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基于AFM和DIC的纳米尺度变形测量技术研究

作　者: 张博文
导　师: 董申；闫永达
学　校: 哈尔滨工业大学
专　业: 机械制造及其自动化
关键词: 数字图像相关方法原子力显微镜原位拉伸
分类号: TG806
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
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内容摘要

随着微纳加工技术的不断发展,针对材料微观力学特性和微结构的力学分析的要求不断提高。当微结构变形时表面位移仅有微米级大小,传统力学实验方法的取样分辨率和灵敏度都很难达到要求。因此,需要开展有关微纳米尺度变形的研究。基于实验室现有原位拉伸试验装置与原子力显微镜(Atomic Force Microscope, AFM),使其与数字图像相关方法(Digital Image Correlation, DIC)相结合,从而由AFM图像直接得到材料的微观变形特性的定量分析。首先,为评价DIC应用的可行性,使用了DIC分析人为已知变形的AFM图像,比较了计算结果,将DIC应用于宏观CCD显微镜下的原位拉伸试验,分析了焊接件的力学特性,评价了DIC应用于原位拉伸实验的可行性。之后,针对AFM本身,由于关键部件扫描陶管具有扫描非线性特性与磁滞效应,扫描过程会给DIC计算带来误差。通过AFM的校准过程来减小测量误差,并对误差进行了评价,分析了适用于DIC分析的AFM扫描参数。最后,通过对铜丝和磁带进行的原位拉伸试验,使用AFM得到了拉伸过程中的表面形貌,进而进行了DIC分析。试验结果和数据分析表明DIC方法适用于表面形貌突变的观察,如氧化层的脱落。使用DIC描述了磁带拉伸过程中的蠕变,并分析了拉伸过程中样品表面的形变情况。

全文目录

摘要  4-5
Abstract  5-9
第1章绪论  9-14
  1.1 课题背景及研究意义  9-10
  1.2 AFM 图像的DIC 分析研究现状  10-12
    1.2.1 DIC 的研究现状  10
    1.2.2 DIC 用于微纳米范围内的形变检测  10-12
  1.3 本课题研究内容  12-14
第2章 DIC 和AFM 原位拉伸测试的基本原理  14-23
  2.1 DIC 的基本原理  14-17
  2.2 DIC 分析结果的MATLAB 处理  17-21
    2.2.1 位移或应变值的统计  17
    2.2.2 位移场或应变场重建  17
    2.2.3 位移向量图的绘制  17-21
  2.3 原位拉伸试验装置的原理  21-22
  2.4 本章小结  22-23
第3章 DIC 方法应用的可靠性验证  23-32
  3.1 针对预知变形的AFM 图像的DIC 分析  23-26
  3.2 DIC 用于CCD 下铝钛焊接件拉伸的分析  26-30
    3.2.1 实验过程  28
    3.2.2 实验结论  28-30
  3.3 采用CCD 对金属微粒磁带原位拉伸试验  30-31
  3.4 本章小结  31-32
第4章 AFM 与DIC 适应性优化  32-44
  4.1 校准前AFM 图像的DIC 评价及AFM 校准  32-35
    4.1.1 校准前AFM 图像的DIC 评价  32-33
    4.1.2 AFM 校准  33-35
  4.2 DIC 分析开机后AFM 扫描陶管漂移和虚假应变  35-37
  4.3 AFM 扫描参数对0 应变试件的影响的DIC 分析  37-43
    4.3.1 AFM 的虚假变形与扫描范围的关系  37-39
    4.3.2 AFM 的虚假变形与扫描频率的关系  39-43
  4.4 本章小结  43-44
第5章 AFM 拉伸试验与DIC 分析的研究  44-52
  5.1 单晶铜丝原位拉伸实验  44-47
    5.1.1 实验过程  44-45
    5.1.2 实验结果与DIC 分析讨论  45-47
  5.2 金属微粒磁带原位拉伸实验  47-51
    5.2.1 实验过程  47-48
    5.2.2 实验结果与DIC 分析讨论  48-51
  5.3 本章小结  51-52
结论  52-53
参考文献  53-57
攻读学位期间发表的学术论文  57-59
致谢  59

基于AFM和DIC的纳米尺度变形测量技术研究

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