JP7402455B2 - 高歪率ナノ圧痕試験装置及び方法 - Google Patents
高歪率ナノ圧痕試験装置及び方法 Download PDFInfo
- Publication number
- JP7402455B2 JP7402455B2 JP2022146795A JP2022146795A JP7402455B2 JP 7402455 B2 JP7402455 B2 JP 7402455B2 JP 2022146795 A JP2022146795 A JP 2022146795A JP 2022146795 A JP2022146795 A JP 2022146795A JP 7402455 B2 JP7402455 B2 JP 7402455B2
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- guide rod
- indentation
- indenter
- high strain
- laser
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Active
Links
- 238000012360 testing method Methods 0.000 title claims description 59
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims description 16
- 239000000463 material Substances 0.000 claims description 59
- 238000007373 indentation Methods 0.000 claims description 45
- 238000006073 displacement reaction Methods 0.000 claims description 24
- 239000002360 explosive Substances 0.000 claims description 22
- 230000007246 mechanism Effects 0.000 claims description 20
- 230000001133 acceleration Effects 0.000 claims description 13
- 238000001514 detection method Methods 0.000 claims description 7
- 230000035939 shock Effects 0.000 claims description 7
- 230000000881 depressing effect Effects 0.000 claims description 3
- 238000005259 measurement Methods 0.000 description 11
- 230000008569 process Effects 0.000 description 10
- 238000004880 explosion Methods 0.000 description 5
- 230000004044 response Effects 0.000 description 5
- 238000002679 ablation Methods 0.000 description 3
- 230000009471 action Effects 0.000 description 3
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 3
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 3
- 238000002474 experimental method Methods 0.000 description 3
- 239000000314 lubricant Substances 0.000 description 3
- 230000005855 radiation Effects 0.000 description 3
- 229910000831 Steel Inorganic materials 0.000 description 2
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 2
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 2
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 2
- 230000003068 static effect Effects 0.000 description 2
- 239000010959 steel Substances 0.000 description 2
- 238000004154 testing of material Methods 0.000 description 2
- 229910000677 High-carbon steel Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000009286 beneficial effect Effects 0.000 description 1
- 239000003575 carbonaceous material Substances 0.000 description 1
- 239000003795 chemical substances by application Substances 0.000 description 1
- 238000005314 correlation function Methods 0.000 description 1
- 238000007542 hardness measurement Methods 0.000 description 1
- 230000006872 improvement Effects 0.000 description 1
- 238000005461 lubrication Methods 0.000 description 1
- 230000002093 peripheral effect Effects 0.000 description 1
- 238000012545 processing Methods 0.000 description 1
- 238000009864 tensile test Methods 0.000 description 1
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N3/00—Investigating strength properties of solid materials by application of mechanical stress
- G01N3/30—Investigating strength properties of solid materials by application of mechanical stress by applying a single impulsive force, e.g. by falling weight
- G01N3/313—Investigating strength properties of solid materials by application of mechanical stress by applying a single impulsive force, e.g. by falling weight generated by explosives
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N3/00—Investigating strength properties of solid materials by application of mechanical stress
- G01N3/40—Investigating hardness or rebound hardness
- G01N3/48—Investigating hardness or rebound hardness by performing impressions under impulsive load by indentors, e.g. falling ball
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N2203/00—Investigating strength properties of solid materials by application of mechanical stress
- G01N2203/0014—Type of force applied
- G01N2203/0016—Tensile or compressive
- G01N2203/0019—Compressive
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N2203/00—Investigating strength properties of solid materials by application of mechanical stress
- G01N2203/0058—Kind of property studied
- G01N2203/006—Crack, flaws, fracture or rupture
- G01N2203/0067—Fracture or rupture
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N2203/00—Investigating strength properties of solid materials by application of mechanical stress
- G01N2203/0058—Kind of property studied
- G01N2203/0069—Fatigue, creep, strain-stress relations or elastic constants
- G01N2203/0071—Creep
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N2203/00—Investigating strength properties of solid materials by application of mechanical stress
- G01N2203/0058—Kind of property studied
- G01N2203/0069—Fatigue, creep, strain-stress relations or elastic constants
- G01N2203/0075—Strain-stress relations or elastic constants
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N2203/00—Investigating strength properties of solid materials by application of mechanical stress
- G01N2203/0058—Kind of property studied
- G01N2203/0076—Hardness, compressibility or resistance to crushing
- G01N2203/0078—Hardness, compressibility or resistance to crushing using indentation
- G01N2203/0082—Indentation characteristics measured during load
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N2203/00—Investigating strength properties of solid materials by application of mechanical stress
- G01N2203/02—Details not specific for a particular testing method
- G01N2203/06—Indicating or recording means; Sensing means
- G01N2203/067—Parameter measured for estimating the property
- G01N2203/0676—Force, weight, load, energy, speed or acceleration
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N2203/00—Investigating strength properties of solid materials by application of mechanical stress
- G01N2203/02—Details not specific for a particular testing method
- G01N2203/06—Indicating or recording means; Sensing means
- G01N2203/067—Parameter measured for estimating the property
- G01N2203/0682—Spatial dimension, e.g. length, area, angle
Landscapes
- Physics & Mathematics (AREA)
- Health & Medical Sciences (AREA)
- Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Analytical Chemistry (AREA)
- Biochemistry (AREA)
- General Health & Medical Sciences (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Immunology (AREA)
- Pathology (AREA)
- Investigating Strength Of Materials By Application Of Mechanical Stress (AREA)
Description
本発明は、材料力学の技術分野に関し、具体的に、高歪率ナノ圧痕試験装置及び方法に関する。
この部分の記述は、本発明に関連する背景情報を提供するだけであり、必ずしも先行技術を構成するものではない。
ナノ圧痕技術は、圧子に作用する荷重と試料表面への圧痕の深さを測定することにより材料の荷重－変位（Ｐ－ｈ）曲線を取得し、圧痕形状と組み合わせて、次に、相関関数を使用して材料の微小硬度、弾性率、破壊靭性、クリープ特性等のパラメータを取得するマイクロスケール材料向けの圧入測定技術である。
ナノ圧痕測定時に、圧子のローディングプロセスは準静的プロセスと見なされることができ、静的または低速ローティング時に材料の力学的性質を測定するために使用できるが、高速ローディング、つまり高歪率での動的特性を測定することは困難であり、これによって爆発、高速衝突、動的破壊などの高歪率下での材料の動的応答を研究する場合に、正確な性能パラメータを使用することは困難であり、さらに材料の動的力学的性質を分析することも困難になる。
上記の背景技術に存在する技術的問題を解決するために、本発明は、レーザー誘起爆発性プラズマ衝撃波圧力を圧入荷重として使用し、ガイドロッドを介して圧子を高速で被験材料に圧入し、圧子の作用下で被験材料の高歪率塑性変形により、高歪率下での材料の硬度、弾性率、硬化指数、降伏強度等の力学的性質を測定し、高い測定効率と測定精度を有する高歪率ナノ圧痕試験装置及び方法を提供する。
上記の目的を達成するために、本発明は以下の技術的解決手段を採用する。
本発明の第１の態様は、
圧痕機構に向かって、短パルスレーザービームを圧痕機構の上端に発し、爆発性プラズマを引き起こすために使用されるレーザーフォーカサーと、
ハウジング内に位置し、垂直軸線に沿って移動するガイドロッドを含み、ガイドロッドのヘッドエンドが圧子に接続され、ガイドロッドのテールエンドがレーザーフォーカサーに向かって、発生した爆発性プラズマがガイドロッドと圧子を押し、圧子が試料載台上に載置される被験材料を押し付ける圧痕機構と、
圧子の下のスペースに位置し、被験材料を載置するために使用され、被験材料が、圧子の圧力を受けて圧痕を生じる試料載台と、を含む高歪率ナノ圧痕試験装置を提供する。
圧痕機構に向かって、短パルスレーザービームを圧痕機構の上端に発し、爆発性プラズマを引き起こすために使用されるレーザーフォーカサーと、
ハウジング内に位置し、垂直軸線に沿って移動するガイドロッドを含み、ガイドロッドのヘッドエンドが圧子に接続され、ガイドロッドのテールエンドがレーザーフォーカサーに向かって、発生した爆発性プラズマがガイドロッドと圧子を押し、圧子が試料載台上に載置される被験材料を押し付ける圧痕機構と、
圧子の下のスペースに位置し、被験材料を載置するために使用され、被験材料が、圧子の圧力を受けて圧痕を生じる試料載台と、を含む高歪率ナノ圧痕試験装置を提供する。
試料載台、圧痕機構、レーザーフォーカサーはすべてフレームに接続される。
試料載台は締め付け装置に接続され、締め付け装置により被験材料を試料載台の上面に固定する。
レーザーフォーカサーは導光機構を介してパルスレーザー機器に接続され、パルスレーザー機器は制御モジュールに接続される。
パルスレーザー機器は短パルスＹＡＧレーザー機器または横方向励起強力ＴＥＡ－ＣＯ２レーザー機器である。
制御モジュールは、信号検出ユニットに接続され、変位および荷重信号を検出して収集するために使用され、信号検出ユニットは、ガイドロッドの下端に接続された変位センサおよび加速度センサを含み、変位センサおよび加速度センサは、信号コレクタを介して制御モジュールに接続される。
ハウジングの内側には隙間が設けられ、隙間の上端は給気口に接続され、給気口にガスが充填されてガスキャビティが形成され、ガイドロッドの外側はガイドスリーブに同軸に接続され、ガイドスリーブはハウジングの内側に同軸に接続され、ガスキャビティが位置する領域をカバーする。
ガイドスリーブとガイドロッドの断面はいずれも非円形を呈する。
ハウジングの下端にはリセットポートが設けられ、リセットポートはハウジング内側の予約済スペースと連通し、空気を導入することでガイドロッドをリセットする。
本発明の第２の態様は、
被験材料を試料載台に固定し、給気口からガスを導入し、ガスがガスキャビティに入り、ガイドスリーブとガイドロッドとの間にエアクッションを形成するステップと、
パルスレーザー機器がパルスレーザーを発射し、レーザーが導光機構とレーザーフォーカサーを介してガイドロッドのテールエンドに作用し、爆発性プラズマを生成し、爆発性プラズマが衝撃波圧力を発生させ、ガイドロッドを介して運動エネルギーを圧子に伝達し、圧子を押し下げて被験材料の表面に圧痕を生成するステップと、
信号コレクタが、検出された加速度と変位の出力信号を同期的に調整して収集し、それを制御モジュールに送信して荷重－変位曲線を取得するステップと、
リセットポートにガスを導入してガイドロッドをリセットするステップと、
圧痕の幾何学的パラメータを取得し、荷重－変位曲線を組み合わせて、高歪率下での材料の動的力学的性質パラメータを取得するステップと、を含む上記装置による圧痕試験を実現する方法を提供する。
被験材料を試料載台に固定し、給気口からガスを導入し、ガスがガスキャビティに入り、ガイドスリーブとガイドロッドとの間にエアクッションを形成するステップと、
パルスレーザー機器がパルスレーザーを発射し、レーザーが導光機構とレーザーフォーカサーを介してガイドロッドのテールエンドに作用し、爆発性プラズマを生成し、爆発性プラズマが衝撃波圧力を発生させ、ガイドロッドを介して運動エネルギーを圧子に伝達し、圧子を押し下げて被験材料の表面に圧痕を生成するステップと、
信号コレクタが、検出された加速度と変位の出力信号を同期的に調整して収集し、それを制御モジュールに送信して荷重－変位曲線を取得するステップと、
リセットポートにガスを導入してガイドロッドをリセットするステップと、
圧痕の幾何学的パラメータを取得し、荷重－変位曲線を組み合わせて、高歪率下での材料の動的力学的性質パラメータを取得するステップと、を含む上記装置による圧痕試験を実現する方法を提供する。
従来技術と比較して、上記の１つまたは複数の技術的解決手段には、次の有益な効果がある。
１、爆発性プラズマによりガイドロッドと圧子が被験材料へ押し付けるように駆動するプロセスは、爆発、高速衝突、動的破壊などの高速ローディングの影響下での材料の動的応答プロセスをシミュレートすることができ、それにより材料への高速ローディング、つまり高歪率での動的性能試験を実現する。
２、ガスキャビティとガイドスリーブによってガイドロッド側面に形成されたエアクッションをガス潤滑剤とすること、及びガイドスリーブとガイドロッドとの協働により、ガイドロッドと圧子の直線運動を保証するだけでなく、摩擦による運動エネルギーの損失を最小限に抑えることができ、且つ、圧子が被験材料に接触するときに、圧子が側面荷重の影響を受けないようにして、測定精度を確保することもできる。
３、ガイドロッドのテールエンドは、ほとんどすべてのレーザー放射を吸収し、すぐにプラズマを生成でき、複雑な前処理層及びアブレーション層の必要がなくなり、ガイドロッドを押す運動エネルギーを非常に短時間で発生させることができ、測定速度が速く、ハイスループット実験の要件を満たすことができる。
１、爆発性プラズマによりガイドロッドと圧子が被験材料へ押し付けるように駆動するプロセスは、爆発、高速衝突、動的破壊などの高速ローディングの影響下での材料の動的応答プロセスをシミュレートすることができ、それにより材料への高速ローディング、つまり高歪率での動的性能試験を実現する。
２、ガスキャビティとガイドスリーブによってガイドロッド側面に形成されたエアクッションをガス潤滑剤とすること、及びガイドスリーブとガイドロッドとの協働により、ガイドロッドと圧子の直線運動を保証するだけでなく、摩擦による運動エネルギーの損失を最小限に抑えることができ、且つ、圧子が被験材料に接触するときに、圧子が側面荷重の影響を受けないようにして、測定精度を確保することもできる。
３、ガイドロッドのテールエンドは、ほとんどすべてのレーザー放射を吸収し、すぐにプラズマを生成でき、複雑な前処理層及びアブレーション層の必要がなくなり、ガイドロッドを押す運動エネルギーを非常に短時間で発生させることができ、測定速度が速く、ハイスループット実験の要件を満たすことができる。
本発明の一部を構成する明細書の図面は、本発明のさらなる理解を提供するために使用され、本発明の例示的な実施例およびそれらの説明は、本発明を説明するために使用され、本発明に対する不適切な限定を構成するものではない。
以下に図面及び実施例を参照しながら本発明をさらに説明する。
指摘されるべきこととして、以下の詳細な説明はすべて例示的なものであり、本発明のさらなる説明を提供することを意図する。特に明記しない限り、本明細書で使用されるすべての技術用語および科学用語は、当業者によって一般に理解されるものと同じ意味を有する。
注意すべきこととして、本明細書で使用される用語は、具体的な実施形態を説明することのみを目的とし、本発明による例示的な実施形態を限定することを意図しない。本明細書で使用されるように、文脈上、別に明示しない限り、単数形は複数形を含むことも意図され、また、理解されるべきこととして、「含む」及び／又は「含み」という用語が本明細書で使用される場合に、それは、特徴、ステップ、操作、デバイス、構成要素及び／又はそれらの組み合わせの存在を示す。
新しい材料の応用に伴って、材料は特徴サイズがますます小さくなり、フォース状況もますます複雑になっている。サイズが１００μｍ以下である試料については、多くの従来の力学的性質試験方法、例えば硬度測定や引張試験で、材料試験の要件を満たすことができなくなったため、ナノ圧痕技術が徐々に使用されている。
背景技術で説明したように、ナノ圧痕測定時に、静的または低速ローディング時に材料の力学的性質を測定するために使用できるが、高速ローディング、つまり高歪率での動的特性を測定することは困難であり、これによって爆発、高速衝突、動的破壊などの高歪率下での材料の動的応答を研究する場合に、正確な性能パラメータを使用することは困難であり、さらに材料の動的力学的性質を分析することも困難になる。
したがって、次の実施例は、レーザー誘起爆発性プラズマ衝撃波圧力を圧入荷重として使用し、ガイドロッドを介して圧子を高速で被験材料に圧入し、圧子の作用下で被験材料の高歪率塑性変形により、高歪率下での材料の硬度、弾性率、硬化指数、降伏強度、等の力学的性質を測定し、高い測定効率と測定精度を有する高歪率ナノ圧痕試験装置を提供する。
実施例１：
レーザーフォーカサーを使用して短パルスレーザービームを放出し、短パルスレーザービームが圧子ガイドロッドのテールエンドに作用して爆発性プラズマを発生させ、爆発性プラズマによる衝撃波圧がガイドロッド及び圧子を押し、圧子を数十ナノ秒又は数マイクロ秒で被験材料に圧入し、圧痕を発生させて荷重－変位曲線を得た。荷重－変位曲線と、圧痕から抽出された圧痕の幾何学的パラメータから、高歪率での材料の動的力学的性質を決定することできる。
レーザーフォーカサーを使用して短パルスレーザービームを放出し、短パルスレーザービームが圧子ガイドロッドのテールエンドに作用して爆発性プラズマを発生させ、爆発性プラズマによる衝撃波圧がガイドロッド及び圧子を押し、圧子を数十ナノ秒又は数マイクロ秒で被験材料に圧入し、圧痕を発生させて荷重－変位曲線を得た。荷重－変位曲線と、圧痕から抽出された圧痕の幾何学的パラメータから、高歪率での材料の動的力学的性質を決定することできる。
図１～３に示すように、高歪率ナノ圧痕試験装置であって、
圧痕機構に向かって、短パルスレーザービームを圧痕機構の上端に発し、爆発性プラズマを引き起こすために使用されるレーザーフォーカサー３と、
ハウジング内に位置し、垂直軸線に沿って移動するガイドロッド１４を含み、ガイドロッド１４の下端が圧子１１に接続され、ガイドロッド１４の上端がレーザーフォーカサー３に向かって、発生した爆発性プラズマがガイドロッド１４と圧子１１を押し、圧子１１が試料載台１上に載置される被験材料を押し付ける圧痕機構と、
圧子１１の下のスペースに位置し、被験材料を載置するために使用され、被験材料が、圧子１１の圧力を受けて圧痕を生じる試料載台１と、を含む。
圧痕機構に向かって、短パルスレーザービームを圧痕機構の上端に発し、爆発性プラズマを引き起こすために使用されるレーザーフォーカサー３と、
ハウジング内に位置し、垂直軸線に沿って移動するガイドロッド１４を含み、ガイドロッド１４の下端が圧子１１に接続され、ガイドロッド１４の上端がレーザーフォーカサー３に向かって、発生した爆発性プラズマがガイドロッド１４と圧子１１を押し、圧子１１が試料載台１上に載置される被験材料を押し付ける圧痕機構と、
圧子１１の下のスペースに位置し、被験材料を載置するために使用され、被験材料が、圧子１１の圧力を受けて圧痕を生じる試料載台１と、を含む。
本実施例において、圧子は高い剛性を有する必要があり、一般的に使用される圧子には、球状圧子、円錐状圧子、四角錐ビッカース圧子および三角錐ベルコビッチ（ｂｅｒｋｏｖｉｃｈ）圧子が含まれ、この実施では、図３に示すような三角錐ベルコビッチ（ｂｅｒｋｏｖｉｃｈ）圧子が使用されるが、要件に応じて異なる形状の他の圧子へ交換することもできる。
試料載台１、圧痕機構、及びレーザーフォーカサー３はいずれもフレームに接続された。
試料載台１は締め付け装置２に接続され、締め付け装置２により被験材料を試料載台１の上面に固定した。
本実施例において、締め付け装置２の構造は特に限定されないが、試料載台１と締め付け装置２とから、試験中に被験材料を載置固定するための作業台を形成した。
レーザーフォーカサー３は導光機構４を介してパルスレーザー機器５に接続され、パルスレーザー機器５は制御モジュール６に接続された。
本実施例において、パルスレーザー機器５は、好ましくは短パルスＹＡＧレーザー機器、または横方向励起高強度ＴＥＡ‐ＣＯ２レーザー機器である。パルスレーザー機器は、試験要件に従ってさまざまなプロセスパラメータ、例えばレーザーパルスエネルギー、パルス持続時間、レーザースポットサイズ等のパラメータを調整することができる。
制御モジュール６は、信号検出ユニットに接続され、変位および荷重信号を検出して収集するために使用され、信号検出ユニットは、ガイドロッド１４の下端に接続された変位センサ９および加速度センサ８を含み、変位センサ９および加速度センサ８は、信号コレクタ７を介して制御モジュール６に接続された。
ハウジングの内側には隙間が設けられ、隙間の上端は給気口１５に接続され、給気口１５に一定圧のガスが充填されてガスキャビティ１２が形成され、ガイドロッド１４の外側はガイドスリーブ１３に同軸に接続され、ガイドスリーブ１３はハウジングの内側に同軸に接続されるとともに、ガスキャビティ１２が位置する領域をカバーした。
本実施例において、給気口１５に導入されるガスは空気であり、空気は、ガスキャビティ１２およびガイドスリーブ１３を通過して、ガイドロッド１４の周辺側面にエアクッションを形成して、ガス潤滑剤として作用し、ガイドロッド１４の外側面の摩擦からガイドロッド１４の軸方向の動きへの妨げを低減した。
本実施例において、ガイドスリーブ１３は多孔質炭素材料であってもよく、ガイドロッド１４は高炭素鋼材料であってもよい。
本実施例において、ガイドスリーブ１３およびガイドロッド１４の断面は、ガイドロッドが回転するのを防止するために、いずれも非円形を呈し、この実施例は正方形を選択した。
本実施例において、ガイドスリーブ１３の内壁は、ガイドロッド１４の外壁とが隙間ばめであり、ガスキャビティ１２は、ガイドスリーブ１３を固定するためのガイドスリーブ１３のホルダーとしても機能した。
ハウジングの下端にはリセットポート１６が設けられ、リセットポート１６はハウジング内側の予約済スペースと連通し、空気を導入することでガイドロッド１４を上へ移動させてリセットした。
本実施例において、ガイドロッド１４の下部には、一回りの隆起したフランジが付けられ、隆起したフランジからガイドロッド１４の上端までの領域は、ガイドスリーブ１３とともに隙間ばめを形成し、隆起したフランジの下端は、ハウジングおよび圧子１１と共にキャビティを形成し、該キャビティはリセットポート１６と連通し、リセットポート１６に空気が導入された後、空気はガイドロッド１４を押すとともに圧子１１を駆動して上へ移動させ、リセットを実現した。
上記の構造は、レーザー機器を使用して短パルスレーザービームを放出し、短パルスレーザービームが圧子ガイドロッドのテールエンド（上端）に作用して爆発性プラズマを発生させ、爆発性プラズマによる衝撃波圧がガイドロッド及び圧子を押し、圧子を非常に短い時間（数十ナノ秒または数マイクロ秒）で被験材料に圧入して圧痕を発生させ、制御モジュールによって取得された荷重－変位曲線と、圧痕から抽出された圧痕の幾何学的パラメータにより材料の動的力学的性質を決定することができる。
現在のナノ圧痕試験では、高速ローディングを得ることができないため、高歪率での材料の動的特性試験を行うことができない。一方、上記の構造は、爆発性プラズマによりガイドロッドと圧子が被験材料へ押し付けるように駆動するプロセスを利用して、爆発、高速衝突、動的破壊等の影響下での材料の動的応答プロセスをシミュレートすることができ、それにより材料への高速ローディング、つまり高歪率での動的性能試験を実現した。
上記の構造は、爆発性プラズマを利用して高速ローディングを実現するだけでなく、さらにガスキャビティとガイドスリーブによってガイドロッド側面に形成されたエアクッションをガス潤滑剤とすることにより、高速運動時の摩擦効果を最小限に抑え、摩擦による運動エネルギーの損失を低減させるとともに、ガイドスリーブとガイドロッドとの協働により、ガイドロッドと圧子の直線運動を実現し、圧子が被験材料に接触するときに側面荷重の影響を受けないようにして、測定精度を確保した。
ＹＡＧレーザーまたはＴＥＡ－ＣＯ２レーザーのいずれを使用する場合でも、スチールガイドロッドのテールエンドはほとんどすべてのレーザー放射を吸収し、即座にプラズマを生成でき、複雑な前処理層及びアブレーション層の必要がなく、ガイドロッドを押す運動エネルギーを非常に短時間で発生させることができ、測定速度が速く、ハイスループット実験の要件を満たすことができる。
実施例２：
実施例１の装置による圧痕試験を実現する方法であって、
被験材料を試料載台に固定し、締め付け装置の締め付け力の大きさを調整することによりそれを固定するステップと、
制御モジュールの作用により、給気口にガスを導入し、ガスがガスキャビティに入り、ガイドスリーブとガイドロッドとの間にエアクッションを形成するステップと、
制御モジュールが、パルスレーザー機器がパルスレーザーを放出するように制御し、レーザーが導光機構とレーザーフォーカサーを介してガイドロッドのテールエンド（上端）に作用し、爆発性プラズマを生成し、爆発性プラズマが衝撃波圧力を発生させるとともに、ガイドロッドを介して運動エネルギーを圧子に伝達し、圧子を押し下げて、被験材料の表面に圧痕を生成するステップと、
加速度センサが圧子の加速度信号を検出し、変位センサが圧子の押し下げストロークを検出し、フィードバック信号として制御モジュールに戻し、パルスレーザー機器とガイドロッドに対して制御を行って閉ループを実現すると同時に、信号コレクタによって検出された加速度と変位の出力信号を同期的に調整して収集し、コンピュータ端末に送信して処理し、荷重－変位曲線を得るステップと、
終了後、制御モジュールによりリセットポートにガスを導入し、ガイドロッドを上へ移動させてリセットし、顕微鏡を介して圧痕の幾何学的パラメータを取得し、荷重－変位曲線と組み合わせて、関連する動的モデルに基づいて材料の動的力学的性質を得るステップと、を含む。
実施例１の装置による圧痕試験を実現する方法であって、
被験材料を試料載台に固定し、締め付け装置の締め付け力の大きさを調整することによりそれを固定するステップと、
制御モジュールの作用により、給気口にガスを導入し、ガスがガスキャビティに入り、ガイドスリーブとガイドロッドとの間にエアクッションを形成するステップと、
制御モジュールが、パルスレーザー機器がパルスレーザーを放出するように制御し、レーザーが導光機構とレーザーフォーカサーを介してガイドロッドのテールエンド（上端）に作用し、爆発性プラズマを生成し、爆発性プラズマが衝撃波圧力を発生させるとともに、ガイドロッドを介して運動エネルギーを圧子に伝達し、圧子を押し下げて、被験材料の表面に圧痕を生成するステップと、
加速度センサが圧子の加速度信号を検出し、変位センサが圧子の押し下げストロークを検出し、フィードバック信号として制御モジュールに戻し、パルスレーザー機器とガイドロッドに対して制御を行って閉ループを実現すると同時に、信号コレクタによって検出された加速度と変位の出力信号を同期的に調整して収集し、コンピュータ端末に送信して処理し、荷重－変位曲線を得るステップと、
終了後、制御モジュールによりリセットポートにガスを導入し、ガイドロッドを上へ移動させてリセットし、顕微鏡を介して圧痕の幾何学的パラメータを取得し、荷重－変位曲線と組み合わせて、関連する動的モデルに基づいて材料の動的力学的性質を得るステップと、を含む。
爆発性プラズマによりガイドロッドと圧子が被験材料に押し付けるように駆動するプロセスは、爆発、高速衝突、動的破壊などの影響下での材料の動的応答プロセスをシミュレートすることができ、それにより材料への高速ローディング、つまり高歪率での動的性能試験を実現した。
高速ローディングを実現するプロセスで、さらにガスキャビティとガイドスリーブによってガイドロッド側面に形成されたエアクッションをガス潤滑剤とすることにより、高速運動時の摩擦効果を最小限に抑え、摩擦による運動エネルギーの損失を低減させるとともに、ガイドスリーブとガイドロッドの協働により、ガイドロッドと圧子の直線運動を実現し、圧子が被験材料に接触するときに側面荷重の影響を受けないようにして、測定精度を確保した。
ＹＡＧレーザーまたはＴＥＡ－ＣＯ２レーザーのいずれを使用する場合でも、スチールガイドロッドのテールエンドはほとんどすべてのレーザー放射を吸収し、即座にプラズマを生成でき、複雑な前処理層及びアブレーション層の必要がなく、ガイドロッドを押す運動エネルギーを非常に短時間で発生させることができ、測定速度が速く、ハイスループット実験の要件を満たすことができる。
上記の説明は、本発明の好ましい実施例に過ぎず、本発明を限定することを意図するものではなく、当業者にとって、本発明は、様々な修正および変更を行うことができる。本発明の思想と原則の範囲内で行われた任意の修正、同等の置換、改善などについては、本発明の保護範囲に含まれるものとする。
１ 試料載台
２ 締め付け装置
３ レーザーフォーカサー
４ 導光機構
５ パルスレーザー機器
６ 制御モジュール
７ 信号コレクタ
８ 加速度センサ
９ 変位センサ
１０ ガスバルブ
１１ 圧子
１２ ガスキャビティ
１３ ガイドスリーブ
１４ ガイドロッド
１５ 給気口
１６ リセットポート
２ 締め付け装置
３ レーザーフォーカサー
４ 導光機構
５ パルスレーザー機器
６ 制御モジュール
７ 信号コレクタ
８ 加速度センサ
９ 変位センサ
１０ ガスバルブ
１１ 圧子
１２ ガスキャビティ
１３ ガイドスリーブ
１４ ガイドロッド
１５ 給気口
１６ リセットポート
Claims (10)
- 圧痕機構に向かって、短パルスレーザービームを圧痕機構の上端に発し、爆発性プラズマを引き起こすために使用されるレーザーフォーカサーと、
ハウジング内に位置し、垂直軸線に沿って移動するガイドロッドを含み、ガイドロッドのヘッドエンドが圧子に接続され、ガイドロッドのテールエンドがレーザーフォーカサーに向かって、発生した爆発性プラズマがガイドロッドと圧子を押し、圧子が試料載台上に載置される被験材料を押し付ける圧痕機構と、
圧子の下のスペースに位置し、被験材料を載置するために使用され、被験材料が、圧子の圧力を受けて圧痕を生じる試料載台と、を含む
ことを特徴とする高歪率ナノ圧痕試験装置。 - 前記試料載台、圧痕機構、レーザーフォーカサーはすべてフレームに接続される
ことを特徴とする請求項１に記載の高歪率ナノ圧痕試験装置。 - 前記試料載台は締め付け装置に接続され、締め付け装置により被験材料を試料載台の上面に固定する
ことを特徴とする請求項１に記載の高歪率ナノ圧痕試験装置。 - 前記レーザーフォーカサーは導光機構を介してパルスレーザー機器に接続され、パルスレーザー機器は制御モジュールに接続される
ことを特徴とする請求項１に記載の高歪率ナノ圧痕試験装置。 - 前記パルスレーザー機器は短パルスＹＡＧレーザー機器または横方向励起ＴＥＡ－ＣＯ２レーザー機器である
ことを特徴とする請求項４に記載の高歪率ナノ圧痕試験装置。 - 前記制御モジュールは、信号検出ユニットに接続され、変位および荷重信号を検出して収集するために使用され、信号検出ユニットは、ガイドロッドの下端に接続された変位センサおよび加速度センサを含み、変位センサおよび加速度センサは、信号コレクタを介して制御モジュールに接続される
ことを特徴とする請求項４に記載の高歪率ナノ圧痕試験装置。 - 前記ハウジングの内側には隙間が設けられ、隙間の上端は給気口に接続され、給気口にガスが充填されてガスキャビティが形成され、ガイドロッドの外側はガイドスリーブに同軸に接続され、ガイドスリーブはハウジングの内側に同軸に接続され、ガスキャビティが位置する領域をカバーする
ことを特徴とする請求項１に記載の高歪率ナノ圧痕試験装置。 - 前記ガイドスリーブとガイドロッドの断面はいずれも非円形を呈する
ことを特徴とする請求項７に記載の高歪率ナノ圧痕試験装置。 - 前記ハウジングの下端にはリセットポートが設けられ、リセットポートはハウジング内側の予約済スペースと連通し、空気を導入することでガイドロッドをリセットする
ことを特徴とする請求項７に記載の高歪率ナノ圧痕試験装置。 - 請求項１～９のいずれか一項に記載の装置による圧痕試験を実現する方法であって、
被験材料を試料載台に固定し、給気口からガスを導入し、ガスはガスキャビティに入り、ガイドスリーブとガイドロッドとの間にエアクッションを形成するステップと、
パルスレーザー機器がパルスレーザーを発射し、レーザーが導光機構とレーザーフォーカサーを介してガイドロッドのテールエンドに作用し、爆発性プラズマを生成し、爆発性プラズマが衝撃波圧力を発生させ、ガイドロッドを介して運動エネルギーを圧子に伝達し、圧子を押し下げて被験材料の表面に圧痕を生成するステップと、
信号コレクタが、検出された加速度と変位の出力信号を同期的に調整して収集し、それを制御モジュールに送信して荷重－変位曲線を取得するステップと、
リセットポートにガスを導入してガイドロッドをリセットするステップと、
圧痕の幾何学的パラメータを取得し、荷重－変位曲線を組み合わせて、高歪率下での材料の動的力学的性質パラメータを取得するステップと、を含む
ことを特徴とする圧痕試験を実現する方法。
Applications Claiming Priority (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202210427290.2A CN114705570A (zh) | 2022-04-22 | 2022-04-22 | 一种高应变率纳米压痕测试装置及方法 |
| CN202210427290.2 | 2022-04-22 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2023160708A JP2023160708A (ja) | 2023-11-02 |
| JP7402455B2 true JP7402455B2 (ja) | 2023-12-21 |
Family
ID=82173907
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2022146795A Active JP7402455B2 (ja) | 2022-04-22 | 2022-09-15 | 高歪率ナノ圧痕試験装置及び方法 |
Country Status (2)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP7402455B2 (ja) |
| CN (1) | CN114705570A (ja) |
Citations (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN104764654A (zh) | 2015-03-05 | 2015-07-08 | 北京理工大学 | 一种用于含能材料高速压缩的安全保护装置 |
| CN113281197A (zh) | 2021-05-13 | 2021-08-20 | 中物院成都科学技术发展中心 | 一种可多维运动的垂直轻气炮 |
-
2022
- 2022-04-22 CN CN202210427290.2A patent/CN114705570A/zh active Pending
- 2022-09-15 JP JP2022146795A patent/JP7402455B2/ja active Active
Patent Citations (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN104764654A (zh) | 2015-03-05 | 2015-07-08 | 北京理工大学 | 一种用于含能材料高速压缩的安全保护装置 |
| CN113281197A (zh) | 2021-05-13 | 2021-08-20 | 中物院成都科学技术发展中心 | 一种可多维运动的垂直轻气炮 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JP2023160708A (ja) | 2023-11-02 |
| CN114705570A (zh) | 2022-07-05 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Philippon et al. | An experimental study of friction at high sliding velocities | |
| JP6860256B1 (ja) | 梁柱構造部材の耐衝撃性を試験する装置 | |
| CN106226031B (zh) | 用于粘性介质中颗粒与壁面碰撞实验的实验装置 | |
| CN103528900B (zh) | 超高应变速率精密拉伸原位测试平台 | |
| CN102072841B (zh) | 一种环形激光冲击动态拉伸试验方法与装置 | |
| JP2012037398A (ja) | 落錘式衝撃試験装置及び落錘式衝撃試験方法 | |
| CN114034541A (zh) | 分离式霍普金森岩石冲击试验装置 | |
| JP7402455B2 (ja) | 高歪率ナノ圧痕試験装置及び方法 | |
| Czotscher | Material characterisation with new indentation technique based on laser-induced shockwaves | |
| CN109883867B (zh) | 基于数字散斑的变温冲击压痕测试装置 | |
| JP2006342579A (ja) | 動的載荷試験装置を備えた杭打ち機 | |
| CN116858701A (zh) | 中应变率霍普金森拉杆加载装置及其方法 | |
| CN113686376B (zh) | 一种激光破岩测试方法及系统 | |
| Tulke et al. | Principle and setup for characterization of material parameters for high speed forming and cutting | |
| CN217006811U (zh) | 一种基于霍普金森压杆的硬脆材料动态压痕实验装置 | |
| CN109900407B (zh) | 高速切削时刀具表面与木材间的摩擦力的测量方法 | |
| RU2406074C2 (ru) | Стенд для ударных испытаний | |
| CN210464788U (zh) | 一种标准动态力校准装置 | |
| CN113640118A (zh) | 材料原位动态拉伸加载试验装置 | |
| GB2475683A (en) | Testing the surface and thin-film mechanical properties of materials using an impact target | |
| RU2705918C1 (ru) | Способ динамических испытаний винтовых пружин сжатия и устройство для его осуществления | |
| CN216926434U (zh) | 一种能够实现动态压缩的动态压痕实验装置 | |
| CN113551988A (zh) | 一种基于高速拉伸设备的高速压缩测试装置及方法 | |
| JP2975073B2 (ja) | 微小試験片の動的衝撃試験装置 | |
| CN110530570B (zh) | 一种标准动态力校准装置 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| A621 | Written request for application examination |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621 Effective date: 20220915 |
|
| A131 | Notification of reasons for refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131 Effective date: 20231024 |
|
| A521 | Request for written amendment filed |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523 Effective date: 20231106 |
|
| TRDD | Decision of grant or rejection written | ||
| A01 | Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01 Effective date: 20231121 |
|
| A61 | First payment of annual fees (during grant procedure) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61 Effective date: 20231130 |
|
| R150 | Certificate of patent or registration of utility model |
Ref document number: 7402455 Country of ref document: JP Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150 |