遙控裝置控制電機(jī)電源和/或電機(jī)進(jìn)行控制，根據(jù)電機(jī)的轉(zhuǎn)速，卸載速率可在5μm/s～120μm/s間選擇。說(shuō)明：微分頭的微調(diào)鈕旋轉(zhuǎn)一圈對(duì)應(yīng)的伸縮桿行進(jìn)位移為5μm，實(shí)施例中電動(dòng)馬達(dá)的電機(jī)轉(zhuǎn)速為勻速可控，轉(zhuǎn)速在6轉(zhuǎn)/分鐘-60轉(zhuǎn)/分鐘(0.1轉(zhuǎn)/秒-1轉(zhuǎn)/秒)，故對(duì)應(yīng)的卸載速率可達(dá)到0.5μm/s～5μm/s，以彈性基片20mm為例，卸載的應(yīng)變速率可達(dá)2.5*10^-5s^-1～2.5*10^-4s^-1。

在本發(fā)明中，對(duì)非晶合金涂層樣品拉伸的預(yù)設(shè)應(yīng)變量一般可達(dá)到0～0.02。此處應(yīng)變0.02是指該裝置能實(shí)現(xiàn)的非晶合金涂層的最大拉伸應(yīng)變，實(shí)際上，如果涂層厚度很小，可以實(shí)現(xiàn)更大的拉伸應(yīng)變直至非晶合金斷裂，因?yàn)楸景l(fā)明的目的主要是考察非晶合金彈性段內(nèi)，材料變形過(guò)程中的微納結(jié)構(gòu)演化，所以，非彈性段的塑性或者破壞階段暫時(shí)沒(méi)有考慮。另0.02是大部分非晶合金彈性應(yīng)變上限，超過(guò)此應(yīng)變值一般會(huì)發(fā)生塑性變形或斷裂，0-0.02是根據(jù)需要設(shè)定，如需要知道應(yīng)變?yōu)?.01的拉伸狀態(tài)下非晶合金的微納米力學(xué)行為，則本裝置的預(yù)設(shè)應(yīng)變量即為0.01，這也是本裝置的一個(gè)很大的特點(diǎn)，當(dāng)在0-0.02之間選擇n個(gè)應(yīng)變值測(cè)定微納米力學(xué)行為后，以應(yīng)變值為橫坐標(biāo)，微納米力學(xué)行為的測(cè)定值為縱坐標(biāo)，即可得到非晶合金在拉伸變形過(guò)程中微納米力學(xué)行為的演化規(guī)律。

在本發(fā)明中，納米壓痕儀對(duì)非晶合金的微納米力學(xué)行為的時(shí)間間隔根據(jù)所需進(jìn)行的微納米力學(xué)實(shí)驗(yàn)可以不同，比如，做硬度、黏彈性、滯彈性實(shí)驗(yàn)時(shí)，時(shí)間間隔一般為卸載至涂層達(dá)到所需應(yīng)變。通過(guò)實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)，如0.002，0.006，0.01等。不同拉伸應(yīng)變狀態(tài)的時(shí)間根據(jù)電機(jī)轉(zhuǎn)速，以轉(zhuǎn)速為24轉(zhuǎn)/分鐘的電機(jī)為例[位移速率2μm/s，應(yīng)變速率1*10^-4s^-1]，則該時(shí)間間隔為20s，60s，100s。測(cè)試系統(tǒng)溫度穩(wěn)定后即可進(jìn)行；又比如，應(yīng)力松弛過(guò)程中的實(shí)驗(yàn)時(shí)，先將非晶合金卸載至所需應(yīng)變(通過(guò)實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)，可以為0～0.02的任一應(yīng)變值)，之后以一定的時(shí)間間隔測(cè)定非晶合金在恒定應(yīng)變時(shí)隨時(shí)間增加過(guò)程中，材料的微納力學(xué)行為變?yōu)?，如硬度、黏彈性、滯彈性等，?yīng)力松弛是指材料在恒定應(yīng)變時(shí)，應(yīng)力隨時(shí)間而降低的現(xiàn)象，本裝置可以定量測(cè)量松弛過(guò)程中材料微納力學(xué)行為隨時(shí)間的變化，進(jìn)而間接地反映出材料在此過(guò)程中的結(jié)構(gòu)演化。在松弛過(guò)程中，起始階段納米壓痕測(cè)試的時(shí)間間隔應(yīng)較小，根據(jù)納米壓痕儀的工作機(jī)制，松弛過(guò)程中每次納米壓痕工作的時(shí)間間隔可以為10s～180s。

在本發(fā)明中，壓縮位移量的預(yù)設(shè)值是指彈性基片壓縮預(yù)設(shè)值，根據(jù)微分頭能實(shí)現(xiàn)的最大壓力，以及彈性基片的材料及其彈性模量和截面尺寸，該值最大可達(dá)0.022。

在本發(fā)明中，納米壓痕儀的溫度根據(jù)涂層樣品而設(shè)定，納米壓痕儀的工作溫度范圍，此溫度范圍是根據(jù)彈性基片的軟化溫度或玻璃化轉(zhuǎn)變溫度而定，如實(shí)施例中選用了聚氨酯作為彈性基片，該材料的軟化溫度為一般為100℃，故本裝置推薦適用的實(shí)驗(yàn)溫度范圍在室溫～80℃之間。不同溫度下材料在拉伸變形過(guò)程中會(huì)表現(xiàn)出不同的特征，也可由本裝置結(jié)合納米壓痕儀的微納米力學(xué)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行表征。

在本發(fā)明中，高精度渦輪式粗微調(diào)微分頭的位移精度由微分頭生產(chǎn)廠家標(biāo)定，即通過(guò)微分頭的微調(diào)旋鈕可實(shí)現(xiàn)的位移控制精度。應(yīng)變精度根據(jù)位移精度、彈性基片縱向長(zhǎng)度確定，因微分頭的位移精度達(dá)到0.5μm，本裝置中彈性基片在實(shí)施例中的縱向長(zhǎng)度為20mm，故應(yīng)變精度達(dá)到0.5μm/20mm＝0.000025，即2.5*10^-5。

除與納米壓痕儀聯(lián)用外，本裝置還適用于與其他實(shí)驗(yàn)設(shè)備(能譜掃描儀等)聯(lián)用，以觀測(cè)或?qū)崪y(cè)涂層材料在拉伸過(guò)程中的其他物理量變化。

與現(xiàn)有的拉伸裝置相比，本發(fā)明所具有的有益效果為：

1、裝置外形尺寸小，安裝拆卸方便，能夠與納米壓痕儀聯(lián)用進(jìn)行硬度測(cè)試和黏彈性、滯彈性等微納米流變力學(xué)行為測(cè)試；

2、可以實(shí)現(xiàn)非晶合金連續(xù)拉伸變形，變形量和應(yīng)變可控且精度高；

3、可保持恒定應(yīng)變，實(shí)現(xiàn)非晶合金的應(yīng)力松弛過(guò)程；

4、適用于不同種類(lèi)的非晶合金材料，實(shí)驗(yàn)溫度可控且溫度場(chǎng)穩(wěn)定；

5、所測(cè)試的樣品表面平整，精度高，樣品初始的零應(yīng)變狀態(tài)控制準(zhǔn)確。

附圖說(shuō)明

圖1為本發(fā)明與納米壓痕儀聯(lián)用的非晶合金涂層拉伸裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為本發(fā)明與納米壓痕儀聯(lián)用的非晶合金涂層拉伸裝置的主視圖；

圖3為本發(fā)明與納米壓痕儀聯(lián)用的非晶合金涂層拉伸裝置的俯視圖；

圖4為本發(fā)明與納米壓痕儀聯(lián)用的非晶合金涂層拉伸裝置的左視圖；

圖5為本發(fā)明與納米壓痕儀聯(lián)用的非晶合金涂層拉伸裝置的E-E剖面視圖；

圖6為本發(fā)明與納米壓痕儀聯(lián)用的非晶合金涂層拉伸裝置實(shí)驗(yàn)狀態(tài)的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖7為本發(fā)明與納米壓痕儀聯(lián)用的非晶合金涂層拉伸裝置實(shí)驗(yàn)狀態(tài)的主視圖；

圖8為本發(fā)明與納米壓痕儀聯(lián)用的非晶合金涂層拉伸裝置實(shí)驗(yàn)狀態(tài)的俯視圖；

圖9為本發(fā)明與納米壓痕儀聯(lián)用的非晶合金涂層拉伸裝置實(shí)驗(yàn)狀態(tài)的左視圖；

圖10為本發(fā)明與納米壓痕儀聯(lián)用的非晶合金涂層拉伸裝置實(shí)驗(yàn)狀態(tài)的F-F剖面視圖；

圖11為本發(fā)明與納米壓痕儀聯(lián)用的非晶合金涂層拉伸裝置實(shí)驗(yàn)狀態(tài)M部位的局部放大圖。

附圖標(biāo)記：A：納米壓痕儀；B：非晶合金涂層拉伸裝置；1：底座；2：高精度渦輪式粗微調(diào)微分頭；201：微調(diào)鈕；202：粗調(diào)鈕；203：粗微調(diào)切換鈕；204：伸縮桿；3：固定立柱；4：活動(dòng)擋板；401：伸縮桿連接件；5：固定擋板；6：彈性基片；7：電機(jī)；8：電機(jī)電源；9：接收裝置；10：齒輪；11：遙控裝置；12：限位螺母；13：涂層樣品；14：控制系統(tǒng)。

具體實(shí)施方式

根據(jù)本發(fā)明的第一個(gè)實(shí)施方案，提供一種與納米壓痕儀聯(lián)用的非晶合金涂層拉伸裝置。

一種與納米壓痕儀A聯(lián)用的非晶合金涂層拉伸裝置B，該裝置B包括底座1、高精度渦輪式粗微調(diào)微分頭2、固定立柱3、活動(dòng)擋板4、固定擋板5、彈性基片6、電機(jī)7、電機(jī)電源8。底座1的一端設(shè)有固定擋板5。底座1的另一端設(shè)有固定立柱3。高精度渦輪式粗微調(diào)微分頭2設(shè)置在固定立柱3上，并且與活動(dòng)擋板4上的伸縮桿連接件401連接?；顒?dòng)擋板4位于固定擋板5和固定立柱3之間。彈性基片6被夾持于活動(dòng)擋板4與固定擋板5之間，且不與底座1接觸。電機(jī)7與高精度渦輪式粗微調(diào)微分頭2連接并驅(qū)動(dòng)高精度渦輪式粗微調(diào)微分頭2。電機(jī)電源8與電機(jī)7實(shí)現(xiàn)電連接。

優(yōu)選的是，該裝置B還包括控制系統(tǒng)14?？刂葡到y(tǒng)14包括接收裝置9和遙控裝置11?？刂葡到y(tǒng)14連接并控制電機(jī)電源8和/或電機(jī)7。

在本發(fā)明中，電機(jī)7通過(guò)齒輪10或皮帶與高精度渦輪式粗微調(diào)微分頭2連接。

在本發(fā)明中，高精度渦輪式粗微調(diào)微分頭2包括微調(diào)鈕201、粗調(diào)鈕202、粗微調(diào)切換鈕203和伸縮桿204。伸縮桿204的一端與活動(dòng)擋板4上的伸縮桿連接件401固定連接。微調(diào)鈕201與粗調(diào)鈕202均與伸縮桿204連接并控制伸縮桿204的伸長(zhǎng)或縮短。或者，微調(diào)鈕201與粗調(diào)鈕202控制伸縮桿204的移動(dòng)。粗微調(diào)切換鈕(203)控制電機(jī)7與微調(diào)鈕201或粗調(diào)鈕202交替連接。

優(yōu)選的是，粗微調(diào)切換鈕203位于高精度渦輪式粗微調(diào)微分頭2背離活動(dòng)擋板4一端的端部。

優(yōu)選的是，該裝置B還包括限位螺母12。其中高精度渦輪式粗微調(diào)微分頭2通過(guò)限位螺母12固定在固定立柱3上，伸縮桿204穿過(guò)固定立柱3和限位螺母12與活動(dòng)擋板4上的伸縮桿連接件401連接。

在本發(fā)明中，該裝置B長(zhǎng)為50-150mm，優(yōu)選80-120mm，更優(yōu)選為90-110mm，例如106mm。寬為30-80mm，更優(yōu)選40-70mm，優(yōu)選為50-65mm，例如60mm。高為10-50mm，優(yōu)選15-40mm，更優(yōu)選為20-30mm，例如26mm。

在本發(fā)明中，高精度渦輪式粗微調(diào)微分頭2的位移精度達(dá)到0.5μm，應(yīng)變精度達(dá)到2.5*10^-5。

根據(jù)本發(fā)明的第二個(gè)實(shí)施方案，提供一種與納米壓痕儀聯(lián)用的非晶合金涂層拉伸裝置的使用方法。

一種與納米壓痕儀A聯(lián)用的非晶合金涂層拉伸裝置B的使用方法，該方法包括以下步驟：

1)預(yù)壓：通過(guò)高精度渦輪式粗微調(diào)微分頭2的微調(diào)鈕201和粗調(diào)鈕202對(duì)彈性基片6進(jìn)行預(yù)壓；

2)鍍膜：在彈性基片6上進(jìn)行非晶合金鍍膜，在彈性基片6上形成厚度均勻的連續(xù)涂層樣品13；

3)卸載：將鍍有連續(xù)涂層樣品13的非晶合金涂層拉伸裝置B放入納米壓痕儀A的工作室，對(duì)彈性基片6進(jìn)行卸載；

4)微納米力學(xué)行為測(cè)試：通過(guò)控制電機(jī)7的轉(zhuǎn)速而控制彈性基片6的卸載速率，非晶合金涂層樣品13拉伸達(dá)到預(yù)設(shè)應(yīng)變量后，電機(jī)7停止轉(zhuǎn)動(dòng)，納米壓痕儀A對(duì)非晶合金涂層樣品13進(jìn)行微納米力學(xué)行為測(cè)試；

5)微納米力學(xué)行為連續(xù)測(cè)定：重新啟動(dòng)微型電機(jī)7，重復(fù)步驟4)，連續(xù)測(cè)定不同拉伸應(yīng)變狀態(tài)下涂層樣品13的的微納米力學(xué)行為；

6)定量測(cè)定：?jiǎn)?dòng)電機(jī)7至預(yù)設(shè)的應(yīng)力松弛初始應(yīng)變值后，電機(jī)7停止工作，開(kāi)始記錄時(shí)間，納米壓痕儀A以一定的時(shí)間間隔測(cè)定非晶合金的微納米力學(xué)行為，實(shí)現(xiàn)材料在應(yīng)力松弛過(guò)程中力學(xué)響應(yīng)變化的定量測(cè)定。

在本發(fā)明中，其中步驟1)所述的預(yù)壓是通過(guò)高精度渦輪式粗微調(diào)微分頭2實(shí)現(xiàn)，高精度渦輪式粗微調(diào)微分頭2的微調(diào)鈕201和粗調(diào)鈕202精確控制壓縮位移量至預(yù)設(shè)值，待預(yù)壓彈性基片6至預(yù)定值后，由粗微調(diào)切換鈕203固定粗調(diào)鈕202。

優(yōu)選的是，所述的對(duì)彈性基片6的預(yù)壓力由高精度渦輪式粗微調(diào)微分頭2頂壓施加，微分頭頂壓力可達(dá)到39.2N。。

在本發(fā)明中，其中步驟3)所述的對(duì)彈性基片6進(jìn)行卸載的具體操作為：將非晶合金涂層拉伸裝置B整體放入納米壓痕儀A的工作室，待溫度場(chǎng)保持穩(wěn)定后，通過(guò)遙控裝置11和接收裝置9，開(kāi)啟電機(jī)7，帶動(dòng)高精度渦輪式粗微調(diào)微分頭2的微調(diào)鈕201轉(zhuǎn)動(dòng)，對(duì)彈性基片6進(jìn)行卸載。

在本發(fā)明中，其中非晶合金涂層拉伸的變形的控制由高精度渦輪式粗微調(diào)微分頭2的微調(diào)鈕201實(shí)現(xiàn)，位移精度達(dá)到0.5μm，應(yīng)變精度達(dá)到2.5*10^-5。

實(shí)施例1

如圖1，一種與納米壓痕儀A聯(lián)用的非晶合金涂層拉伸裝置B，該裝置B包括底座1、高精度渦輪式粗微調(diào)微分頭2、固定立柱3、活動(dòng)擋板4、固定擋板5、彈性基片6、電機(jī)7、電機(jī)電源8。底座1的一端設(shè)有固定擋板5。底座1的另一端設(shè)有固定立柱3。高精度渦輪式粗微調(diào)微分頭2設(shè)置在固定立柱3上，并且與活動(dòng)擋板4上的伸縮桿連接件401連接。活動(dòng)擋板4位于固定擋板5和固定立柱3之間。彈性基片6被夾持于活動(dòng)擋板4與固定擋板5之間，且不與底座1接觸。電機(jī)7通過(guò)齒輪10與高精度渦輪式粗微調(diào)微分頭2連接并驅(qū)動(dòng)高精度渦輪式粗微調(diào)微分頭2。電機(jī)電源8與電機(jī)7實(shí)現(xiàn)電連接。

高精度渦輪式粗微調(diào)微分頭2包括微調(diào)鈕201、粗調(diào)鈕202、粗微調(diào)切換鈕203和伸縮桿204。伸縮桿204的一端與活動(dòng)擋板4上的伸縮桿連接件401固定連接。微調(diào)鈕201與粗調(diào)鈕202均與伸縮桿204連接并控制伸縮桿204的伸長(zhǎng)或縮短。粗微調(diào)切換鈕202控制電機(jī)7與微調(diào)鈕201或粗調(diào)鈕202交替連接。粗微調(diào)切換鈕203位于高精度渦輪式粗微調(diào)微分頭2背離活動(dòng)擋板4一端的端部。該裝置B還包括限位螺母12。其中高精度渦輪式粗微調(diào)微分頭2通過(guò)限位螺母12固定在固定立柱3上，伸縮桿204穿過(guò)固定立柱3和限位螺母12與活動(dòng)擋板4上的伸縮桿連接件401連接。該裝置長(zhǎng)寬高為106mm*60mm*26mm。

實(shí)施例2

重復(fù)實(shí)施1，只是該裝置B還包括控制系統(tǒng)14?？刂葡到y(tǒng)14包括接收裝置9和遙控裝置11?？刂葡到y(tǒng)14連接并控制電機(jī)電源8和電機(jī)7。

實(shí)施例3

重復(fù)實(shí)施2，只是電機(jī)7通過(guò)齒輪與高精度渦輪式粗微調(diào)微分頭2連接。

實(shí)施例4

重復(fù)實(shí)施2，只是微調(diào)鈕201與粗調(diào)鈕202控制伸縮桿204的移動(dòng)。

實(shí)施例5

重復(fù)實(shí)施2，底座1、固定立柱3、活動(dòng)擋板4及固定擋板5為中碳鋼。高精度渦輪式粗微調(diào)微分頭2為日本西格瑪光機(jī)公司生產(chǎn)的WGP-13，行程0-13mm，額定靜載荷39.2N，粗調(diào)最小讀數(shù)5μm，微調(diào)最小讀數(shù)0.5μm。納米壓痕儀A為美國(guó)Hysitron公司的TriboIndenter微納米綜合力學(xué)測(cè)試系統(tǒng)低載模式納米壓痕模塊。彈性基片6為聚氨酯，經(jīng)測(cè)試2.5％應(yīng)變范圍內(nèi)的室溫彈性模量為17MPa，彈性基片6外形尺寸為長(zhǎng)*寬*高＝20mm*8mm*20mm，截面內(nèi)開(kāi)孔尺寸為寬*高＝4mm*14mm。經(jīng)計(jì)算，在高精度渦輪式粗微調(diào)微分頭2的額定靜荷載作用下可實(shí)現(xiàn)的預(yù)壓應(yīng)變范圍為0-2.2％。

實(shí)施例6

一種與納米壓痕儀A聯(lián)用的非晶合金涂層拉伸裝置的使用方法，使用實(shí)施例5中的裝置，通過(guò)旋動(dòng)高精度渦輪式粗微調(diào)微分頭2對(duì)彈性基片6進(jìn)行預(yù)壓，高精度渦輪式粗微調(diào)微分頭2的微調(diào)鈕201和粗調(diào)鈕202精確控制壓縮位移量至預(yù)設(shè)值0.4mm后，由粗微調(diào)切換鈕203固定粗調(diào)部。在彈性基片6上選定的區(qū)域利用射頻磁控濺射進(jìn)行非晶合金鍍膜，在彈性基片6上形成約2μm左右厚度均勻的連續(xù)涂層樣品13。將裝置整體放入納米壓痕儀A的工作室，待溫度場(chǎng)保持穩(wěn)定后，通過(guò)遙控裝置11和接收裝置9，開(kāi)啟微型電機(jī)7，帶動(dòng)高精度渦輪式粗微調(diào)微分頭2的微調(diào)鈕201轉(zhuǎn)動(dòng)，對(duì)彈性基片6進(jìn)行卸載。通過(guò)精確控制微型電機(jī)7的轉(zhuǎn)速而控制彈性基片6的卸載速率，非晶合金涂層拉伸達(dá)到預(yù)設(shè)應(yīng)變量后，微型電機(jī)7停止轉(zhuǎn)動(dòng)，納米壓痕儀A進(jìn)行微納米力學(xué)行為測(cè)試。重新啟動(dòng)微型電機(jī)7，重復(fù)上一步操作，連續(xù)測(cè)定不定拉伸應(yīng)變狀態(tài)下非晶合金的微納米力學(xué)行為。啟動(dòng)微型電機(jī)7至預(yù)設(shè)的應(yīng)力松弛初始應(yīng)變值后，微型電機(jī)7停止工作，開(kāi)始記錄時(shí)間，納米壓痕儀A以一定的時(shí)間間隔測(cè)定非晶合金的微納米力學(xué)行為，實(shí)現(xiàn)材料在應(yīng)力松弛過(guò)程中力學(xué)響應(yīng)變化的定量測(cè)定。