球形压头测量形状记忆合金相变特性的方法技术

本发明专利技术公开了一种球形压头测量形状记忆合金（ＳＭＡｓ）相变特性的方法。它是利用球形压头压入形状记忆合金材料表面，使其发生应力诱发的相变，并通过传感器同时检测加卸载过程中的载荷和位移信号，得到载荷Ｆ－位移ｈ↓［ｔ］曲线，然后根据分析将试验获取的载荷－位移曲线转化为对应的名义应力σ↓［ｍ］－名义应变ε↓［ｍ］曲线，进而得到ＳＭＡｓ的相变应力和弹性模量等性能。该测试方法简单易行，可基本实现对材料的无损测量，不仅广泛适用于各种超弹和形状记忆ＳＭＡｓ相变特性的测量，而且特别适用于厚度低至数微米的ＳＭＡｓ薄膜或典型结构尺寸在微米量级的ＳＭＡｓ微器件相变特性的测试，测量值准确，精度高，能为ＳＭＡｓ在微机电系统的应用提供可靠的相变特性测试依据。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于形状记忆合金材料机械性能测试
技术背景形状记忆合金(Shape Memory Alloys,简写SMAs)在不同温度下可表现出独 特的形状记忆特性或者超弹特性。结合其高的功率密度(单位体积的输出功率)、 大的输出力和输出位移等突出优点，SMAs已成为研制微机电系统驱动器和传感 器的理想材料。在各种SMAs中，镍钬合金(NiTi)是实用化程度最高的形状记 忆合金，其功密度高达2.5xl07J/m3,比其它类型微驱动材料高两个数量级。高 功率密度材料研制出的驱动器，输出功率不变但结构尺寸更小，或者结构尺寸 不变但输出功率更大。对镍钬合金(NiTi)微驱动器的研究已有20余年历史，已研制出微阀、微 开关、微机器臂以及微泵等各种装置。由于上述NiTi微驱动器元件主要利用马 氏体相变来完成微驱动的位移或应力驱动功能，NiTi合金的弹性模量和相变应 力等特性就成为了决定微驱动器元件性能的主要参量。因此，在使用NiTi合金 作为微驱动器元件时，首先必须明确元件的弹性模量和相变应力等性能，从而 为NiTi合金微驱动器元件的设计和使用提供参考依据。然而，在这些微驱动器 中，镍钛合金元件多为厚度仅几个微米的纳米多晶薄膜或典型结构尺寸在微米 量级的微构件，无法用传统的拉伸试验方法来测试其弹性模量和相变应力等关 键的相变特性，因而亟需开发出一种可测试镍钛合金及其他各种SMAs薄膜和 SMAs微器件相变特性的测试方法。如附图1的形状记忆合金进行单向拉伸实验时的拉伸应力a-应变￡曲线示 意图所示不同于传统的材料，镍钛合金等形状记忆合金在单向拉伸或者压缩 过程中会先后经历马氏体相变和马氏体屈服两个变形的应力平台，分别对应马 氏体相变应力A和马氏体屈服应力n。因此，尽管基于Berkovich压头的纳米 压痕法已被广泛应用于测量弹性或弹塑性材料的硬度和弹性模量，然而，由于 SMAs变形过程中相变变形和塑性变形的耦合，无法用常^见的Berkovich压痕技术来测量SMAs的相变特性如图2所示，由于Berkovich压头的形状为尖端曲 率半径很小的三棱锥形，在很小的载荷条件下，压痕区中心区域就会诱发马氏 体屈服变形，并同时在边缘区域诱发马氏体相变变形。为此，所测得的硬度将是马氏体相变应力(Jt和马氏体屈服应力(7n的综合反映，由于无法确知接触区中马氏体屈服区域的大小，也就无法进一步分析得到SMAs的马氏体相变应力等相变特性。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种，该 种方法能对各种形状记忆合金的相变特性进行测量，尤其适合于形状记忆合金 薄膜和形状记忆合金^f敖器件相变特性的测试。本专利技术为解决其专利技术目的所采用的技术方案是 一种球形压头测量形状记 忆合金相变特性的方法，其步骤是a、 利用压痕设备，采用球形压头径向压入形状记忆合金材料表面，使其发 生应力i秀发的相变，并通过传感器同时4企测加载和卸载过程中的载荷F和位移 Zd言号，得到形状记忆合金的载荷F-位移/z,曲线；b、 采用不同的峰值载荷，重复a步的步骤，得到不同峰值载荷下形状记忆 合金的载荷F-位移/^曲线，这些载荷F-位移/^曲线的初始卸载斜率即为相应载 荷下接触副的接触刚度S,从而拟合出接触刚度S随载荷F变化的曲线；c、 在b步测量得到的形状记忆合金载荷位移/^曲线中，选定任意一条 加载段和卸载段不重叠的载荷F-位移； ,曲线，计算该选定曲线对应的加载和卸 载过程中压痕接触区内的平均压力和代表性应变，分别定义为名义应力 和名 义应变 ￡W , 其计算过程为先计算接触半径t , ^ = ^/2(/ , — 0.75尸/S)i -(化_0.75F/S)2 ;再计算名义应力 ，crm = F/加2和名义应变 sm， ^-0.75^/;rf ;公式中i 为球形压头的曲率半径，S为b步的拟合曲线中 对应载荷F的接触刚度；d、 根据c步计算得出的名义应力 和名义应变得到待测形状记忆合 金的名义应力 -名义应变^曲线；对于超弹状态的待测形状记忆合金，该名 义应力crw-名义应变^曲线加载l爻相变应力平台开始处的应力a/即对应待测形 状记忆合金的正向相变应力，卸载段的回复应力平台结束处的应力^即对应待 测形状记忆合金的反向相变应力；对于形状记忆状态的待测形状记忆合金，该名义应力 -名义应变^曲线加载段相变应力平台开始处的应力or/即对应待测 形状记忆合金的相变应力。与现有技术相比，本专利技术的有益效果是一、 常规的Berkovich尖推形压头由于尖端曲率半径小，在压入过程中无 法分离出相变变形和塑性变形的耦合，也即无法检测出仅有相变变形的相应载 荷F-位移/z,曲线，从而不能测试形状记忆合金的相变特性。不同于常规的 Berkovich尖推形压头，本专利技术的球形压头由于压头尖端曲率半径大，在能够施 加并能测量的较小载荷下，它能仅在接触区内诱发形状记忆合金的马氏体相变 变形，而在较大载荷下，才进一步诱发形状记忆合金的马氏体塑性变形。因此， 它通过传感器4全测到的加卸载过程中的载荷和位移数据中，有仅发生马氏体相 变变形过程的载荷和相应的位移，从而能根据分析将试验获取的载荷F-位移& 曲线转化为对应的名义力 -名义应变^曲线，进而得到形状记忆合金的相 变应力。因此，本专利技术的测量方法能广泛适用于各种形状记忆合金相变特性的 测量。特别是对于采用拉伸方法无法进行测试的形状记忆合金薄膜(厚度低至 数微米)或形状记忆合金微器件(典型结构尺寸在纟敖米量级)，尤其适合采用本 专利技术的方法，能达到现有测试方法所不能达到的测试效果和精度，数据的重现 性好，能为SMAs在微机电系统的应用提供可靠的试验依据。二、 操作简单、方便，可在多台压痕设备上实现。仅需在压痕设备安装球 形压头，对待测SMAs进行径向施压，同时检测加载及卸载过程中相应的载荷和 位移信号，然后对数据进行分析计算即可。三、 试验区域小，对待测材料的损害小。仅在待测实验区中形成曲率半径 大的球形凹陷，而较之拉伸实验对整个材料产生均匀变形、Berkovich压头产生 集中的尖推形凹陷，能够避免测试对材料造成的破坏，可基本实现对材料的无 损测量。上述的d步得出待测形状记忆合金的相变应力后，还可以进一步计算得出 形状记忆合金的弹性模量五w， 五,(》；公式中s为b步的拟合曲线中对应载荷F的接触刚度，v^为待测形状记忆合金的泊松比，v;.和《.为球形 压头的泊松比和弹性模量。这样，能为SMAs在微机电系统的应用提供更多的相 变特性性能试—验依据。下面结合附图和具体实施方式对本专利技术作进一步详细的描述。 附图说明图1是形状记忆合金进行单向拉伸实验时的拉伸应力ff -应变S曲线示意图。图2是Berkovich压头压入形状记忆合金时的^妻触区示意图。图3是本专利技术方法测试时，球形压头压入形状记忆合金材料的示意图。图4是用本专利技术方法对长宽均为10mm、厚度为0. 5mm的两个形状记忆镍钛 合金多晶薄片样品进行测试，其中一个样品处于超弹状态SE,另一个样品处于 形状记忆状态SME,从而分别得到同样形状的超弹状态的形状记忆合金样品SE 和形状记忆状态的形状记忆合金样品SME的载荷F-位移年曲线。图5是本专利技术方法是对图4的两个形状记忆合金样品，进行测试本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种球形压头测量形状记忆合金相变特性的方法，其步骤是：ａ、利用压痕设备，采用球形压头径向压入形状记忆合金材料表面，使其发生应力诱发的相变，并通过传感器同时检测加载和卸载过程中的载荷Ｆ和位移ｈ↓［ｔ］信号，得到形状记忆合金的载荷Ｆ－位 移ｈ↓［ｔ］曲线；ｂ、采用不同的峰值载荷，重复ａ步的步骤，得到不同峰值载荷下形状记忆合金的载荷Ｆ－位移ｈ↓［ｔ］曲线，这些载荷Ｆ－位移ｈ↓［ｔ］曲线的初始卸载斜率即为相应载荷下接触副的接触刚度Ｓ，从而拟合出接触刚度Ｓ随载荷Ｆ变化的曲 线；ｃ、在ｂ步测量得到的形状记忆合金载荷Ｆ－位移ｈ↓［ｔ］曲线中，选定任意一条加载段和卸载段不重叠的载荷Ｆ－位移ｈ↓［ｔ］曲线，计算该选定曲线对应的加载和卸载过程中压痕接触区内的平均压力和代表性应变，分别定义为名义应力σ↓［ｍ］和名 义应变ε↓［ｍ］，其计算过程为：先计算接触半径ａ↓［ｃ］，＊＊＊；再计算名义应力σ↓［ｍ］，σ↓［ｍ］＝Ｆ／πａ↑［２］和名义应变ε↓［ｍ］，ε↓［ｍ］＝０．７５ａ↓［ｃ］／πＲ；公式中：Ｒ为球形压头的曲率半径，Ｓ为ｂ步的拟合曲线中对应载荷Ｆ的接触刚度；ｄ、根据ｃ步计算得出的名义应力σ↓［ｍ］和名义应变ε↓［ｍ］，得到待测形状记忆合金的名义应力σ↓［ｍ］－名义应变ε↓［ｍ］曲线；对于超弹状态的待测形状记忆合金，该名义应力σ↓［ｍ］－名义应变ε↓［ｍ］曲线加载段相变应力 平台开始处的应力σ↓［ｆ］即对应待测形状记忆合金的正向相变应力，卸载段的回复应力平台结束处的应力σ↓［ｒ］即对应待测形状记忆合金的反向相变应力；对于形状记忆状态的待测形状记忆合金，该名义应力σ↓［ｍ］－名义应变ε↓［ｍ］曲线加载段相变应力平台开始处的应力σ↓［ｆ］即对应待测形状记忆合金的相变应力。...

【技术特征摘要】
1、一种球形压头测量形状记忆合金相变特性的方法，其步骤是a、利用压痕设备，采用球形压头径向压入形状记忆合金材料表面，使其发生应力诱发的相变，并通过传感器同时检测加载和卸载过程中的载荷F和位移ht信号，得到形状记忆合金的载荷F-位移ht曲线；b、采用不同的峰值载荷，重复a步的步骤，得到不同峰值载荷下形状记忆合金的载荷F-位移ht曲线，这些载荷F-位移ht曲线的初始卸载斜率即为相应载荷下接触副的接触刚度S，从而拟合出接触刚度S随载荷F变化的曲线；c、在b步测量得到的形状记忆合金载荷F-位移ht曲线中，选...

【专利技术属性】
技术研发人员：钱林茂，周仲荣，张爽，石心余，张静宜，
申请(专利权)人：西南交通大学，
类型：发明
国别省市：90[中国|成都]