[发明专利]球形压头测量形状记忆合金相变特性的方法

说明书

技术领域

本发明属于形状记忆合金材料机械性能测试技术领域。

背景技术

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，镍钛合金(NiTi)是实用化程度最高的形状记忆合金，其功密度高达2.5×10⁷J/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。

对镍钛合金(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σ-应变ε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σ_t和马氏体屈服应力σ_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，无法用常规的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σ_t和马氏体屈服应力σ_n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。

发明内容

本发明的目的是提供一种球形压头测量形状记忆合金相变特性的方法，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微器件相变特性的测试。

本发明为解决其发明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；