CN112834373A - 一种压痕测试装置压头倾斜角度的确定方法及系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种压痕测试装置压头倾斜角度的确定方法及系统。该方法包括：将圆锥压头安装于压痕测试装置中，并在材料上进行压痕测试；测量压痕的残余深度；对压痕进行图像采集，得到压痕图像；基于所述压痕图像，确定压痕的形状；当所述压痕的形状为圆形时，确定所述圆锥压头的倾斜角度为0；当所述压痕的形状为椭圆形时，测量所述压痕的长轴，基于所述压痕的长轴、残余深度以及圆锥压头的圆锥角，计算所述圆锥压头的倾斜角度。本发明提供的压痕测试装置压头倾斜角度的确定方法及系统解决了现有技术中测试方法单一、测试仪器操作不便且测量结果不精确的问题，对后续材料力学性能计算公式的修正具有重大意义。

Description

一种压痕测试装置压头倾斜角度的确定方法及系统
技术领域
本发明涉及压入仪器精度修正领域，特别是涉及一种压痕测试装置压头倾斜角度的确定方法及系统。
背景技术
仪器化压入测试技术主要是通过连续记录载荷和压入深度从而获得载荷-位移关系曲线，最终通过分析曲线获得被测材料的硬度和弹性模量等参数。目前纳米压痕测试已经可以获得硬度、弹性模量、应力-应变曲线、断裂韧性、蠕变特性、疲劳特性、粘附性等参数。但是倾斜对载荷位移曲线和相应的通过纳米压痕测量的力学性能结果有很大的影响。压痕测试仪器是具有多种功能的复杂仪器，因此也就存在多种潜在因素引起压头与试件表面之间的倾斜，进而导致测试误差。例如：压头安装单元不垂直、轴定位平台安装不垂直、机架安装不垂直、定位平台安装不垂直、试件制备或安装不平整等，这些因素最终都会导致压头与试件表面之间的倾斜。此外，仪器的机架柔度、压头的几何误差及与轴的安装误差等等也是导致压头与试件表面倾斜的潜在因素。倾斜会导致接触面积和接触刚度增加，最终导致材料的弹性模量和硬度被高估。目前市场上的压入仪器一般很少去校准倾斜角度，究其原因是缺乏很好的倾斜角度测试方案，且已有的测试方法应用局限性很高。
发明内容
本发明的目的是提供一种应用范围广、精度高的压痕测试装置压头倾斜角度的确定方法及系统。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
一种压痕测试装置压头倾斜角度的确定方法，包括：
将圆锥压头安装于压痕测试装置中，并在材料上进行压痕测试；
测量压痕的残余深度；
对压痕进行图像采集，得到压痕图像；
基于所述压痕图像，确定压痕的形状；
当所述压痕的形状为圆形时，确定所述圆锥压头的倾斜角度为0°；
当所述压痕的形状为椭圆形时，测量所述压痕的长轴，基于所述压痕的长轴、残余深度以及圆锥压头的圆锥角，计算所述圆锥压头的倾斜角度。
可选的，所述基于所述压痕的长轴、残余深度以及圆锥压头的圆锥角，计算所述圆锥压头的倾斜角度，具体包括：
根据
Figure BDA0002879082750000021
计算残余深度hp处所对应的圆锥压头的直径b，其中，
Figure BDA0002879082750000022
为圆锥压头的圆锥角；
根据
Figure BDA0002879082750000023
计算所述圆锥压头的倾斜角度θ，其中，a为压痕的长轴。
可选的，采用光学显微镜或者金相显微镜采集所述压痕的图像。
可选的，采用压痕测试装置自带的光学成像系统采集所述压痕的图像。
可选的，所述圆锥压头为洛氏圆锥压头。
本发明还提供了一种压痕测试装置压头倾斜角度的确定系统，包括：
压痕测试模块，用于将圆锥压头安装于压痕测试装置中，并在材料上进行压痕测试；
残余深度测量模块，用于测量压痕的残余深度；
压痕图像采集模块，用于对压痕进行图像采集，得到压痕图像；
压痕形状确定模块，用于基于所述压痕图像，确定压痕的形状；
倾斜角度确定模块，用于当所述压痕的形状为圆形时，确定所述圆锥压头的倾斜角度为0°；当所述压痕的形状为椭圆形时，测量所述压痕的长轴，基于所述压痕的长轴、残余深度以及圆锥压头的圆锥角，计算所述圆锥压头的倾斜角度。
可选的，所述倾斜角度确定模块，具体包括：
理想压痕直径计算单元，用于根据
Figure BDA0002879082750000024
计算残余深度hp处所对应的圆锥压头的直径b，其中，
Figure BDA0002879082750000031
为圆锥压头的圆锥角；
倾斜角度计算单元，用于根据
Figure BDA0002879082750000032
计算所述圆锥压头的倾斜角度θ，其中，a为压痕的长轴。
可选的，所述系统还包括：光学显微镜或者金相显微镜，用于采集所述压痕的图像。
可选的，所述系统还包括：压痕测试装置自带的光学成像系统，用于采集所述压痕的图像。
可选的，所述圆锥压头为洛氏圆锥压头。
根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：本发明提供的压痕测试装置压头倾斜角度的确定方法及系统通过压痕测试装置获得材料在圆锥压头下的压痕形貌，然后通过高放大倍数的显微镜测量得出压痕形貌的长轴长度，然后通过压头的压入深度计算得出其在垂直情况下的直径长度，与其长轴长度进行比较计算可以得出仪器的倾斜角度。解决了现有技术方案中测试方法应用局限性高、测试仪器操作不便且测量结果不精确的情况，对后续材料力学性能计算公式的修正具有重大意义。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例1提供的压痕测试装置压头倾斜角度的确定方法大的恶流程示意图；
图2为本发明实施例1中圆锥压头的剖面示意图；
图3为本发明实施例2提供的压痕测试装置压头倾斜角度的确定系统的结构示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
实施例1
参见图1，本实施例提供了一种压痕测试装置压头倾斜角度的确定方法，该方法包括以下步骤：
步骤101：将圆锥压头安装于压痕测试装置中，并在材料上进行压痕测试；
步骤102：测量压痕的残余深度；
步骤103：对压痕进行图像采集，得到压痕图像，其中，可以采用压痕测试装置自带的光学成像系统，也可以采用高倍数的光学显微镜或者金相显微镜采集压痕图像；
步骤104：基于压痕图像，确定压痕的形状；
步骤105：当压痕的形状为圆形时，确定圆锥压头的倾斜角度为0°；
步骤106：当压痕的形状为椭圆形时，测量压痕的长轴，基于压痕的长轴、残余深度以及圆锥压头的圆锥角，计算圆锥压头的倾斜角度。
在本实施例中，通过压痕测试装置，安装圆锥压头，设置好压入深度h，选取较软的材料进行压痕测试，得出材料在相应压痕深度下的压痕形貌。在显微镜下得出其放大的形貌图，将其图片导出。由于圆锥压头垂直压入的压痕形貌图为圆形，而倾斜压入的压痕形貌图为形状规则的椭圆形，根据截面椭圆的长轴长度与其所对应的圆锥内部的直径以及任意一个角度值，可由正余弦定理计算得出该斜截面的角度，即可以根据圆锥压头下的压痕形貌推测出压痕的倾斜角度。具体的计算方法如下：
根据
Figure BDA0002879082750000041
计算残余深度hp处所对应的圆锥压头的直径b，其中，
Figure BDA0002879082750000042
为圆锥压头的圆锥角；根据
Figure BDA0002879082750000043
计算圆锥压头的倾斜角度θ，其中，a为压痕的长轴。
以锥角为120°的洛氏圆锥压头为例，参见图2，根据所设置好压入深度h进行压入实验，得到实际残余深度hp，通过已知的圆锥压痕锥角，通过公式
Figure BDA0002879082750000051
计算得出在非倾斜状态下所得的圆形压痕形貌直径
Figure BDA0002879082750000052
在高倍显微镜下，得到椭圆形压痕形貌长轴a。根据圆锥压痕锥角120°可以计算得到直径b与长轴a所围三角形的顶角为150°，由正弦定理
Figure BDA0002879082750000053
可以求出倾斜角度
Figure BDA0002879082750000054
实施例2
参见图3，本实施例提供了一种压痕测试装置压头倾斜角度的确定系统，该系统包括：
压痕测试模块301，用于将圆锥压头安装于压痕测试装置中，并在材料上进行压痕测试，其中，圆锥压头可以采用锥角为120°的洛氏圆锥压头；
残余深度测量模块302，用于测量压痕的残余深度；
压痕图像采集模块303，用于对压痕进行图像采集，得到压痕图像，其中，可以采用压痕测试装置自带的光学成像系统，也可以采用高倍数的光学显微镜或者金相显微镜采集压痕图像；
压痕形状确定模块304，用于基于压痕图像，确定压痕的形状；
倾斜角度确定模块305，用于当压痕的形状为圆形时，确定圆锥压头的倾斜角度为0°；当压痕的形状为椭圆形时，测量压痕的长轴，基于压痕的长轴、残余深度以及圆锥压头的圆锥角，计算圆锥压头的倾斜角度。
其中，倾斜角度确定模块305，具体包括：
理想压痕直径计算单元，用于根据
Figure BDA0002879082750000055
计算残余深度hp处所对应的圆锥压头的直径b，其中，
Figure BDA0002879082750000056
为圆锥压头的圆锥角；
倾斜角度计算单元，用于根据
Figure BDA0002879082750000061
计算圆锥压头的倾斜角度θ，其中，a为压痕的长轴。
本发明通过压痕测试装置获得材料在圆锥压头下的压痕形貌，然后通过高放大倍数的显微镜测量得出压痕形貌的长轴长度，然后通过压头的压入深度计算得出其在垂直情况下的直径长度，与其长轴长度进行比较计算可以得出仪器的倾斜角度。解决了现有技术方案中测试方法应用局限性高、测试仪器操作不便且测量结果不精确的情况，对后续材料力学性能计算公式的修正具有重大意义。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的系统而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (10)

1.一种压痕测试装置压头倾斜角度的确定方法，其特征在于，包括：
将圆锥压头安装于压痕测试装置中，并在材料上进行压痕测试；
测量压痕的残余深度；
对压痕进行图像采集，得到压痕图像；
基于所述压痕图像，确定压痕的形状；
当所述压痕的形状为圆形时，确定所述圆锥压头的倾斜角度为0°；
当所述压痕的形状为椭圆形时，测量所述压痕的长轴，基于所述压痕的长轴、残余深度以及圆锥压头的圆锥角，计算所述圆锥压头的倾斜角度。
2.根据权利要求1所述的压痕测试装置压头倾斜角度的确定方法，其特征在于，所述基于所述压痕的长轴、残余深度以及圆锥压头的圆锥角，计算所述圆锥压头的倾斜角度，具体包括：
根据
Figure FDA0002879082740000011
计算残余深度hp处所对应的圆锥压头的直径b，其中，
Figure FDA0002879082740000012
为圆锥压头的圆锥角；
根据
Figure FDA0002879082740000013
计算所述圆锥压头的倾斜角度θ，其中，a为压痕的长轴。
3.根据权利要求1所述的压痕测试装置压头倾斜角度的确定方法，其特征在于，采用光学显微镜或者金相显微镜采集所述压痕的图像。
4.根据权利要求1所述的压痕测试装置压头倾斜角度的确定方法，其特征在于，采用压痕测试装置自带的光学成像系统采集所述压痕的图像。
5.根据权利要求1所述的压痕测试装置压头倾斜角度的确定方法，其特征在于，所述圆锥压头为洛氏圆锥压头。
6.一种压痕测试装置压头倾斜角度的确定系统，其特征在于，包括：
压痕测试模块，用于将圆锥压头安装于压痕测试装置中，并在材料上进行压痕测试；
残余深度测量模块，用于测量压痕的残余深度；
压痕图像采集模块，用于对压痕进行图像采集，得到压痕图像；
压痕形状确定模块，用于基于所述压痕图像，确定压痕的形状；
倾斜角度确定模块，用于当所述压痕的形状为圆形时，确定所述圆锥压头的倾斜角度为0°；当所述压痕的形状为椭圆形时，测量所述压痕的长轴，基于所述压痕的长轴、残余深度以及圆锥压头的圆锥角，计算所述圆锥压头的倾斜角度。
7.根据权利要求6所述的压痕测试装置压头倾斜角度的确定系统，其特征在于，所述倾斜角度确定模块，具体包括：
理想压痕直径计算单元，用于根据
Figure FDA0002879082740000021
计算残余深度hp处所对应的圆锥压头的直径b，其中，
Figure FDA0002879082740000022
为圆锥压头的圆锥角；
倾斜角度计算单元，用于根据
Figure FDA0002879082740000023
计算所述圆锥压头的倾斜角度θ，其中，a为压痕的长轴。
8.根据权利要求6所述的压痕测试装置压头倾斜角度的确定系统，其特征在于，所述系统还包括：光学显微镜或者金相显微镜，用于采集所述压痕的图像。
9.根据权利要求6所述的压痕测试装置压头倾斜角度的确定系统，其特征在于，所述系统还包括：压痕测试装置自带的光学成像系统，用于采集所述压痕的图像。
10.根据权利要求6所述的压痕测试装置压头倾斜角度的确定系统，其特征在于，所述圆锥压头为洛氏圆锥压头。
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钟月曦 等: "倾斜对单晶铜压痕行为影响的试验研究", 《电子技术与软件工程》 *

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