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公開番号2023160708
公報種別公開特許公報(A)
公開日2023-11-02
出願番号2022146795
出願日2022-09-15
発明の名称高歪率ナノ圧痕試験装置及び方法
出願人山東大学,SHANDONG UNIVERSITY
代理人個人
主分類G01N 3/48 20060101AFI20231026BHJP(測定;試験)
要約【課題】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。
【解決手段】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を含み、ガイドロッドのヘッドエンドが圧子11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3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、を含む高歪率ナノ圧痕試験装置及び方法。
【選択図】図1
特許請求の範囲【請求項１】
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。
続きを表示（約 1,400 文字）【請求項２】
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。
【請求項３】
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。
【請求項４】
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。
【請求項５】
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－ＣＯ
２
レーザー機器である
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。
【請求項６】
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１に記載の高歪率ナノ圧痕試験装置。
【請求項７】
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。
【請求項８】
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。
【請求項９】
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１０】
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。

発明の詳細な説明【技術分野】
【０００１】
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。
続きを表示（約 1,200 文字）【背景技術】
【０００２】
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。
【０００３】
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。
【０００４】
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。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
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。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
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。
【０００７】
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。
【０００８】
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。
【０００９】
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。
【００１０】
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。
（【００１１】以降は省略されています）

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