目前，英、美和瑞士等国都有商业化的压痕测试仪器产品，所开展的压痕测试都是针对样品材料开展的单一压痕测试，而复合载荷下的纳米压痕测试理论与方法鲜有报道[8-10]。因此，针对材料在复合载荷下的纳米压痕测试研究已经受到国内外研究人员的密切关注拉伸-弯曲预载荷下的纳米压痕测试，由于可以借助显微成像系统，对材料的力学行为进行原位观测，在钢铁、有色金属、生物医学工程、航空航天等领域有广泛的应用前景。所以，研究复合载荷压痕测试的基本理论与关键技术具有重要意义。此外，关于拉伸-弯曲复合载荷耦合和解耦、测试装置精度提高、新型生物材料的应用研究等理论方面，还有待深入研究。本文面向国家需求和行业特点，结合材料微观力学性能测试领域的国内外进展与现存问题，重点研究了复合载荷加载的理论模型，开展了测试装置机械结构设计、控制系统设计、测试装置调试校准等研究。在此基础上，利用自主研制的装置开展典型材料微观力学性能的测试分析和破坏机理的研究。论文主要研究工作，对于丰富材料的力学性能测试的理论与方法具有一定的指导意义，在各类工程材料力学性能测试领域具有良好的应用价值。
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第 2 章 材料力学性能测试的基本理论
2.1 材料力学性能测试理论模型
在实际使用材料之前，需要对材料的力学性能进行测试，这样可以提供在不同载荷条件下，测试材料的各项力学性能指标，例如硬度、屈服强度、抗拉强度、弹性模量、疲劳极限、延伸率、断裂韧度等。通过这些指标，为材料在实际工程应用中的设计计算提供理论依据。与此同时，人们在长期使用材料的过程中，根据材料的不同使用环境要求，发展并完善了材料力学性能测试方法。这些方法主要有拉伸/压缩法、弯曲法、扭法、纳米压痕法等[6]，本节针对拉伸测试基本理论、弯曲测试基本理论以及压痕测试理论开展研究。2.2 复合载荷加载理论模型
图 2.7 拉伸-四点弯曲复合加载原理在整个拉伸、弯曲复合加载的测试过程中，对于测试试样所受到的拉伸载荷和弯曲载荷会互相影响。一种是在弯曲测试试验中，由于试样的两个固定端被夹持，进而产生附加的拉伸载荷，导致纵向纤维变长。另外一种是在拉伸测试试验中，会对弯曲测试的原始跨距和横截面积产生影响。因此为了更好地开展复合载荷加载模式下材料力学性能的测试工作，本文特别构建了拉-弯复合加载模式下的力学模型。第 3 章 复合载荷压痕测试装置的设计与分析 ........... 31
3.1 测试装置功能............ 313.2 主要功能模块及组成............ 32
3.3 关键零部件的静动态特性分析 ........... 35
3.4 整机静力学和动力学特性分析 .......... 40
3.5 控制系统设计 .......... 42
第 4 章 复合载荷压痕测试装置的性能测试试验.......... 47
4.1 测试装置各传感器标定与精度分析 ...... 47
4.2 各模块单元性能测试试验 ............ 53
4.3 测试装置性能的影响因素分析 ..... 60
4.4 拉伸预载荷对弯曲性能测试的影响 ...... 68
4.5 本章小结 .... 69
第 5 章 拉-弯预载荷下压痕测试试验.......... 71
5.1 单纯拉伸加载下材料压痕响应的测试试验 ........ 71
5.2 单纯弯曲加载下材料压痕响应的测试试验 ........ 73
5.3 拉-弯预载荷下材料压痕响应的测试试验 ........ 75
5.4 典型材料微观力学性能原位测试试验 ........ 77
第 5 章 拉-弯预载荷下压痕测试试验
5.1 单纯拉伸加载下材料压痕响应的测试试验
将试件装夹后进行拉伸载荷加载，施加 100N 的拉伸载荷时停止加载，保持 100N的加载载荷，然后通过压痕测试模块对试样进行最大压入载荷 80mN。同时，对试样上不同区域进行多组纳米压痕取点压入测试。由图 5.1 可以看出，当施加最大载荷 80mN时，两种材料的压痕测试的加载和卸载测试曲线的重复性都比较好，说明压痕模块具有较好稳定性。由于 6061 铝合金属于弹塑性材料，而铸铁属于脆性材料，由压痕测试曲线可以看出，6061 铝合金试件的最大压入深度和残余压入深度都比铸铁试件大。5.2 单纯弯曲加载下材料压痕响应的测试试验
由图 5.4（a）可以看出，当最大压入力均为 80mN 的压痕试验时，弯曲预载荷逐渐增大，测试试件上的压入深度随之增加，压入载荷-深度曲线的斜率减小。材料的力学性能参数也随弯曲预载荷的变化而变化。说明随弯曲预载荷的增加使 6061 铝合金材料的弹塑性能变差。由图 5.4（b）可以看出，在最大压入力均为 80mN 的压痕试验中，当弯曲预载荷逐渐增大，残余压入深度无明显变化，表现为在弯曲预载荷作用下，铸铁材料的晶粒间隙和尺寸并没有太明显的变化。但是压入载荷-深度曲线的斜率增加，和铝合金材料弯曲预载荷压痕的试验结果正好相反，体现出了铸铁材料脆性变形的特点。
第 6 章 总结与展望
本文面向国家重大需求，结合复合载荷下压痕测试方面的国内外进展与现存问题，开展了复合载荷下纳米压痕测试理论的基础研究。在此基础上，针对装置设计制造、控制单元设计、校准调试等理论与技术，展开了较为深入的研究，同时利用自主研制的装置开展了典型材料微观力学性能的测试试验研究。本文主要工作和结论如下：(1)在详细分析拉伸测试、四点弯曲测试和压痕测试方法的基础上，推导了四点弯曲测试的挠度曲线方程。在此基础上着重分析了复合加载的理论模型，对弹性模量的计算公式提出了修正算法，同时分析了有无圆弧过渡对测试试样的表面应力分布影响。(2)研制了拉-弯预载荷下的纳米压痕装置。着重设计分析了装置的机械结构功能模块和解决了控制系统搭建等技术问题。(3)开展了拉-弯预载荷下纳米压痕装置的性能测试和试验研究。利用 Q235 钢、黄铜、6061 铝合金等典型材料，分别对三个功能模块进行性能测试试验，将测试结果和商业化试验机测得结果进行了对比。
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参考文献（略）
