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  本文關鍵詞：納米壓痕儀的校準及不確定度評定，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

《太原理工大學》 2015年

納米壓痕儀的校準及不確定度評定

黎正偉  

【摘要】：納米壓痕力學測量技術具有操作靈活簡單、測量分辨力高、對樣品無損或微損等優(yōu)點，廣泛用于金屬、微機電系統(tǒng)、復合材料、生物材料、薄膜涂層等材料力學性能的測試。商用的納米壓痕儀的位移和載荷傳感器都存在測量誤差，壓頭面積函數(shù)和理論模型也會有所偏差，這些誤差都會導致測量準確度的下降，因此需要對商用的納米壓痕儀進行校準。 本文在位移因子已經(jīng)完成校準的基礎上，對納米壓痕儀的壓頭面積函數(shù)和載荷因子進行了校準，并對納米壓痕力學測量系統(tǒng)的硬度和折合模量的測量不確定度進行了評定。主要研究工作及結果如下： 1.玻式壓頭面積函數(shù)的校準與溯源。針對玻式壓頭由于制造精度和磨損鈍化所導致幾何形狀的偏差對納米壓痕力學測量的影響，采用兩種方法對玻式壓頭面積函數(shù)進行校準：一種是通過熔融石英標準樣塊測量的間接校準法，在該方法中首先校準機架柔度，然后在熔融石英上進行一系列不同壓入深度的壓痕實驗，最后通過迭代方法得出壓頭面積函數(shù)。另一種方法是基于原子力顯微鏡的直接校準法，在該方法采用了0.2Hz、0.5Hz和1Hz三種不同的掃描頻率對玻式壓頭尖端進行了掃描，通過擬合壓頭截面積與高度的關系得出與針尖高度直接對應的壓頭面積函數(shù)。將兩種校準方法測得的壓頭面積函數(shù)依次應用到熔融石英和聚碳酸酯兩種標準樣塊的壓痕驗證測試。壓痕實驗結果表明，在較淺壓入深度，基于掃描頻率為0.5Hz的直接校準法所測得標準樣塊的硬度值和折合模量值比間接方法測得的結果準確，在較大壓入深度，兩種校準方法的測量結果相差不大。 2.載荷因子的校準與溯源。通過分析發(fā)現(xiàn)，，采用可溯源的標準砝碼校準納米壓痕儀的載荷因子時并沒有完全復現(xiàn)出壓頭與被測樣品的受力情況，為此采用FS-C130型微力值標準器對納米壓痕儀的載荷因子進行校準。通過校準實驗測得載荷因子的平均值為1.0131mV/mg，實驗標準偏差為0.0003mV/mg。將通過校準測得的壓頭面積函數(shù)和載荷因子同時應用到納米壓痕儀系統(tǒng)中，并在熔融石英標準樣塊上進行一系列不同深度的壓痕測試，最后與校準前的壓痕測試結果進行對比。壓痕測試結果表明，通過壓頭面積函數(shù)和載荷因子的校準后測得的結果比校準前測得的結果更接近熔融石英標準樣品的標稱值，驗證了校準后納米壓痕儀在測量準確度上有了明顯的提升。 3.納米壓痕儀不確定度的評定。通過分析得出納米壓痕儀產生不確定度的主要因素為載荷、位移、壓頭面積函數(shù)和接觸剛度。針對這些因素的分量不確定度分別進行計算（例如接觸零點、熱漂移、機架柔度、和噪音等不確定度）。最后對納米硬度和折合模量不確定度進行評定，得出納米硬度在95%的置信水平下的相對擴展不確定度為5.86%，折合模量在95%的置信水平下的相對擴展不確定度為2.94%。

【關鍵詞】：
【學位授予單位】：太原理工大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2015
【分類號】：TH823
【目錄】：

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本文編號：227544