[发明专利]利用残余压痕形貌测试材料低温热收缩系数的方法

说明书

本发明涉及一种利用残余压痕形貌测试材料低温热收缩系数的方法，属于工程测试技术领域。利用具有原位观测功能的纳米压痕测试仪器对试件测试表面在不同温度下预制标记压痕并对其表面形貌实时原位非接触成像与记录，实时对材料低温环境下热收缩系数进行测量。首先在不同温度下对材料表面进行纳米压入试验，将残余压痕作为标记压痕；其次对不同温度下的标记压痕实时原位成像，提取对比成像数据；最后利用公式计算出材料在不同温度区间内低温热收缩系数。本发明所需仪器设备搭建相对简单，无需复杂干涉光路/电路搭建，操作简便，同时本发明不仅可对测试平面内低温热收缩系数是否存在各向异性进行定性评估，还为研究材料低温物性提供了一种新方法。

技术领域

本发明涉及工程测试技术领域，特别涉及一种利用残余压痕形貌测试材料低温热收缩系数的方法，为材料低温物性测试提供一种简便快捷的技术手段。

背景技术

随着低温工程技术的持续发展进步，低温材料在航天科技、生物学以及生命科学等领域中有着非常广泛的应用。这期间各种新型材料也应运而生并被广泛应用，因此对材料低温物性测试也为材料的正常服役可靠性以及使用性能有着关键性作用，尤其是材料低温热收缩系数等。例如，美国“挑战者”号航天飞机在起飞73秒时爆炸，事故原因是起密封作用的橡皮圈在低温下伸缩性减弱，致使炙热的气体点燃了外部燃料罐中的燃料。因此，进行材料低温热收缩系数的测试是十分有必要的。

目前检测低温材料热收缩系数可采用多种方法，包括电容膨胀计、干涉膨胀计、激光散斑成像技术、电子散斑干涉技术、X射线等测试技术。这些方法主要利用不同敏感信号(例如电容变化、干涉条纹数等)将材料受温度影响引起的微小膨胀/收缩量予以放大并记录。然而，上述材料热收缩系数的测量方法往往存在以下劣势：1)测试仪器设备相对复杂，比如干涉光路搭设、电容器的无膨胀支撑等；2)测试方向单一，且测试参数较少。因此，在目前的研究中，缺乏一种在微纳米级别对材料低温变形行为进行实时监测，简便的集材料低温物性和力学性能综合表征方法。

发明内容

本发明的目的在于提供一种利用残余压痕形貌测试材料低温热收缩系数的方法，解决现有测试技术中存在的仪器设备搭建复杂以及测试方向单一等问题。本发明通过低温微纳米压痕测试仪器与原位扫描电子显微镜、扫描隧道显微镜或其它高分辨率显微成像功能组件结合，实现低温环境下对材料表面预制标记压痕残余形貌实时原位非接触成像与记录，进而实现材料低温下热收缩率测试及测试平面内低温热收缩系数各向异性的定性评估。

本发明的上述目的通过以下技术方案实现：

利用残余压痕形貌测试材料低温热收缩系数的方法，该方法包括如下步骤：

步骤一、将试件的初始表面6磨平、抛光，粘接在载物台表面，室温环境下，用纳米压痕仪对试件表面进行压痕试验，所用压头选取锋利的棱锥压头4，特征角记为α，试件表面的残余压痕/坑记为标记压痕A；

步骤二、室温环境下，借助显微成像功能组件对标记压痕A进行原位非接触成像并记录标记压痕A的形貌信息；

步骤三、在室温至77K温度区间内选取参考温度T₁，从标记压痕A的实时形貌信息中提取该参考温度T₁下的标记压痕A与测试横截面相交线7的边长a_i(i＝1，2，……，n)，进而得出标记压痕A截面面积A₁，特征角为α₁；同理，在目标温度T₂下，标记压痕A与测试横截面相交线7的边长为b_i(i＝1，2，……，n)，标记压痕A截面面积A₂；