專利名稱：一種測定材料載荷-位移曲線的壓痕裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及材料力學(xué)性能測試的裝置，具體為一種測定金屬材料載荷-位移 曲線的壓痕裝置。
背景技術(shù)：
目前測定金屬材料常規(guī)力學(xué)性能(如彈性模量、加工硬化指數(shù)、屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng) 度、硬度等)包括直接和間接法兩大類，這兩大類方法中又涉及到多種不同的材料性能測 試或估算類型，現(xiàn)有技術(shù)領(lǐng)域中金屬材料力學(xué)性能檢測方法可見下面圖示。r 標(biāo)準(zhǔn)拉伸試樣微型拉伸試樣r破壞型—％義如r單邊型 微到切—L雙孔型直接法爿微沖壓(Small punch test)「納米級壓痕金屬材料V無損型示值壓痕技術(shù)」力學(xué)性能彳rL微米級壓痕檢測方法^iawi γ裂紋廠實(shí)驗(yàn)型叫 _、”秘計(jì)腐燭間接法吣r物理模擬(如Gleeble試驗(yàn)機(jī))模擬型t、， ^ , Γ有限單元(FEA) 數(shù)值楨擬1神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(NN)在上述的方法中，尤以無損型的示值壓痕技術(shù)引人注目，它可以實(shí)時(shí)檢測材料的 表面性能而無需破壞結(jié)構(gòu)的原始狀態(tài)。以檢測涂層和脆性材料為主的納米壓痕儀出現(xiàn)較 早，然而納米壓痕儀存在環(huán)境要求高、價(jià)格昂貴、應(yīng)用受限等缺點(diǎn)而得不到廣泛的應(yīng)用，為 了克服納米壓痕儀存在的缺點(diǎn)，相關(guān)研究人員開發(fā)了毫微米級的壓痕設(shè)備。采用示值壓痕技術(shù)測量材料力學(xué)性能的方法最基本的要求是要獲得準(zhǔn)確的P_h 曲線，即能夠在壓頭壓入材料的過程中同時(shí)記錄下載荷(力)及其與之對應(yīng)深度(位移) 的變化信息。目前已出現(xiàn)多種類型的此類設(shè)備，體積重量各不相同，用途也有所區(qū)別?，F(xiàn)有的壓痕力學(xué)性能檢測裝置通常存在著體積龐大，重量重，成本較高而不適合 現(xiàn)場的應(yīng)用和工業(yè)的推廣，例如裝置由于其采用懸臂式電機(jī)加力方式，測量對象只能為小 型試樣，或者采用蝸輪蝸桿傳動(dòng)，它僅能在特別準(zhǔn)備的小試樣上測出對應(yīng)壓力下的最大深 度和卸載后殘余深度，不能記錄連續(xù)變化的載荷-位移曲線(p-h曲線)。另外現(xiàn)有技術(shù)中 采用電磁驅(qū)動(dòng)裝置或采用電磁線圈給懸臂梁加力獲得P-h曲線的裝置，其只能提供微小載 荷和納微米級位移，不適用于現(xiàn)場使用。
實(shí)用新型內(nèi)容針對現(xiàn)有技術(shù)中存在的不足，本實(shí)用新型要解決的技術(shù)問題在于提供一種便攜型 可用于現(xiàn)場檢測的測定金屬材料載荷-位移曲線的壓痕裝置。為解決上述技術(shù)問題，本實(shí)用新型的技術(shù)方案如下一種測定金屬材料載荷-位移曲線的壓痕裝置，包括機(jī)械部分和電氣控制部分， 該機(jī)械部分與該電氣控制部分通過數(shù)據(jù)傳輸線連接，其特征在于所述機(jī)械部分包括定位裝置和壓痕制造裝置，其中定位裝置位于該機(jī)械部分下端 與該機(jī)械部分上端的壓痕制造裝置通過L型連接板連接固定；[0011 ] 所述壓痕制造裝置的一端部設(shè)置有壓頭和位移傳感器，所述位移傳感器在豎直方 向與所述壓頭緊貼固定，用于測定壓頭壓入被測材料表面的位移大?。凰鰤汉壑圃煅b置 另一端安裝有步進(jìn)電機(jī)，所述步進(jìn)電機(jī)的絲杠通過一滑塊連接接頭連接一滑塊，所述壓頭 上端部固定連接一載荷傳感器，所述載荷傳感器固定在所述滑塊內(nèi)部，用于測定施加于所 述壓頭的力的大??；所述電氣控制部分包括可編程序控制器、觸摸屏、電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，其中該可編程序控 制器的輸出端連接所述電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的輸入端，所述觸摸屏與所述可編程序控制器通過信號 線連接并互通信號；所述電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的輸出端與所述機(jī)械部分的步進(jìn)電機(jī)輸入端連接，驅(qū) 動(dòng)所述步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)行；所述機(jī)械部分的載荷傳感器與位移傳感器分別通過A/D數(shù)模轉(zhuǎn)化模塊與所述可 編程序控制器的輸入端相連，并將所測的輸入至所述可編程序控制器內(nèi)；所述步進(jìn)電機(jī)采用兩相混合式直線型步進(jìn)電機(jī)。所述壓頭為金剛石材料的直徑為不大于Imm的球形壓頭。所述定位裝置由十字滑臺和固定底座組成，其中所述十字滑臺具有內(nèi)層高強(qiáng)鋁 板、中層高強(qiáng)鋁板、外層高強(qiáng)鋁板構(gòu)成的中間通透結(jié)構(gòu)，所述外層高強(qiáng)鋁板與所述固定底座 螺釘固定連接，所述內(nèi)層高強(qiáng)鋁板上端面設(shè)置有兩對X向滑臺緊固螺栓，所述中層高強(qiáng)鋁 板上端面設(shè)置有兩對Y向滑臺緊固螺栓。所述兩對Y向滑臺緊固螺栓用于固定兩根Y向不銹鋼滑柱，兩對X向滑臺緊固螺 栓用于固定兩根X向不銹鋼滑柱。所述滑塊套在所述步進(jìn)電機(jī)下端面均勻分布固定的四根導(dǎo)向柱上，所述絲杠的上 下運(yùn)動(dòng)帶動(dòng)所述滑塊沿著所述導(dǎo)向柱上下滑動(dòng)；其中所述滑塊上端面邊緣處安裝有電磁接 近開關(guān)與所述步進(jìn)電機(jī)下固定板上的磁鐵位置相對應(yīng)。所述兩相混合式直線型步進(jìn)電機(jī)內(nèi)含滾珠絲杠副，該滾珠絲杠副內(nèi)部絲母的旋轉(zhuǎn) 運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為所述絲杠的直線運(yùn)動(dòng)，所述滾珠絲杠副的螺距為1mm，采用細(xì)分驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)，最 小步進(jìn)角為0.014°，進(jìn)給分辨率為1 μ m，行程為50mm，最高速度為10mm/S，最大推力達(dá)到 1600N。所述壓頭旁固定有一電子內(nèi)窺鏡，其中所述電子內(nèi)窺鏡采用直徑為7mm，最大視場 角為88°，放大倍數(shù)為5倍的光導(dǎo)探頭。所述固定底座采用磁性表座或支架座。所述位移傳感器和所述載荷傳感器均采用線性電源供電。[0023]本實(shí)用新型具有如下的積極效果及優(yōu)點(diǎn)1.本實(shí)用新型采用兩相混合式直線型步進(jìn)電機(jī)，直接將電機(jī)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為直 線運(yùn)動(dòng)，具有結(jié)構(gòu)簡單、體積小、重量輕的優(yōu)點(diǎn)，單人可攜帶至測試現(xiàn)場；2.本實(shí)用新型采用直徑不大于Imm的金剛石球形壓頭，由于采用的金剛石球形壓 頭所使用的壓力小即可達(dá)到所需的要求，其附件尺寸和重量相應(yīng)減小，而所產(chǎn)生的壓痕深 度小于100 μ m，實(shí)現(xiàn)無損檢測的要求；3.本實(shí)用新型十字滑臺的上端面設(shè)置有八個(gè)緊固螺栓，可以避免在卸載過程中滑 柱間隙大而造成測量上的誤差；4.本實(shí)用新型加載過程中絲杠副采用螺母旋轉(zhuǎn)的方式直接推動(dòng)絲桿作直線運(yùn)動(dòng)， 防止加載過程中打滑，達(dá)到額定的設(shè)計(jì)壓力。5.本實(shí)用新型根據(jù)測量環(huán)境可選擇強(qiáng)力微調(diào)磁性表座或支架座作為固定底座，可 滿足對磁性和非磁性材料進(jìn)行測試的要求，且固定方便，體積小重量輕，方便現(xiàn)場使用。6.本實(shí)用新型采用人機(jī)界面的形式(即觸摸屏)將其與電氣控制部分直接組合到 一起，避免了外接電腦的麻煩，便于現(xiàn)場使用和實(shí)時(shí)顯示。
圖1為本實(shí)用新型結(jié)構(gòu)框圖；圖2為本實(shí)用新型機(jī)械部分定位裝置結(jié)構(gòu)示意圖；圖3為本實(shí)用新型機(jī)械部分壓痕制造裝置結(jié)構(gòu)示意圖；圖4為本實(shí)用新型電氣原理框圖；其中101、定位裝置；102、L型連接板；103、壓痕制造裝置；204、觸摸屏；10、十字 滑臺；11、X向滑臺；12、Y向滑臺緊固螺栓；13、γ向滑臺；14、Υ向滑臺緊固螺栓；15、緊固螺 孔；16、Υ向旋進(jìn)把手；17、Χ向旋進(jìn)把手；18、固定底座；21、滑塊；22、接近開關(guān)；23、導(dǎo)向柱； 24、電機(jī)下固定板；25、步進(jìn)電機(jī)；26、電機(jī)上固定板；27、風(fēng)扇；28、絲杠；29、滑塊連接頭； 30、底座板；210、載荷傳感器；211、位移傳感器；212、壓頭。
具體實(shí)施方式

以下結(jié)合附圖和實(shí)施例對本實(shí)用新型作進(jìn)一步詳細(xì)描述。如圖1-4所示，測定金屬材料載荷-位移曲線的壓痕裝置包括機(jī)械部分1和電氣 控制部分2，該機(jī)械部分1與該電氣控制部分2通過數(shù)據(jù)傳輸線連接。機(jī)械部分1為壓痕制造裝置103與定位裝置101上、下設(shè)置的結(jié)構(gòu)，定位裝置101 與壓痕制造裝置103通過L型連接板102固定連接。壓痕制造裝置103固定在定位裝置 101的十字滑臺10上，十字滑臺10上設(shè)置有緊固螺孔15，壓痕制造裝置103通過緊固螺孔 15以及L型連接板102固定在十字滑臺10上。本實(shí)施例中緊固螺孔15的數(shù)量為8個(gè)。使 用時(shí)壓痕制造裝置103利用定位裝置101定位并在被測材料表面形成壓痕；壓痕制造裝置 103與被測試材料接觸的端部設(shè)置有壓頭212和位移傳感器211，位移傳感器211在豎直方 向與壓頭212緊貼固定，用于測定壓頭212壓入被測材料表面的位移大小。隨著壓頭212 的上下運(yùn)動(dòng)，位移傳感器211采集壓頭212壓入材料的深度數(shù)據(jù)；壓痕制造裝置103具有步 進(jìn)電機(jī)25，該步進(jìn)電機(jī)25連接電氣控制部分內(nèi)的電機(jī)驅(qū)動(dòng)器并通過電機(jī)驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)，步進(jìn) 電機(jī)25的絲杠28通過一滑塊連接頭四連接一滑塊21，壓頭212上端部固定連接一載荷傳感器210，載 荷傳感器210固定在所述滑塊21內(nèi)部，用于測定施加于所述壓頭212的力的大 小，采集施加在壓頭212上的載荷數(shù)據(jù)。電氣控制部分2包括可編程序控制器、觸摸屏204、電機(jī)驅(qū)動(dòng)器。其中可編程序控 制器的輸出端連接電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的輸入端，機(jī)械部分1的載荷傳感器210與位移傳感器211 分別通過A/D數(shù)模轉(zhuǎn)化模塊與可編程序控制器的輸入端相連；觸摸屏通過信號傳輸線與所 述可編程序控制器連接。如圖2所示，定位裝置101主要由十字滑臺10和固定底座18組成，其中定位裝 置101通過固定底座18固定到待測材料表面，如果待測材料為磁性材料，則固定底座18 可以采用磁性表座，如果待測材料為非磁性材料，固定底座18還可以采用支架座固定，采 用支架座則可通過快干膠粘貼于待測材料表面，本實(shí)施例采用磁力達(dá)120kg的強(qiáng)力磁性表 座，磁性表座的為尺寸120X50X55mm，磁性表座為兩個(gè)，分別通過螺釘連接安裝在十字滑 臺10底部兩側(cè)；十字滑臺10中間為通透的結(jié)構(gòu)，以便于壓痕制造裝置103的壓頭212與待 測材料表面接觸。十字滑臺10由內(nèi)、中、外層高強(qiáng)鋁板構(gòu)成，高強(qiáng)鋁板材料采用2219商用 鋁銅合金，其中內(nèi)層高強(qiáng)鋁板作為Y向滑臺13，中層高強(qiáng)鋁板作為X向滑臺11，外層高強(qiáng)鋁 板與所述固定底座18通過螺釘固定連接，外層高強(qiáng)鋁板具有兩個(gè)相對的側(cè)面，X向旋進(jìn)把 手17穿過外層高強(qiáng)鋁板的一側(cè)面與內(nèi)層高強(qiáng)鋁板的側(cè)面上連接，中層高強(qiáng)鋁板沒有被外 層高強(qiáng)鋁板包裹的一側(cè)面上安裝有可旋進(jìn)Y向旋進(jìn)把手16，Y向旋進(jìn)把手16帶動(dòng)Y向滑臺 13沿兩根Y向不銹鋼滑柱在y向移動(dòng)，X向旋進(jìn)把手17帶動(dòng)X向滑臺11沿兩根Y向不銹 鋼滑柱在y方向的移動(dòng)。通過擰動(dòng)X向旋進(jìn)把手和Y向旋進(jìn)把手帶動(dòng)壓痕制造裝置在χ和 y方向移動(dòng)尋找測試點(diǎn)。本實(shí)施例中十字滑臺10上端面設(shè)計(jì)有緊固螺栓，其中Y向滑臺緊 固螺栓14數(shù)目為4個(gè)分別安裝在Y向滑臺13即內(nèi)層高強(qiáng)鋁板上用于固定兩根Y向不銹鋼 滑柱，保證兩根Y向不銹鋼滑柱之間間隙固定不變，X向滑臺緊固螺栓12數(shù)目為4個(gè)分別 安裝在X向滑臺11上，用于固定兩根X向不銹鋼滑柱，保證兩根X向不銹鋼滑柱之間間隙 固定不變。本實(shí)用新型實(shí)施例中所設(shè)置的緊固螺栓模式可以有效地防止在加卸載過程中滑 柱間隙造成的測量誤差。十字滑臺10的內(nèi)部高強(qiáng)鋁板上設(shè)置有緊固螺孔15，用于將壓痕制 造裝置103固定在十字滑臺10上。如圖3所示，壓痕制造裝置103主要包括滑塊21、接近開關(guān)22、導(dǎo)向柱23、電機(jī) 下固定板24、步進(jìn)電機(jī)25、電機(jī)上固定板26、風(fēng)扇27、絲杠28、滑塊連接頭29、底座板30、載 荷傳感器210、位移傳感器211、壓頭212等，壓痕制造裝置103由步進(jìn)電機(jī)25帶動(dòng)壓頭212 的上下運(yùn)動(dòng)，本實(shí)施例中步進(jìn)電機(jī)25采用兩相混合式直線型步進(jìn)電機(jī)，該步進(jìn)電機(jī)25內(nèi)含 滾珠絲杠副，該滾珠絲杠副內(nèi)部絲母的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為所述絲杠28的直線運(yùn)動(dòng)，本實(shí)施例 中內(nèi)置螺距Imm的內(nèi)旋絲桿副，最小步進(jìn)角為0.014°，進(jìn)給分辨率為1 μ m，行程為50mm， 最高速度為lOmm/s，最大推力達(dá)到1600N，該步進(jìn)電機(jī)25具有2N ·Μ扭矩，本實(shí)施例中步進(jìn) 電機(jī)25的步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器采用細(xì)分驅(qū)動(dòng)器，步進(jìn)電機(jī)25的下端的電機(jī)下固定板24的四邊角分 別通過螺母固定有導(dǎo)向柱23，導(dǎo)向柱23的另一端連接在形狀大小與電機(jī)下固定板24相對 應(yīng)的底座板30的四個(gè)邊角上，該底座板30為中間通透結(jié)構(gòu)，便于壓頭212以及位移傳感器 211的通過，導(dǎo)向柱23套有一滑塊21，該滑塊21的上端面通過滑動(dòng)連接頭29與絲杠28連 接，隨著絲杠28的上下運(yùn)動(dòng)沿著導(dǎo)向柱23上下滑動(dòng)，載荷傳感器210位于壓頭212的上端 部、滑塊連接頭29和壓頭212之間，載荷傳感器210通過螺紋與壓頭212的上端部連接固定，載荷傳感器210位于滑塊21內(nèi)部、與滑塊21固定在一起，載荷傳感器210采集施加在 壓頭212上的載荷數(shù)據(jù)。本實(shí)施例中載荷傳感器210采用盤型載荷傳感器，具有結(jié)構(gòu)小巧， 高度低，抗偏載性能好，全不銹鋼材質(zhì)，最高載荷200Kg，非線性度< 士0. 03，分辨率10g，本 實(shí)施例中壓頭212采用直徑為0. 5mm的金剛石材質(zhì)的球形壓頭，壓深小于100 μ m?；瑝K21 上端面邊緣處安裝有突出于滑塊21上端面的電磁式接近開關(guān)22，該接近開關(guān)22與步進(jìn)電 機(jī)25的電機(jī)下固定板24上的磁鐵位置相對應(yīng)。壓痕制造裝置103中的滑塊21隨著絲杠 28上下運(yùn)動(dòng)，其上設(shè)置的接近開關(guān)22作為安全措施，防止壓頭212卸載過程中一直向上運(yùn) 動(dòng)，即當(dāng)接近開關(guān)22與電機(jī)下固定板24上的磁鐵接近至2mm范圍時(shí)，電源自行斷開，絲杠 28立刻停止向上運(yùn)動(dòng)。電子內(nèi)窺鏡可以采用手持式電子內(nèi)窺鏡，也可以固定在壓頭212附 近，本實(shí)施例中電子內(nèi)窺鏡采用直 徑為7mm，最大視場角為88°，放大倍數(shù)為5倍的光導(dǎo)探 頭，手持式的電子內(nèi)窺鏡可直接放置在壓頭212旁，通過信號線連接觸摸屏204的輸入端。 本實(shí)施例中位移傳感器211采用回彈型LVDT位移傳感器，具有精度高、誤差小、移動(dòng)舒暢和 平滑等優(yōu)點(diǎn)，最大量程5mm，綜合精度0. 05%。使用時(shí)電子內(nèi)窺鏡始終緊貼固定在壓頭212 旁邊。步進(jìn)電機(jī)25的電機(jī)上固定板26的另一面上還安裝有風(fēng)扇27，防止電機(jī)過熱和傳感 器產(chǎn)生溫漂。為了實(shí)現(xiàn)本實(shí)用新型對電氣控制方面的要求，如圖4所示的電氣原理框圖?？删?程序控制器里編制好預(yù)定程序，本實(shí)用新型實(shí)施例中所編制的預(yù)定程序?yàn)樘菪螆D語言編程 編制的程序，包括模擬量輸入、模擬量標(biāo)定、手動(dòng)模式脈沖輸出、速度處理、曲線顯示處理、 數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、零點(diǎn)校準(zhǔn)與自動(dòng)模式。通過觸摸屏204往可編程序控制器中輸入?yún)?數(shù)，控制可編程序控制器按照設(shè)定頻率發(fā)出的脈沖信號給電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，該電機(jī)驅(qū)動(dòng)器依據(jù) 脈沖信號指令提供電流驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)25動(dòng)作，使步進(jìn)電機(jī)25以一定的轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)動(dòng)，經(jīng)過步進(jìn) 電機(jī)25內(nèi)部的轉(zhuǎn)換，步進(jìn)電機(jī)25驅(qū)動(dòng)絲杠28以一定速度帶動(dòng)壓頭212沿電機(jī)軸作直線運(yùn) 動(dòng)，達(dá)到對材料表面加卸載的目的。在壓頭212直線運(yùn)動(dòng)過程中，通過載荷傳感器210和位 移傳感器211測得施加于壓頭212的力的大小以及壓頭212壓入材料表面的位移大小。由 載荷傳感器210和位移傳感器211測得的是模擬信號，經(jīng)過模數(shù)轉(zhuǎn)換(A/D)輸入至可編程 序控制器內(nèi)。放置于壓頭212附近的電子內(nèi)窺鏡，通過信號線連接觸摸屏204的輸入端。工 作時(shí)電子內(nèi)窺鏡將被測部位的圖像傳至觸摸屏204中的人機(jī)界面，操作者可以通過此人機(jī) 界面觀察測試對象。觸摸屏204與可編程序控制器之間連接有信號線，可實(shí)現(xiàn)與可編程序 控制器之間信息的相互傳送。本實(shí)用新型中電氣控制部分2還包括有一開關(guān)電源，用于提供給電子內(nèi)窺鏡和驅(qū) 動(dòng)器的供電，本實(shí)施例中開關(guān)電源采用5-24V開關(guān)電源。為了保證可編程序控制器、傳感器 等器件的工作穩(wěn)定和抗干擾性，位移傳感器211和載荷傳感器210可選用線性電源，信號線 使用屏蔽線并且與動(dòng)力線相隔一段距離，本實(shí)施例中位移傳感器211和載荷傳感器210均 采用外接線性電源供電。按照本實(shí)用新型對材料的測試要求，本實(shí)施例中觸摸屏204的人機(jī)界面操作畫面 主要包括視頻調(diào)節(jié)畫面、設(shè)定畫面、測試畫面。通過觸摸屏的人機(jī)界面操作畫面上的按鍵寫 入?yún)?shù)數(shù)據(jù)輸入至可編程序控制器操作步進(jìn)電機(jī)25運(yùn)行。本實(shí)用新型通過觸摸屏204的人 機(jī)界面可設(shè)置加載脈沖頻率、卸載脈沖頻率、驅(qū)動(dòng)器細(xì)分?jǐn)?shù)、載荷上下限、位移上下限、壓力 設(shè)定值、位移設(shè)定值等，這些設(shè)定值都可以傳送至可編程序控制器，并能保存在觸摸屏204所攜帶的CF卡中。本實(shí)用新型在測試材料表面的力學(xué)性能時(shí)，首先對待測材料進(jìn)行表面處理，磨光 或者電解拋光，根據(jù)材料的性質(zhì)選擇固定底座，并將機(jī)械部分1與待測材料初步定位并固 定在所測區(qū)域，通過擰動(dòng)定位裝置101上的十字滑臺10的Y向旋進(jìn)把手16和X向旋進(jìn)把 手17帶動(dòng)壓痕制造裝置103在y、x方向移動(dòng)尋找測試點(diǎn)，配合電子內(nèi)窺鏡和人機(jī)界面畫面 觀察測試對象，調(diào)節(jié)壓頭212的定位狀況，實(shí)現(xiàn)對被測材料微區(qū)部位如焊接接頭熱影響區(qū) 的定位。定位畫面可對定位畫面實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)測。通過人機(jī)界面操作畫面輸入所需的參數(shù)， 并通過觸摸屏204傳至可編程序控制器中并保存在CF卡中，可編程序控制器控制電機(jī)驅(qū)動(dòng) 器驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)25的運(yùn)作，步進(jìn)電機(jī)25通過絲杠28帶動(dòng)壓頭212沿電機(jī)軸作直線運(yùn)動(dòng)， 實(shí)現(xiàn)對材料表面加卸載。在壓頭直線運(yùn)動(dòng)過程中，通過載荷傳感器210和位移傳感器211 測得施加于壓頭觀的力的大小以及壓頭觀壓入材料表面的位移大小，并通過可編程序控 制器輸出至觸摸屏204攜帶的CF卡中。測試結(jié)果可在觸摸屏204的人機(jī)界面中顯示。測 量完畢后，將CF卡中的數(shù)據(jù)導(dǎo)出至力學(xué)性能計(jì)算軟件中處理，得到材料微區(qū)的力學(xué)性能， 本實(shí)施例中采用Delphi 7. 0軟件編制力學(xué)性能計(jì)算軟件，將儲存卡CF卡中儲存的數(shù)據(jù)導(dǎo) 入到計(jì)算軟件便可對載荷、位移數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，從而得出材料微區(qū)的力學(xué)性能。本實(shí)用新型采用小直徑金剛石材料球形壓頭，幾乎不會(huì)對材料表面產(chǎn)生破壞，可 看作無損檢測。本實(shí)用新型的機(jī)械部分尺寸小，重量輕，單人便可攜帶至測試現(xiàn)場。通過采 用不同的固定底座形式可對不同性質(zhì)的材料檢測區(qū)域進(jìn)行測試。通過選擇適當(dāng)?shù)挠?jì)算方 法，能夠測試出材料的壓痕硬度、彈性模量、屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、應(yīng)變硬化指數(shù)等?？梢苑?便地進(jìn)行操作，獲得理想的Ρ-h曲線，可連續(xù)測量，整個(gè)操作過程不超過aiiin。適用于現(xiàn)場 測量使用。
權(quán)利要求1.一種測定金屬材料載荷-位移曲線的壓痕裝置，包括機(jī)械部分和電氣控制部分，該 機(jī)械部分與該電氣控制部分通過數(shù)據(jù)傳輸線連接，其特征在于所述機(jī)械部分為壓痕制造裝置和定位裝置上、下設(shè)置結(jié)構(gòu)，定位裝置與壓痕制造裝置 通過L型連接板連接固定；所述壓痕制造裝置的一端部設(shè)置有壓頭和位移傳感器，所述位移傳感器在豎直方向與 所述壓頭緊貼固定，用于測定壓頭壓入被測材料表面的位移大小；所述壓痕制造裝置另一 端安裝有步進(jìn)電機(jī)，所述步進(jìn)電機(jī)的絲杠通過一滑塊連接接頭連接一滑塊，所述壓頭上端 部固定連接一載荷傳感器，所述載荷傳感器固定在所述滑塊內(nèi)部，用于測定施加于所述壓 頭的力的大?。凰鲭姎饪刂撇糠职删幊绦蚩刂破?、觸摸屏、電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，其中該可編程序控制器 的輸出端連接所述電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的輸入端，所述觸摸屏與所述可編程序控制器通過信號線連 接并互通信號；所述電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的輸出端與所述機(jī)械部分的步進(jìn)電機(jī)輸入端連接，驅(qū)動(dòng)所 述步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)行；所述機(jī)械部分的載荷傳感器與位移傳感器分別通過A/D數(shù)模轉(zhuǎn)化模塊與所述可編程 序控制器的輸入端相連，并將所測的數(shù)據(jù)輸入至所述可編程序控制器內(nèi)。
2.按權(quán)利要求1所述的測定金屬材料載荷-位移曲線的壓痕裝置，其特征在于所述步 進(jìn)電機(jī)采用兩相混合式直線型步進(jìn)電機(jī)。
3.按權(quán)利要求1所述的測定金屬材料載荷-位移曲線的壓痕裝置，其特征在于所述壓 頭為金剛石材料的直徑為不大于Imm的球形壓頭。
4.按權(quán)利要求1所述的測定金屬材料載荷-位移曲線的壓痕裝置，其特征在于所述定 位裝置包括十字滑臺和固定底座，其中所述十字滑臺為具有內(nèi)層高強(qiáng)鋁板、中層高強(qiáng)鋁板、 外層高強(qiáng)鋁板構(gòu)成的中間通透結(jié)構(gòu)，所述外層高強(qiáng)鋁板與所述固定底座固定連接，所述內(nèi) 層高強(qiáng)鋁板上端面設(shè)置有兩對X向滑臺緊固螺栓，所述中層高強(qiáng)鋁板上端面設(shè)置有兩對Y 向滑臺緊固螺栓。
5.按權(quán)利要求4所述的測定金屬材料載荷-位移曲線的壓痕裝置，其特征在于兩對Y 向滑臺緊固螺栓用于固定兩根Y向不銹鋼滑柱，兩對X向滑臺緊固螺栓用于固定兩根X向 不銹鋼滑柱。
6.按權(quán)利要求1所述的測定金屬材料載荷-位移曲線的壓痕裝置，其特征在于所述滑 塊套在所述步進(jìn)電機(jī)下端面均勻分布固定的導(dǎo)向柱上，所述絲杠的上下運(yùn)動(dòng)帶動(dòng)所述滑塊 沿著所述導(dǎo)向柱上下滑動(dòng)；其中所述滑塊上端面邊緣處安裝有電磁接近開關(guān)，電磁接近開 關(guān)與所述步進(jìn)電機(jī)下固定板上的磁鐵位置相對應(yīng)。
7.按權(quán)利要求2所述的測定金屬材料載荷-位移曲線的壓痕裝置，其特征在于所述 兩相混合式直線型步進(jìn)電機(jī)內(nèi)含滾珠絲杠副，該滾珠絲杠副內(nèi)部絲母的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為 所述絲杠的直線運(yùn)動(dòng)，所述滾珠絲杠副的螺距為1mm，采用細(xì)分驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)，最小步進(jìn)角為 0.014°，進(jìn)給分辨率為1 μ m,行程為50mm，最高速度為10mm/S，最大推力達(dá)到1600N。
8.按權(quán)利要求1所述的測定金屬材料載荷-位移曲線的壓痕裝置，其特征在于所述壓 頭旁固定有一電子內(nèi)窺鏡，其中所述電子內(nèi)窺鏡采用直徑為7mm，最大視場角為88°，放大 倍數(shù)為5倍的光導(dǎo)探頭。
9.按權(quán)利要求4所述的測定金屬材料載荷-位移曲線的壓痕裝置，其特征在于所述固定底座采用磁性表座或支架座。
10.按權(quán)利要求1所述的測定金屬材料載荷-位移曲線的壓痕裝置，其特征在于所述位 移傳感器和所述載荷傳感器均采用線性電源供電。
專利摘要本實(shí)用新型涉及材料力學(xué)性能測試的裝置，具體為一種測定金屬材料載荷-位移曲線的壓痕裝置，包括機(jī)械部分和電氣控制部分，該機(jī)械部分與該電氣控制部分通過數(shù)據(jù)傳輸線連接，機(jī)械部分由定位裝置和壓痕制造裝置組成，其中壓痕制造裝置采用兩相混合式直線型步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)壓頭上下移動(dòng)，壓頭為直徑為不大于1mm的金剛石材料球形壓頭；電氣控制部分包括可編程序控制器、觸摸屏、電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，用于驅(qū)動(dòng)機(jī)械部分的步進(jìn)電機(jī)，并采集機(jī)械部分所測量的數(shù)據(jù)，可實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互；本實(shí)用新型為無損檢測裝置，具有結(jié)構(gòu)簡單、體積小、重量輕、檢測精度高、便于攜帶至測試現(xiàn)場等特點(diǎn)。
文檔編號G01N3/08GK201837561SQ20102029902
公開日2011年5月18日 申請日期2010年8月20日 優(yōu)先權(quán)日2010年8月20日
發(fā)明者張艷華, 李東旭, 胡楷雄, 陳軍, 陳懷寧, 陳靜 申請人:中國科學(xué)院金屬研究所