原位微納米壓痕/劃痕測試平臺及測試方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及機(jī)電一體化精密科學(xué)儀器領(lǐng)域，特別涉及一種原位微納米壓痕/劃痕 測試平臺及測試方法。在鋼鐵冶金、有色金屬、無機(jī)非金屬、材料科學(xué)、固體力學(xué)、生物醫(yī)學(xué) 工程、航空航天等領(lǐng)域具有重要的科學(xué)意義和良好的應(yīng)用前景。
【背景技術(shù)】
[0002] 隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和電子顯微學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，原位微納米力學(xué)測試技術(shù)應(yīng)用而 生。原位壓痕/劃痕測試技術(shù)的顯著優(yōu)勢在于可實(shí)現(xiàn)壓痕/劃痕過程的實(shí)時在線觀測，進(jìn) 而研宄載荷作用下材料表面的變形、損傷機(jī)理。國內(nèi)外對材料力學(xué)性能原位測試的研宄還 處于開發(fā)探索階段，但是由于發(fā)達(dá)國家的起步較早，研宄相對比較深入，領(lǐng)先于國內(nèi)該領(lǐng)域 的研宄。在原位力學(xué)測試方面，比較典型的包括微柱壓縮、微結(jié)構(gòu)拉伸、微彎曲等測試，針對 三維試件的原位力學(xué)測試研宄，目前僅見于瑞士聯(lián)邦理工學(xué)院Michler和R. Rabe、日本東 北大學(xué)W. Gao和本項(xiàng)目組等開展的工作?，F(xiàn)有的儀器也都存在著一定的缺點(diǎn)，而且國內(nèi)外 關(guān)于定量的劃痕實(shí)驗(yàn)?zāi)壳斑€鮮有報(bào)道。所以，研制具有大行程、高精度、結(jié)構(gòu)緊湊、低成本的 原位壓痕/劃痕測試平臺依然具有廣泛的需求。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] 本發(fā)明的目的在于提供一種原位微納米壓痕/劃痕測試平臺及測試方法，解決了 現(xiàn)有原位劃痕測試技術(shù)存在的無法定量檢測劃痕過程法向力、切向力的問題，為更好的研 宄材料磨損機(jī)制、去除機(jī)理、劃痕力波動等提供依據(jù)。本發(fā)明結(jié)構(gòu)具有緊湊、小型化、一體化 的特點(diǎn)，在克服了現(xiàn)有測試平臺無法定量檢測劃痕過程法向力、切向力的不足的同時，更好 的保證裝配精度，有效提升整體的剛度和動態(tài)特性，提升了整體的測試精度。本測試平臺的 位移分辨率達(dá)到納米級，加載力分辨率達(dá)到亞微牛級，測試平臺可獨(dú)立使用測試材料的硬 度、彈性模量、蠕變特性等基本力學(xué)參數(shù)。特別是測試平臺與掃描電子顯微鏡具有良好的結(jié) 構(gòu)兼容性、真空兼容性和電磁兼容性，可安裝在掃描電子顯微鏡真空腔內(nèi)，實(shí)現(xiàn)對特征尺寸 毫米級以上三維試件的原位微納米壓痕/劃痕測試，借助掃描電子顯微鏡動態(tài)監(jiān)測壓入力 (或劃痕力）作用下被測樣品材料的微觀變形行為和損傷機(jī)制。本發(fā)明將在材料科學(xué)、固體 力學(xué)、生物醫(yī)學(xué)、鋼鐵冶金等領(lǐng)域具有廣闊的發(fā)展前景和應(yīng)用價(jià)值。
[0004] 本發(fā)明的上述目的通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)： 原位微納米壓痕/劃痕測試平臺，包括X軸精密劃痕單元、Y軸大行程粘滑驅(qū)動器劃 痕組件、Z軸宏動調(diào)整機(jī)構(gòu)、精密壓入驅(qū)動單元與位移信號檢測單元、載荷信號檢測單元，其 中，所述X軸精密劃痕單元和Y軸大行程粘滑驅(qū)動器劃痕組件裝配在底座16尾部，Z軸宏 動調(diào)整機(jī)構(gòu)裝配在底座16中部，電機(jī)驅(qū)動單元裝配在底座16頭部，精密壓入驅(qū)動與位移信 號檢測單元安裝在Z軸宏動調(diào)整機(jī)構(gòu)上，檢測壓痕壓入力和劃痕法向力、切向力的精密三 軸力傳感器22安裝在X軸精密劃痕單元上。
[0005] 所述的底座16通過鑄造實(shí)現(xiàn)一體成型式結(jié)構(gòu)，然后進(jìn)行機(jī)械加工，更好的保證裝 配精度，有效提升整體的剛度和動態(tài)特性，提升整體的測試精度。
[0006] 所述的X軸精密劃痕單元包括柔性鉸鏈I 18和壓電疊堆I 17,所述柔性鉸鏈 I 18的凹槽內(nèi)部安裝有壓電疊堆I 17,使載物臺23和精密三軸力傳感22在豎直方向上的 位置，實(shí)現(xiàn)沿X軸方向的精密劃痕功能。
[0007] 所述的Y軸大行程粘滑驅(qū)動器劃痕組件包括精密導(dǎo)軌滑塊I 20、柔性鉸鏈II、 III 19、32和壓電疊堆II、111 31、33,所述精密導(dǎo)軌滑塊I 20和柔性鉸鏈II、111 19、32分別安 裝在底座16上，柔性鉸鏈11、11119、32的凹槽內(nèi)部分別安裝有壓電疊堆11、11131、33，柔性 鉸鏈ΙΙ、ΠΙ19、32輸出端與精密導(dǎo)軌滑塊I 20側(cè)面實(shí)現(xiàn)間隙配合，通過調(diào)整壓電疊堆II、 III 31、33的鋸齒波電壓實(shí)現(xiàn)劃痕方向與劃痕速度的控制，實(shí)現(xiàn)沿Y軸方向的大行程劃痕過 程，及實(shí)現(xiàn)壓痕點(diǎn)的更換。
[0008] 所述的Z軸宏動調(diào)整機(jī)構(gòu)包括安裝座15、連接件II 14、螺桿29、螺母30和精密導(dǎo) 軌滑塊11、11113、28、伺服電機(jī)1、蝸桿1、113、8、蝸輪1、115、6、螺桿支撐座12等，所述安 裝座15和螺母30分別安裝在連接件II 14上，連接件II 14安裝在精密導(dǎo)軌滑塊II、111 13、 28上，精密導(dǎo)軌滑塊II、ΙΙΙ 13、28安裝在底座16上；伺服電機(jī)1安裝在底座16上，平行布 置于精密導(dǎo)軌滑塊II、111 13、28的右側(cè)，減小測試平臺的長度尺寸，伺服電機(jī)1驅(qū)動轉(zhuǎn)矩經(jīng) 由蝸桿I 3、蝸桿II 8和蝸輪15、蝸輪II 6的兩級減速增扭后，帶動螺桿29將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動轉(zhuǎn)化 為安裝座15的直線運(yùn)動，實(shí)現(xiàn)Z軸方向金剛石壓頭24位置的宏動調(diào)整。
[0009] 所述的精密壓入驅(qū)動單元與位移信號檢測單元包括金剛石壓頭24、壓頭連接件 26和壓電陶瓷促動器27,所述金剛石壓頭24通過壓頭連接件26與壓電陶瓷促動器27連 接，壓電陶瓷促動器27固定在安裝座15上，壓電陶瓷促動器27自身帶有閉環(huán)位移反饋功 能，以檢測金剛石壓頭24的壓入深度。
[0010] 所述的載荷信號檢測單元包括載物臺23、精密三軸力傳感器22和連接件I 21，所 述載物臺23安裝在精密三軸力傳感器22上，精密三軸力傳感器22安裝在連接件I 21上， 可以定量檢測壓痕壓入力和劃痕法向力、切向力，在壓痕過程中，將檢測到的載荷信號作為 反饋信號對壓電疊堆驅(qū)動電源進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制。
[0011] 本發(fā)明的另一目的在于提供一種原位微納米壓痕/劃痕測試方法，校準(zhǔn)與試驗(yàn)過 程包括以下步驟； a) 將測試平臺裝配好，連接好相應(yīng)線路，標(biāo)定力傳感器和位移傳感器； b) 將試件通過熔融石蠟粘貼到載物臺23上，用平頭圓柱代替金剛石壓頭，調(diào)整沿Z軸 方向的宏動調(diào)整機(jī)構(gòu)，在預(yù)載荷IOOmN基礎(chǔ)上，模擬壓痕過程，對測試數(shù)據(jù)的加載段進(jìn)行處 理，通過二次多項(xiàng)式擬合得到了壓入深度A與載荷的平方根之間的關(guān)系式，初步確定測試 平臺的機(jī)架柔度，確保無裝配誤差； c) 安裝金剛石壓頭24,分載荷進(jìn)行多次壓痕實(shí)驗(yàn)，確保測試平臺重復(fù)性良好； d) 由于測試平臺小型化造成機(jī)架柔度問題，分載荷進(jìn)行校準(zhǔn)機(jī)架柔度G，利用參考材 料熔融石英進(jìn)行壓痕，根據(jù)機(jī)架柔度公式1
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種原位微納米壓痕/劃痕測試平臺，其特征在于：包括X軸精密劃痕單元、Y軸大 行程粘滑驅(qū)動器劃痕組件、Z軸宏動調(diào)整機(jī)構(gòu)、精密壓入驅(qū)動單元與位移信號檢測單元、載 荷信號檢測單元，其中，所述X軸精密劃痕單元和Y軸大行程粘滑驅(qū)動器劃痕組件裝配在底 座（16)尾