專(zhuān)利名稱(chēng)：材料試驗(yàn)機(jī)的壓痕測(cè)試功能改進(jìn)方法及其改進(jìn)裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種材料力學(xué)性能測(cè)試方法及其測(cè)試裝置，具體的說(shuō)，涉及一種材料試驗(yàn)機(jī)的壓痕測(cè)試功能改進(jìn)方法及其改進(jìn)裝置。
背景技術(shù)：
目前，用于測(cè)試材料力學(xué)性能的材料試驗(yàn)機(jī)，多采用載荷傳感器測(cè)量載荷，驅(qū)動(dòng)方式多為馬達(dá)驅(qū)動(dòng)，雖然具有拉伸、壓縮、彎曲、剪切、扭轉(zhuǎn)等功能，但不擅長(zhǎng)進(jìn)行壓痕試驗(yàn)以獲得材料的硬度等力學(xué)參數(shù)。雖然現(xiàn)在有一些材料試驗(yàn)機(jī)可以裝配壓針進(jìn)行硬度測(cè)試，但需要在壓痕試驗(yàn)后對(duì)殘余壓痕進(jìn)行成像以測(cè)量殘余壓痕表面積來(lái)計(jì)算硬度。這種測(cè)量方法和工業(yè)界普遍采用的硬度計(jì)所采用的方法是一樣的。具體計(jì)算硬度的方法是通過(guò)測(cè)量殘余壓痕的對(duì)角線或直徑的長(zhǎng)度，然后換算成殘余壓痕表面積，進(jìn)而得到硬度值HH=PmaxArestdual---(1)]]>式中，Pmax為最大載荷，Arestdual為完全卸載后的殘余壓痕表面積。殘余壓痕面積是根據(jù)具體壓針的幾何形狀來(lái)計(jì)算。例如，對(duì)于維氏壓針(Vickers)，殘余壓痕面積與壓痕對(duì)角線長(zhǎng)度d存在下面關(guān)系A(chǔ)restdual=d22sinα2---(2)]]>式中，α為維氏壓針對(duì)面夾角，136°。
隨著現(xiàn)代材料表面工程(氣相沉積、濺射、離子注入、高能束表面改性、表面納米化、熱噴涂等)、微電子、集成微光機(jī)電系統(tǒng)、生物和醫(yī)學(xué)材料的發(fā)展，試樣本身、改性層或涂層厚度越來(lái)越小。因此，用壓痕測(cè)試來(lái)研究這些材料的力學(xué)性能時(shí)，傳統(tǒng)的硬度試驗(yàn)遇到了難以克服的困難。第一，并不是所有材料的都有明顯的殘余壓痕邊界，對(duì)于這類(lèi)材料將難以確定殘余壓痕對(duì)角線的起始點(diǎn)。第二，很多硬度計(jì)，特別是在對(duì)殘余壓痕成像的時(shí)候都是由人工操作，這無(wú)疑會(huì)給測(cè)量結(jié)果帶來(lái)人為誤差。第三，傳統(tǒng)方法不能實(shí)時(shí)反映出加卸載過(guò)程中材料力學(xué)性能的變化情況。
近二十年來(lái)，力學(xué)研究人員發(fā)展了一種應(yīng)用范圍更廣的硬度試驗(yàn)方法——壓入深度測(cè)量法(depth-sensing indentation)。該方法將在壓針加卸載過(guò)程中的載荷和深度連續(xù)記錄下來(lái)，如圖8，通過(guò)對(duì)加卸載曲線的分析得到材料的力學(xué)參數(shù)。其硬度HIT的計(jì)算公式為HIT=PmaxA(hc)---(3)]]>該式與式(1)非常相似，只是面積所表示的內(nèi)容不同，式(1)中的Arestdual是殘余壓痕中的接觸面積，其定義的硬度稱(chēng)為顯微硬度(micro hardness)；而A(hc)是與Pmax對(duì)應(yīng)時(shí)刻的壓痕接觸投影面積，這里稱(chēng)其定義的硬度為壓入硬度(indentation hardness)，見(jiàn)式(3)。A(hc)的計(jì)算無(wú)需對(duì)殘余壓痕進(jìn)行成像，而是將接觸面積表示為壓痕深度的函數(shù)，即面積函數(shù)A＝f(hc)，hc從加卸載曲線得到。這種測(cè)量硬度的方法稱(chēng)為壓入深度測(cè)量法。
壓入深度測(cè)量方法不但可以獲得材料的硬度，還可以利用P-h曲線的卸載部分獲得材料的模量。這里，為了與拉伸或壓縮試驗(yàn)得到的模量相區(qū)別，將其稱(chēng)之為壓入模量(indentation modulus)。
但是，由于傳統(tǒng)的材料試驗(yàn)機(jī)多為馬達(dá)驅(qū)動(dòng)，通過(guò)計(jì)量馬達(dá)旋轉(zhuǎn)的圈數(shù)來(lái)計(jì)量作用軸的位移，或者用位移傳感器直接測(cè)量作用軸位移(例如Instron5848)，通過(guò)串聯(lián)載荷傳感器來(lái)測(cè)量載荷。這種結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)特點(diǎn)決定了在進(jìn)行壓痕測(cè)試時(shí)，其測(cè)量的位移必然包括載荷傳感器和作用軸等的變形，某些試驗(yàn)機(jī)甚至包括機(jī)械傳動(dòng)間隙，而不是壓針壓入試樣的真實(shí)位移。因此該種試驗(yàn)機(jī)本身無(wú)法采用壓入深度測(cè)量法來(lái)進(jìn)行壓痕測(cè)試，必須對(duì)其進(jìn)行改進(jìn)。
由此可見(jiàn)，壓入深度測(cè)量法是對(duì)材料進(jìn)行壓痕測(cè)試的一種極有應(yīng)用前景的方法，而材料試驗(yàn)機(jī)已經(jīng)是工業(yè)界普遍采用的一種材料力學(xué)性能測(cè)試儀器，有著廣泛的用戶(hù)基礎(chǔ)。因此將該種方法應(yīng)用到傳統(tǒng)材料試驗(yàn)機(jī)將會(huì)大大拓寬材料試驗(yàn)機(jī)的功能，并且這一功能也是常規(guī)的硬度計(jì)無(wú)法實(shí)現(xiàn)的。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是為了拓寬常規(guī)材料試驗(yàn)機(jī)的功能，提供一種可以不需要對(duì)壓痕進(jìn)行成像測(cè)量就能獲得材料的硬度和模量的測(cè)試方法，并可實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)試樣性質(zhì)隨壓入深度的變化情況。
本發(fā)明提供的材料試驗(yàn)機(jī)的壓痕測(cè)試功能的改進(jìn)方法，包括以下步驟(a)在材料試驗(yàn)機(jī)的載荷傳感器下方安裝好壓針，在樣品臺(tái)上安裝非接觸式高分辨力位移傳感器，開(kāi)動(dòng)材料試驗(yàn)機(jī)對(duì)試樣進(jìn)行加載；(b)通過(guò)材料試驗(yàn)機(jī)的載荷傳感器和非接觸式高分辨力位移傳感器獲得壓針壓入和拔出試樣過(guò)程中的加卸載位移-載荷曲線；(c)對(duì)步驟(b)得到的位移-載荷曲線，按照力學(xué)模型進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，擬合卸載部分得出壓針的接觸深度，得出壓痕的接觸投影面積，進(jìn)而計(jì)算出壓入硬度；擬合卸載段的接觸剛度，得出材料的壓入模量。
所述步驟(b)中，包括以下步驟(b1)用帶有信號(hào)采集模塊的計(jì)算機(jī)采集材料試驗(yàn)機(jī)的載荷傳感器信號(hào)，同時(shí)采集本材料試驗(yàn)機(jī)上設(shè)置的非接觸式高分辨力位移傳感器的信號(hào)；(b2)將采集到的信號(hào)換算得到載荷和位移值；(b3)由步驟(b2)中載荷和位移值得到壓針壓入和拔出試樣過(guò)程中的加卸載位移-載荷曲線。
所述步驟(c)中，還包括調(diào)零步驟，該步驟為在步驟(b3)中得到的原始加卸載曲線上人為找到載荷剛開(kāi)始不為零的點(diǎn)，然后強(qiáng)行指定該點(diǎn)為接觸零點(diǎn)。
采用上述技術(shù)方案，使得本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有很大的優(yōu)越性。由于采用非接觸的方式測(cè)量位移，使得位移的測(cè)量不會(huì)對(duì)載荷的測(cè)量造成任何影響，并且由于用高分辨力位移傳感器直接測(cè)量壓針根部位移，避免了原材料試驗(yàn)機(jī)連接部分剛度過(guò)小造成的位移測(cè)量誤差，從而獲得真實(shí)的加卸載過(guò)程中的位移～載荷曲線。這是進(jìn)行材料力學(xué)性能測(cè)試的首要的一步。更重要的是，由于采用壓入深度測(cè)量法來(lái)處理試驗(yàn)數(shù)據(jù)，因此不僅可以獲得被測(cè)材料的硬度，而且可以獲得模量，這是目前常規(guī)硬度計(jì)也無(wú)法實(shí)現(xiàn)的。和常規(guī)硬度測(cè)試相比，本發(fā)明不需要再對(duì)殘余壓痕面積進(jìn)行成像測(cè)量，因而排除了人為觀察和顯微鏡成像系統(tǒng)可能導(dǎo)致的誤差，使得測(cè)量更為準(zhǔn)確可靠。并且實(shí)驗(yàn)操作更為方便，真正實(shí)現(xiàn)了壓完壓痕即可得到結(jié)果。
為達(dá)到上述目的，本發(fā)明提供的材料試驗(yàn)機(jī)改進(jìn)裝置包括材料試驗(yàn)機(jī)；其特征在于還包括一直接固定安裝在試驗(yàn)機(jī)底座上的樣品臺(tái)，該樣品臺(tái)采用整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，無(wú)間隙；一安裝于材料試驗(yàn)機(jī)樣品臺(tái)上的非接觸式位移傳感器。
所述非接觸式位移傳感器為電容式位移傳感器，光柵尺、光纖位移傳感器或電渦流位移傳感器。
所述電容式位移傳感器包括位移傳感器1、位移傳感器的電極板2、測(cè)量電極板3；其中材料試驗(yàn)機(jī)的作用軸4的下端安裝有一載荷傳感器5，壓針6安裝在一載荷傳感器5的下部，壓針6上安裝有測(cè)量電極板3；位移傳感器1固定在樣品臺(tái)8一側(cè)，測(cè)量電極板3與位移傳感器1上的電極板2平行，測(cè)量電極板3與電容式位移傳感器的電極板2形成電容；材料試驗(yàn)機(jī)的底座上設(shè)置樣品臺(tái)8，其上放置被測(cè)試樣7。
傳統(tǒng)材料試驗(yàn)機(jī)經(jīng)上述改進(jìn)后，能夠采用壓入深度測(cè)量法測(cè)試材料的力學(xué)性能。利用非接觸式位移傳感器，排除了測(cè)試過(guò)程中作用軸、載荷傳感器的形變帶來(lái)的影響，從而提高了位移測(cè)量結(jié)果的精確度。若非接觸式位移傳感器采用電容式位移傳感器，壓針移動(dòng)時(shí)，測(cè)量電極板和傳感器電極板之間的電容發(fā)生變化，使得電容式位移傳感器的輸出電壓信號(hào)發(fā)生改變，將該信號(hào)傳給計(jì)算機(jī)就可以換算為位移信號(hào)。由于測(cè)量電極板安裝在壓針上，傳感器電極板和樣品臺(tái)固連，這樣就可以保證電容式位移傳感器測(cè)量的位移為壓針壓入試樣的位移，而與材料試驗(yàn)機(jī)作用軸的變形以及載荷傳感器的變形無(wú)關(guān)。


圖1是材料試驗(yàn)機(jī)的改進(jìn)部分示意圖；圖2是試驗(yàn)測(cè)得的原始加卸載位移-載荷曲線圖；圖3是經(jīng)過(guò)零點(diǎn)修正后加卸載位移-載荷曲線圖；圖4是試驗(yàn)得到的工業(yè)純鋁L2的壓入硬度測(cè)試結(jié)果；圖5是試驗(yàn)得到的工業(yè)純鋁L2的壓入模量測(cè)試結(jié)果；圖6是典型壓痕的變形模型；圖7是典型壓痕的加卸載曲線；圖8是Sneddon的分析模型。
圖9是本發(fā)明提供的材料試驗(yàn)機(jī)的壓痕測(cè)試功能改進(jìn)方法的流程圖。
具體實(shí)施例方式
下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明本發(fā)明提供的材料試驗(yàn)機(jī)壓痕測(cè)試功能的改進(jìn)測(cè)試方法的流程如圖9所示，其具體步驟如下步驟100將試樣固定安裝在樣品臺(tái)上，測(cè)試面向上，在載荷傳感器下方安裝好壓針，在樣品臺(tái)上安裝一非接觸式位移傳感器，開(kāi)動(dòng)材料試驗(yàn)機(jī)對(duì)試樣進(jìn)行加載。
步驟101用計(jì)算機(jī)的信號(hào)采集模塊采集材料試驗(yàn)機(jī)的載荷傳感器信號(hào)以及本發(fā)明中額外附加的非接觸式高分辨力位移傳感器的信號(hào)。
步驟102采集到的載荷傳感器信號(hào)和位移傳感器的信號(hào)經(jīng)過(guò)換算得到載荷和位移值。
步驟103由換算得到載荷和位移值得到壓針壓入和拔出試樣過(guò)程中的位移-載荷曲線。
步驟104根據(jù)步驟103得出的位移-載荷曲線，按照力學(xué)模型進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，其原理與過(guò)程將在下文中祥述。
步驟105最后得出被測(cè)試樣的壓入硬度和壓入模量等力學(xué)參數(shù)，如圖4、5所示。
在步驟104中，由試驗(yàn)直接采集到的原始數(shù)據(jù)得出的加卸載位移-載荷曲線的起點(diǎn)可能不是壓針和試樣表面的接觸零點(diǎn)，此時(shí)需要調(diào)零。從原始加卸載曲線上人為找到載荷剛開(kāi)始不為零的點(diǎn)，然后強(qiáng)行指定該點(diǎn)為接觸零點(diǎn)，如圖2、3所示。
本發(fā)明的步驟104中的數(shù)學(xué)處理過(guò)程及其原理敘述如下本發(fā)明采用壓入深度測(cè)量法，通過(guò)材料試驗(yàn)機(jī)對(duì)試樣進(jìn)行加載，記錄試驗(yàn)機(jī)載荷傳感器的載荷信號(hào)，記錄額外安裝的高分辨力位移傳感器測(cè)量的壓針位移，從而獲得壓針壓入和拔出試樣過(guò)程中的載荷-位移曲線。利用載荷-位移曲線，再通過(guò)一定的計(jì)算(見(jiàn)下文)即可得到被測(cè)材料的壓入硬度和壓入模量。
如圖7所示，橫坐標(biāo)代表壓入試樣的深度h(即位移h)，縱坐標(biāo)代表作用在壓針上的荷載P；圖7中的兩條曲線分別為加載曲線和卸載曲線；Pmax為最大載荷；hmax為對(duì)應(yīng)于Pmax的壓痕深度，即最大壓入深度；hf為殘余壓入深度；hc是接觸深度，如圖6所示；ε是與壓針類(lèi)型相關(guān)的幾何常數(shù)；S為接觸剛度。
為了從P-h曲線(載荷-位移曲線)中計(jì)算出硬度和模量，首先應(yīng)根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)建立卸載過(guò)程深度與荷載的關(guān)系P＝B(h-hf)m(4)式中，B、hf和m為擬合參數(shù)。通常，用最小二乘法擬合卸載曲線頂部的25％到50％。
接觸剛度S根據(jù)式(4)的微分算出S=(dPdh)|h=hmax=Bm(h-hf)m-1|h=hmax---(5)]]>在得到接觸剛度S后，可以計(jì)算出最大荷載時(shí)的接觸深度hchc=hmax-hs=hmax-ϵPmaxS---(6)]]>式中的系數(shù)ε僅與壓針的形狀有關(guān)。力學(xué)研究人員已經(jīng)通過(guò)理論計(jì)算得出，對(duì)于圓錐壓針，ε＝2(π-2)/π；對(duì)圓柱壓針ε＝1.00；對(duì)旋轉(zhuǎn)拋物體壓針ε＝0.75。值得注意的是，式(6)只適用于接觸深度小于壓入深度的情況，不能說(shuō)明凸起的塑性現(xiàn)象。
再接著計(jì)算出接觸面積，接觸面積由面積函數(shù)A＝f(hc)確定，有時(shí)也稱(chēng)為壓針的形狀函數(shù)。對(duì)于理想玻氏壓針，A=24.56hc2,]]>理想維氏壓針，A=24.50hc2.]]>由于加工缺陷和使用磨損，壓針端部往往偏離理想情況，所以需要建立面積函數(shù)來(lái)修正。ISO 14577明確指出，當(dāng)壓痕深度＞6μm時(shí)，可以把壓針看成理想形狀。
得到接觸面積A后，就可以由(3)式計(jì)算出材料的硬度HIT。
從加卸載曲線還可以得到材料的模量。1965年，Sneddon對(duì)任意形狀軸對(duì)稱(chēng)的剛性壓針與彈性半空間的彈性接觸問(wèn)題進(jìn)行了分析，如圖8所示，給出了載荷和壓針壓入深度之間的關(guān)系。其中，當(dāng)壓針端部為圓柱時(shí)，有下面的關(guān)系存在
P=2Ea1-υ2h---(7)]]>式中，P為載荷；E為被測(cè)材料的彈性模量；υ為被測(cè)材料的泊松比；h為壓入的彈性位移。接觸投影面積A可以簡(jiǎn)單表示為πa2，則a=Aπ.]]>式(7)兩邊對(duì)壓入深度h進(jìn)行求導(dǎo)得dPdh=2πAE(1-υ2)---(8)]]>該式雖然是由圓柱壓針推導(dǎo)出來(lái)，但已經(jīng)被證明可以用到側(cè)面由光滑函數(shù)描述的旋轉(zhuǎn)體壓針，而不依賴(lài)于壓針的幾何形狀。
但是，壓針在壓入過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生彈性變形附加在測(cè)量位移中，因此計(jì)算硬度和模量時(shí)需要考慮這部分變形的影響。習(xí)慣引入復(fù)合模量Er，作為壓針與試樣彈性變形的復(fù)合響應(yīng)。
1Er=(1-υ2)E+(1-υi2)Ei---(9)]]>式中Ei，υi分別為壓針的彈性模量和泊松比，對(duì)于普遍采用的金剛石壓針，其彈性模量為1141GPa，泊松比為0.07。由此，式(8)變?yōu)閐Pdh=2πAEr---(10)]]>式(9)和式(10)不依賴(lài)于壓針的幾何形狀，也不依賴(lài)于材料的突起(pile-up)或凹陷(sink-in)行為。由(9)和(10)聯(lián)立可以求出材料的模量E。
本實(shí)施例中，為適于采用本發(fā)明提供的改進(jìn)測(cè)試方法，對(duì)傳統(tǒng)材料試驗(yàn)機(jī)的改進(jìn)敘述如下圖1所示的為在原材料試驗(yàn)機(jī)上，設(shè)置的改進(jìn)部分示意圖，整個(gè)改進(jìn)部分包括1-位移傳感器、2-位移傳感器的電極板、3-測(cè)量電極板。
本實(shí)施例中，采用Instron5848材料試驗(yàn)機(jī)，該材料試驗(yàn)機(jī)為馬達(dá)驅(qū)動(dòng)，通過(guò)測(cè)量作用軸位移來(lái)計(jì)量試樣變形，通過(guò)串聯(lián)載荷傳感器來(lái)測(cè)量載荷。這種結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)特點(diǎn)決定了在進(jìn)行壓痕測(cè)試時(shí)，其測(cè)量的位移必然包括載荷傳感器和作用軸等連接件的變形，而不是壓針壓入試樣的真實(shí)位移。因此該種試驗(yàn)機(jī)本身無(wú)法采用壓入深度測(cè)量法來(lái)進(jìn)行壓痕測(cè)試，必須對(duì)其進(jìn)行改進(jìn)。
參照?qǐng)D1，在本實(shí)施例中采用Instron5848microtester型號(hào)的材料試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行改進(jìn)，制作一本發(fā)明的具有改進(jìn)的壓痕測(cè)試功能的測(cè)試系統(tǒng)。
Instron5848microtester型號(hào)的材料試驗(yàn)機(jī)為加載機(jī)構(gòu)。位移傳感器1為電容式高分辨力位移傳感器，或光學(xué)類(lèi)非接觸式位移傳感器，其上帶有一電極板2；制作一個(gè)測(cè)量電極板3并將其固定安裝在壓針4上，本實(shí)施例中，測(cè)量電極板3為鋁質(zhì)圓板，其直徑比傳感器電極板2大至少10mm，其厚度為2mm，保持測(cè)量電極板3和傳感器電極板2的平行；傳感器電極板2和樣品臺(tái)一側(cè)固連，樣品臺(tái)8安裝在材料試驗(yàn)機(jī)的底座上，試樣7固定安裝在樣品臺(tái)8上，測(cè)試面向上。
電容式高分辨力位移傳感器1的測(cè)量原理為兩電極板相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)電容的變化和距離變化之間在某種程度上為線性關(guān)系。該位移傳感器測(cè)量測(cè)量位移時(shí)需要具備兩個(gè)電極板，傳感器本身已經(jīng)有一個(gè)電極板2，為了測(cè)量壓針的位移，制作一個(gè)測(cè)量電極板3固定安裝在壓針上，保持測(cè)量電極板和傳感器電極板的平行。當(dāng)壓針移動(dòng)時(shí)，測(cè)量電極板和傳感器電極板之間的電容發(fā)生變化，使得電容式位移傳感器的輸出電壓信號(hào)發(fā)生改變，將該信號(hào)傳給計(jì)算機(jī)就可以換算為位移信號(hào)。由于測(cè)量電極板安裝在壓針上，傳感器電極板和樣品臺(tái)固連，這樣就可以保證電容式位移傳感器測(cè)量的位移為壓針壓入試樣的位移，而與材料試驗(yàn)機(jī)作用軸的變形以及載荷傳感器的變形無(wú)關(guān)。
理論上講，位移傳感器的安裝方式已經(jīng)可以保證測(cè)量的位移為壓針壓入試樣的位移，但是實(shí)際操作中發(fā)現(xiàn)，如果樣品臺(tái)的剛度不夠大的話，在壓針壓入試樣的過(guò)程中，會(huì)使樣品臺(tái)產(chǎn)生翹曲，從而影響位移測(cè)量的準(zhǔn)確性。為此，需將樣品臺(tái)直接固連在材料試驗(yàn)機(jī)的底座上，并且要采用大剛度金屬材料制作(本實(shí)施例中采用鋼)。
本實(shí)施例中對(duì)傳統(tǒng)的材料試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行的改進(jìn)，雖然采用了電容式位移傳感器作為壓針位移測(cè)量裝置，但同樣可以采用其它非接觸式位移傳感器來(lái)直接測(cè)量壓針位移，如光柵尺、光纖位移傳感器、電渦流位移傳感器，這是本專(zhuān)業(yè)領(lǐng)域的技術(shù)人員容易理解的。
權(quán)利要求
1.一種材料試驗(yàn)機(jī)的壓痕測(cè)試功能的改進(jìn)方法，其特征是，包括以下步驟(a)在材料試驗(yàn)機(jī)的載荷傳感器下方安裝好壓針，在樣品臺(tái)上安裝非接觸式高分辨力位移傳感器，開(kāi)動(dòng)材料試驗(yàn)機(jī)對(duì)試樣進(jìn)行加載；(b)通過(guò)材料試驗(yàn)機(jī)的載荷傳感器和非接觸式高分辨力位移傳感器獲得壓針壓入和拔出試樣過(guò)程中的加卸載位移-載荷曲線；(c)對(duì)步驟(b)得到的位移-載荷曲線，按照力學(xué)模型進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，擬合卸載部分得出壓針的接觸深度，得出壓痕的接觸投影面積，進(jìn)而計(jì)算出壓入硬度；擬合卸載段的接觸剛度，得出材料的壓入模量。
2.按權(quán)利要求1所述的材料試驗(yàn)機(jī)的壓痕測(cè)試功能的改進(jìn)方法，其特征是，所述步驟(b)中，包括以下步驟(b1)用帶有信號(hào)采集模塊的計(jì)算機(jī)采集材料試驗(yàn)機(jī)的載荷傳感器信號(hào)，同時(shí)采集本材料試驗(yàn)機(jī)上設(shè)置的非接觸式高分辨力位移傳感器的信號(hào)；(b2)將采集到的信號(hào)換算得到載荷和位移值；(b3)由步驟(b2)中載荷和位移值得到壓針壓入和拔出試樣過(guò)程中的加卸載位移-載荷曲線。
3.按權(quán)利要求2所述的材料試驗(yàn)機(jī)的壓痕測(cè)試功能的改進(jìn)方法，其特征是，所述步驟(c)中，還包括在數(shù)據(jù)處理前進(jìn)行的調(diào)零步驟，該步驟為從步驟(b3)中得到的原始加卸載曲線上人為找到載荷剛開(kāi)始不為零的點(diǎn)，然后強(qiáng)行指定該點(diǎn)為接觸零點(diǎn)。
4.一種材料試驗(yàn)機(jī)的改進(jìn)裝置，包括材料試驗(yàn)機(jī)；其特征在于，還包括一直接固定安裝在試驗(yàn)機(jī)底座上的樣品臺(tái)，該樣品臺(tái)采用整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，無(wú)間隙；一安裝于材料試驗(yàn)機(jī)樣品臺(tái)上的非接觸式位移傳感器。
5.按權(quán)利要求4所述的材料試驗(yàn)機(jī)的改進(jìn)裝置，其特征在于，所述非接觸式位移傳感器為電容式位移傳感器，光柵尺、光纖位移傳感器或電渦流位移傳感器。
6.按權(quán)利要求5所述的材料試驗(yàn)機(jī)的改進(jìn)裝置，其特征在于，所述電容式位移傳感器包括位移傳感器1、位移傳感器的電極板2、測(cè)量電極板3；其中材料試驗(yàn)機(jī)的作用軸4的下端安裝有一載荷傳感器5，壓針6安裝在一載荷傳感器5的下部，壓針6上安裝有測(cè)量電極板3；位移傳感器1固定在樣品臺(tái)8一側(cè)，測(cè)量電極板3與位移傳感器1上的電極板2平行，測(cè)量電極板3與電容式位移傳感器的電極板2形成電容；材料試驗(yàn)機(jī)的底座上設(shè)置樣品臺(tái)8，其上放置被測(cè)試樣7。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種材料試驗(yàn)機(jī)的壓痕測(cè)試功能改進(jìn)方法及其改進(jìn)裝置，該改進(jìn)方法是測(cè)出加卸載位移—載荷曲線，然后按照壓入深度測(cè)量法進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，得到硬度和模量；材料試驗(yàn)機(jī)的改進(jìn)裝置還包括一直接固定安裝在試驗(yàn)機(jī)底座上的樣品臺(tái)；一安裝于材料試驗(yàn)機(jī)樣品臺(tái)上的非接觸式位移傳感器。采用上述技術(shù)方案，可以直接測(cè)量壓針壓入試樣的位移，使得測(cè)出的加卸載過(guò)程中的位移～載荷曲線更加真實(shí)。本發(fā)明可以同時(shí)獲得被測(cè)材料的硬度和模量，并可實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)載荷隨壓入深度的變化情況。另外，本發(fā)明不需要對(duì)殘余壓痕面積進(jìn)行成像測(cè)量，減小了誤差，同時(shí)真正實(shí)現(xiàn)了壓完壓痕即可得到結(jié)果。
文檔編號(hào)G01N3/40GK1752736SQ20041007824
公開(kāi)日2006年3月29日 申請(qǐng)日期2004年9月21日 優(yōu)先權(quán)日2004年9月21日
發(fā)明者張?zhí)┤A, 郇勇, 劉東旭, 楊業(yè)敏 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院力學(xué)研究所