基于EBSD分析原位加载装置的研制及应用

摘要

材料科学是国民经济的基础，而材料学科代表了一个国家发展的根基学科。随着社会的发展，人们对物质条件条件的要求不断提高，材料学科获得了长足的进步。而现代材料学科重点是研究对材料的成分对其力学性能的影响，以及不同成分的材料在微观组织之间的差异。因此,对材料力学性能进行更深入认识需要借助到微观层次的表征分析技术。传统的材料力学性能测试和表征分析是先将材料拉伸/压缩后再对材料断口或者裂纹进行表征与分析。随着科学技术的不断发展，传统的力学性能测试已不能满足时代发展的要求，目前材料力学性能测试及材料表征分析技术的发展趋向于小型化、智能化、功能化。目前原位加载试验是一种结合材料表征分析手段的力学性能加载方式，可以很好的符合目前的力学测试与表征同时进行的要求。原位加载试验是指材料在进行拉伸/压缩试验的同时，对受测试样进行实时观测，并记录应力-应变曲线，将材料加载过程中产生的微观形貌的变化与试样的应力-应变曲线相结合，能更加深入的了解材料变形的具体原因。 目前扫描电镜电子背散射衍射(Electron backscatter diffraction)分析技术是一种应用很广的表征分析方法。此技术除了在对试样进行微观形貌观察外，同时还可以对试样的晶体学数据进行分析,相对于将传统的微观形貌和晶体学分析分开的研究办法,大大的提高了分析技术的深度和应用范围。因此在此基础上，开发一种基于扫描电镜电子背散射衍射分析的原位加载装置极其使用的试验方法非常有必要。 本文深入研究了国内外原位拉伸装置的研究进展，并系统的分析了原位拉伸装置设计中的重点及问题。原位加载装置设计过程包含以下几个部分： 1.机械设计部分：基于扫描电镜电子背散射衍射的分析方法，设计了可用于基于SEM微观形貌分析、EBSD晶粒取向分析的原位加载装置。对于扫描电镜，原位力学加载装置一般是放在检测仪器的舱室内，因此需要具有尺寸小巧，结构紧凑的特点。 2.力学模拟部分：基于力学加载装置的拉伸/压缩载荷范围对装置的整体框架、关键受力零件、丝杠进行受力分析及模拟。修正机械设计部分设计误差，并进行优化，使整体机械设计法案最佳。 3.电路设计部分：基于扫描电镜的表征分析方法，实现最优的电路设计方法，并针对传感器的选型方案，进行电路仿真和滤波处理。 4.通讯软件开发：针对实验需求，开发一种简单易操作的通讯软件，对材料加载的过程进行操作控制，并实时收集微观形貌图像和晶体学数据。 5.原位加载装置的可靠性及重复性测试，利用实验室已有的instron-5944万能试验机对材料进行拉伸测试获得应力-应变曲线测试，并与原位拉伸装置的应力应变曲线进行对比。模拟扫描电镜下的真空环境，对已经搭建好的原位加载装置进行可靠性测试，从而判断能否在高真空环境下正常工作。 6.双相钢原位拉伸试验，针对不同的应变点对双相钢进行SEM实时观测，并进行EBSD分析，从而验证原位加载装置的可适用性。

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第1章 绪论

1.1 课题研究背景及意义

1.2 原位加载手段的研究现状

1.2.1 基于扫描电镜

1.2.2 基于X射线

1.2.3 透射电子显微镜

1.3 材料试验机的发展现状

1.4 原位力学性能测试技术的发展

1.5 本章小结

第2章 加载装置的整体设计及关键器件选型

2.1 原位拉伸装置整体机械设计方案

2.2 试样夹持端及夹头设计

2.3 装置力学加载部分设计

2.3.1 滚珠丝杠传动及其选型方案

2.3.2 蜗轮蜗杆传动及其选型方案

2.4 原位加载装置电机的分类及选型

2.4.1 步进电机和伺服电机的工作原理

2.4.2 步进电机和伺服电机的区别及电机选择

2.5 拉压力传感器的选型

2.6 高精度位移传感器的选型

2.7 装置夹持段的应力及刚性分析

2.7.1 导入部件及材料定义

2.7.2 定义分析步及边界条件、载荷定义

2.7.3 结果分析

2.8 本章小结

第3章 系统电路设计

3.1 原位拉伸系统电路设计流程

3.2 信号放大器原理及选型

3.3 基于Filterpro滤波电路设计

3.4 数据采集卡选型及介绍

3.5 步进电机驱动器CRD-K系列

3.6 本章小结

第4章 原位加载装置控制软件开发

4.1 LabVIEW开发平台介绍

4.2 基于原位加载系统的软件开发

4.2.1 基于LabVIEW软件开发前面板

4.2.2 基于LabVIEW软件开发程序框图

4.3 基于LabVIEW软件滤波

4.4 本章小结

第5章 原位加载装置的调试及应用

5.1 FM-25力传感器标定

5.2 PM位移传感器标定

5.3 装置对比试验及重复实验

5.3.1 非比例微型试样设计

5.3.2 试样重复实验及对比实验

5.4 真空电极

5.5 双相钢原位EBSD实验

5.5.1 实验步骤

5.5.2 双相钢原位EBSD实验结果

5.6 本章小结

结论

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文及科研成果