CN1752736A - 材料试验机的压痕测试功能改进方法及其改进装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种材料试验机的压痕测试功能改进方法及其改进装置，该改进方法是：测出加卸载位移—载荷曲线，然后按照压入深度测量法进行数据处理，得到硬度和模量；材料试验机的改进装置还包括一直接固定安装在试验机底座上的样品台；一安装于材料试验机样品台上的非接触式位移传感器。采用上述技术方案，可以直接测量压针压入试样的位移，使得测出的加卸载过程中的位移～载荷曲线更加真实。本发明可以同时获得被测材料的硬度和模量，并可实时监测载荷随压入深度的变化情况。另外，本发明不需要对残余压痕面积进行成像测量，减小了误差，同时真正实现了压完压痕即可得到结果。

Description

材料试验机的压痕测试功能改进方法及其改进装置

技术领域

本发明涉及一种材料力学性能测试方法及其测试装置，具体的说，涉及一种材料试验机的压痕测试功能改进方法及其改进装置。

背景技术

目前，用于测试材料力学性能的材料试验机，多采用载荷传感器测量载荷，驱动方式多为马达驱动，虽然具有拉伸、压缩、弯曲、剪切、扭转等功能，但不擅长进行压痕试验以获得材料的硬度等力学参数。虽然现在有一些材料试验机可以装配压针进行硬度测试，但需要在压痕试验后对残余压痕进行成像以测量残余压痕表面积来计算硬度。这种测量方法和工业界普遍采用的硬度计所采用的方法是一样的。具体计算硬度的方法是通过测量残余压痕的对角线或直径的长度，然后换算成残余压痕表面积，进而得到硬度值H

$H=\frac{P_{\max }}{A_{\mathrm{restdual}}}---\left(1\right)$

式中，P_max为最大载荷，A_restdual为完全卸载后的残余压痕表面积。残余压痕面积是根据具体压针的几何形状来计算。例如，对于维氏压针(Vickers)，残余压痕面积与压痕对角线长度d存在下面关系

$A_{\mathrm{restdual}}=\frac{d^2}{2\sin \frac{\mathrm{\α}}{2}}---\left(2\right)$

式中，α为维氏压针对面夹角，136°。

随着现代材料表面工程(气相沉积、溅射、离子注入、高能束表面改性、表面纳米化、热喷涂等)、微电子、集成微光机电系统、生物和医学材料的发展，试样本身、改性层或涂层厚度越来越小。因此，用压痕测试来研究这些材料的力学性能时，传统的硬度试验遇到了难以克服的困难。第一，并不是所有材料的都有明显的残余压痕边界，对于这类材料将难以确定残余压痕对角线的起始点。第二，很多硬度计，特别是在对残余压痕成像的时候都是由人工操作，这无疑会给测量结果带来人为误差。第三，传统方法不能实时反映出加卸载过程中材料力学性能的变化情况。

近二十年来，力学研究人员发展了一种应用范围更广的硬度试验方法——压入深度测量法(depth-sensing indentation)。该方法将在压针加卸载过程中的载荷和深度连续记录下来，如图8，通过对加卸载曲线的分析得到材料的力学参数。其硬度H_IT的计算公式为：

$H_{\mathrm{IT}}=\frac{P_{\max }}{A\left(h_c\right)}---\left(3\right)$

该式与式(1)非常相似，只是面积所表示的内容不同，式(1)中的A_restdual是残余压痕中的接触面积，其定义的硬度称为显微硬度(micro hardness)；而A(h_c)是与P_max对应时刻的压痕接触投影面积，这里称其定义的硬度为压入硬度(indentation hardness)，见式(3)。A(h_c)的计算无需对残余压痕进行成像，而是将接触面积表示为压痕深度的函数，即面积函数A＝f(h_c)，h_c从加卸载曲线得到。这种测量硬度的方法称为压入深度测量法。

压入深度测量方法不但可以获得材料的硬度，还可以利用P-h曲线的卸载部分获得材料的模量。这里，为了与拉伸或压缩试验得到的模量相区别，将其称之为压入模量(indentation modulus)。

但是，由于传统的材料试验机多为马达驱动，通过计量马达旋转的圈数来计量作用轴的位移，或者用位移传感器直接测量作用轴位移(例如Instron5848)，通过串联载荷传感器来测量载荷。这种结构设计特点决定了在进行压痕测试时，其测量的位移必然包括载荷传感器和作用轴等的变形，某些试验机甚至包括机械传动间隙，而不是压针压入试样的真实位移。因此该种试验机本身无法采用压入深度测量法来进行压痕测试，必须对其进行改进。

由此可见，压入深度测量法是对材料进行压痕测试的一种极有应用前景的方法，而材料试验机已经是工业界普遍采用的一种材料力学性能测试仪器，有着广泛的用户基础。因此将该种方法应用到传统材料试验机将会大大拓宽材料试验机的功能，并且这一功能也是常规的硬度计无法实现的。

发明内容

本发明的目的是为了拓宽常规材料试验机的功能，提供一种可以不需要对压痕进行成像测量就能获得材料的硬度和模量的测试方法，并可实时监测试样性质随压入深度的变化情况。

本发明提供的材料试验机的压痕测试功能的改进方法，包括以下步骤：

(a)在材料试验机的载荷传感器下方安装好压针，在样品台上安装非接触式高分辨力位移传感器，开动材料试验机对试样进行加载；

(b)通过材料试验机的载荷传感器和非接触式高分辨力位移传感器获得压针压入和拔出试样过程中的加卸载位移-载荷曲线；

(c)对步骤(b)得到的位移-载荷曲线，按照力学模型进行数据处理，拟合卸载部分得出压针的接触深度，得出压痕的接触投影面积，进而计算出压入硬度；拟合卸载段的接触刚度，得出材料的压入模量。

所述步骤(b)中，包括以下步骤：

(b1)用带有信号采集模块的计算机采集材料试验机的载荷传感器信号，同时采集本材料试验机上设置的非接触式高分辨力位移传感器的信号；

(b2)将采集到的信号换算得到载荷和位移值；

(b3)由步骤(b2)中载荷和位移值得到压针压入和拔出试样过程中的加卸载位移-载荷曲线。

所述步骤(c)中，还包括调零步骤，该步骤为：在步骤(b3)中得到的原始加卸载曲线上人为找到载荷刚开始不为零的点，然后强行指定该点为接触零点。

采用上述技术方案，使得本发明与现有技术相比具有很大的优越性。由于采用非接触的方式测量位移，使得位移的测量不会对载荷的测量造成任何影响，并且由于用高分辨力位移传感器直接测量压针根部位移，避免了原材料试验机连接部分刚度过小造成的位移测量误差，从而获得真实的加卸载过程中的位移～载荷曲线。这是进行材料力学性能测试的首要的一步。更重要的是，由于采用压入深度测量法来处理试验数据，因此不仅可以获得被测材料的硬度，而且可以获得模量，这是目前常规硬度计也无法实现的。和常规硬度测试相比，本发明不需要再对残余压痕面积进行成像测量，因而排除了人为观察和显微镜成像系统可能导致的误差，使得测量更为准确可靠。并且实验操作更为方便，真正实现了压完压痕即可得到结果。

为达到上述目的，本发明提供的材料试验机改进装置包括：材料试验机；其特征在于：还包括一直接固定安装在试验机底座上的样品台，该样品台采用整体结构设计，无间隙；一安装于材料试验机样品台上的非接触式位移传感器。

所述非接触式位移传感器为电容式位移传感器，光栅尺、光纤位移传感器或电涡流位移传感器。

所述电容式位移传感器包括：位移传感器1、位移传感器的电极板2、测量电极板3；其中材料试验机的作用轴4的下端安装有一载荷传感器5，压针6安装在一载荷传感器5的下部，压针6上安装有测量电极板3；位移传感器1固定在样品台8一侧，测量电极板3与位移传感器1上的电极板2平行，测量电极板3与电容式位移传感器的电极板2形成电容；材料试验机的底座上设置样品台8，其上放置被测试样7。

传统材料试验机经上述改进后，能够采用压入深度测量法测试材料的力学性能。利用非接触式位移传感器，排除了测试过程中作用轴、载荷传感器的形变带来的影响，从而提高了位移测量结果的精确度。若非接触式位移传感器采用电容式位移传感器，压针移动时，测量电极板和传感器电极板之间的电容发生变化，使得电容式位移传感器的输出电压信号发生改变，将该信号传给计算机就可以换算为位移信号。由于测量电极板安装在压针上，传感器电极板和样品台固连，这样就可以保证电容式位移传感器测量的位移为压针压入试样的位移，而与材料试验机作用轴的变形以及载荷传感器的变形无关。

附图说明

图1是材料试验机的改进部分示意图；

图2是试验测得的原始加卸载位移-载荷曲线图；

图3是经过零点修正后加卸载位移-载荷曲线图；

图4是试验得到的工业纯铝L2的压入硬度测试结果；

图5是试验得到的工业纯铝L2的压入模量测试结果；

图6是典型压痕的变形模型；

图7是典型压痕的加卸载曲线；

图8是Sneddon的分析模型。

图9是本发明提供的材料试验机的压痕测试功能改进方法的流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的优选实施例进行详细说明：

本发明提供的材料试验机压痕测试功能的改进测试方法的流程如图9所示，其具体步骤如下：

步骤100：将试样固定安装在样品台上，测试面向上，在载荷传感器下方安装好压针，在样品台上安装一非接触式位移传感器，开动材料试验机对试样进行加载。

步骤101：用计算机的信号采集模块采集材料试验机的载荷传感器信号以及本发明中额外附加的非接触式高分辨力位移传感器的信号。

步骤102：采集到的载荷传感器信号和位移传感器的信号经过换算得到载荷和位移值。

步骤103：由换算得到载荷和位移值得到压针压入和拔出试样过程中的位移-载荷曲线。

步骤104：根据步骤103得出的位移-载荷曲线，按照力学模型进行数据处理，其原理与过程将在下文中祥述。

步骤105：最后得出被测试样的压入硬度和压入模量等力学参数，如图4、5所示。

在步骤104中，由试验直接采集到的原始数据得出的加卸载位移-载荷曲线的起点可能不是压针和试样表面的接触零点，此时需要调零。从原始加卸载曲线上人为找到载荷刚开始不为零的点，然后强行指定该点为接触零点，如图2、3所示。

本发明的步骤104中的数学处理过程及其原理叙述如下：

本发明采用压入深度测量法，通过材料试验机对试样进行加载，记录试验机载荷传感器的载荷信号，记录额外安装的高分辨力位移传感器测量的压针位移，从而获得压针压入和拔出试样过程中的载荷-位移曲线。利用载荷-位移曲线，再通过一定的计算(见下文)即可得到被测材料的压入硬度和压入模量。

如图7所示，横坐标代表压入试样的深度h(即位移h)，纵坐标代表作用在压针上的荷载P；图7中的两条曲线分别为加载曲线和卸载曲线；P_max为最大载荷；h_max为对应于P_max的压痕深度，即最大压入深度；h_f为残余压入深度；h_c是接触深度，如图6所示；ε是与压针类型相关的几何常数；S为接触刚度。

为了从P-h曲线(载荷-位移曲线)中计算出硬度和模量，首先应根据试验数据建立卸载过程深度与荷载的关系

                        P＝B(h-h_f)^m                     (4)

式中，B、h_f和m为拟合参数。通常，用最小二乘法拟合卸载曲线顶部的25％到50％。

接触刚度S根据式(4)的微分算出

$S=\left(\frac{\mathrm{dP}}{\mathrm{dh}}\right){|}_{h=h_{\max }}=\mathrm{Bm}{(h-h_f)}^{m-1}{|}_{h=h_{\max }}---\left(5\right)$

在得到接触刚度S后，可以计算出最大荷载时的接触深度h_c

$h_c=h_{\max }-h_s=h_{\max }-\mathrm{\ϵ}\frac{P_{\max }}{S}---\left(6\right)$

式中的系数ε仅与压针的形状有关。力学研究人员已经通过理论计算得出，对于圆锥压针，ε＝2(π-2)/π；对圆柱压针ε＝1.00；对旋转抛物体压针ε＝0.75。值得注意的是，式(6)只适用于接触深度小于压入深度的情况，不能说明凸起的塑性现象。

再接着计算出接触面积，接触面积由面积函数A＝f(h_c)确定，有时也称为压针的形状函数。对于理想玻氏压针， $A={24.56h}_c^2,$ 理想维氏压针， ${A=24.50h}_c^2.$ 由于加工缺陷和使用磨损，压针端部往往偏离理想情况，所以需要建立面积函数来修正。ISO 14577明确指出，当压痕深度＞6μm时，可以把压针看成理想形状。

得到接触面积A后，就可以由(3)式计算出材料的硬度H_IT。

从加卸载曲线还可以得到材料的模量。1965年，Sneddon对任意形状轴对称的刚性压针与弹性半空间的弹性接触问题进行了分析，如图8所示，给出了载荷和压针压入深度之间的关系。其中，当压针端部为圆柱时，有下面的关系存在

$P=\frac{2\mathrm{Ea}}{1-{\mathrm{\υ}}^2}h---\left(7\right)$

式中，P为载荷；E为被测材料的弹性模量；υ为被测材料的泊松比；h为压入的弹性位移。接触投影面积A可以简单表示为πa²，则 $a=\sqrt{\frac{A}{\mathrm{\π}}}.$ 式(7)两边对压入深度h进行求导得

$\frac{\mathrm{dP}}{\mathrm{dh}}=\frac{2}{\sqrt{\mathrm{\π}}}\sqrt{A}\frac{E}{(1-{\mathrm{\υ}}^2)}---\left(8\right)$

该式虽然是由圆柱压针推导出来，但已经被证明可以用到侧面由光滑函数描述的旋转体压针，而不依赖于压针的几何形状。

但是，压针在压入过程中会产生弹性变形附加在测量位移中，因此计算硬度和模量时需要考虑这部分变形的影响。习惯引入复合模量E_r，作为压针与试样弹性变形的复合响应。

$\frac{1}{E_r}=\frac{(1-{\mathrm{\υ}}^2)}{E}+\frac{(1-{{\mathrm{\υ}}_i}^2)}{E_i}---\left(9\right)$

式中E_i，υ_i分别为压针的弹性模量和泊松比，对于普遍采用的金刚石压针，其弹性模量为1141GPa，泊松比为0.07。由此，式(8)变为：

$\frac{\mathrm{dP}}{\mathrm{dh}}=\frac{2}{\sqrt{\mathrm{\π}}}\sqrt{A}{E}_r---\left(10\right)$

式(9)和式(10)不依赖于压针的几何形状，也不依赖于材料的突起(pile-up)或凹陷(sink-in)行为。由(9)和(10)联立可以求出材料的模量E。

本实施例中，为适于采用本发明提供的改进测试方法，对传统材料试验机的改进叙述如下：

图1所示的为在原材料试验机上，设置的改进部分示意图，整个改进部分包括：1-位移传感器、2-位移传感器的电极板、3-测量电极板。

本实施例中，采用Instron5848材料试验机，该材料试验机为马达驱动，通过测量作用轴位移来计量试样变形，通过串联载荷传感器来测量载荷。这种结构设计特点决定了在进行压痕测试时，其测量的位移必然包括载荷传感器和作用轴等连接件的变形，而不是压针压入试样的真实位移。因此该种试验机本身无法采用压入深度测量法来进行压痕测试，必须对其进行改进。

参照图1，在本实施例中采用Instron5848microtester型号的材料试验机上进行改进，制作一本发明的具有改进的压痕测试功能的测试系统。

Instron5848microtester型号的材料试验机为加载机构。位移传感器1为电容式高分辨力位移传感器，或光学类非接触式位移传感器，其上带有一电极板2；制作一个测量电极板3并将其固定安装在压针4上，本实施例中，测量电极板3为铝质圆板，其直径比传感器电极板2大至少10mm，其厚度为2mm，保持测量电极板3和传感器电极板2的平行；传感器电极板2和样品台一侧固连，样品台8安装在材料试验机的底座上，试样7固定安装在样品台8上，测试面向上。

电容式高分辨力位移传感器1的测量原理为两电极板相对运动时电容的变化和距离变化之间在某种程度上为线性关系。该位移传感器测量测量位移时需要具备两个电极板，传感器本身已经有一个电极板2，为了测量压针的位移，制作一个测量电极板3固定安装在压针上，保持测量电极板和传感器电极板的平行。当压针移动时，测量电极板和传感器电极板之间的电容发生变化，使得电容式位移传感器的输出电压信号发生改变，将该信号传给计算机就可以换算为位移信号。由于测量电极板安装在压针上，传感器电极板和样品台固连，这样就可以保证电容式位移传感器测量的位移为压针压入试样的位移，而与材料试验机作用轴的变形以及载荷传感器的变形无关。

理论上讲，位移传感器的安装方式已经可以保证测量的位移为压针压入试样的位移，但是实际操作中发现，如果样品台的刚度不够大的话，在压针压入试样的过程中，会使样品台产生翘曲，从而影响位移测量的准确性。为此，需将样品台直接固连在材料试验机的底座上，并且要采用大刚度金属材料制作(本实施例中采用钢)。

本实施例中对传统的材料试验机进行的改进，虽然采用了电容式位移传感器作为压针位移测量装置，但同样可以采用其它非接触式位移传感器来直接测量压针位移，如光栅尺、光纤位移传感器、电涡流位移传感器，这是本专业领域的技术人员容易理解的。

Claims (6)

1、一种材料试验机的压痕测试功能的改进方法，其特征是，包括以下步骤：

(a)在材料试验机的载荷传感器下方安装好压针，在样品台上安装非接触式高分辨力位移传感器，开动材料试验机对试样进行加载；

(b)通过材料试验机的载荷传感器和非接触式高分辨力位移传感器获得压针压入和拔出试样过程中的加卸载位移-载荷曲线；

(c)对步骤(b)得到的位移-载荷曲线，按照力学模型进行数据处理，拟合卸载部分得出压针的接触深度，得出压痕的接触投影面积，进而计算出压入硬度；拟合卸载段的接触刚度，得出材料的压入模量。

2、按权利要求1所述的材料试验机的压痕测试功能的改进方法，其特征是，所述步骤(b)中，包括以下步骤：

(b1)用带有信号采集模块的计算机采集材料试验机的载荷传感器信号，同时采集本材料试验机上设置的非接触式高分辨力位移传感器的信号；

(b2)将采集到的信号换算得到载荷和位移值；

(b3)由步骤(b2)中载荷和位移值得到压针压入和拔出试样过程中的加卸载位移-载荷曲线。

3、按权利要求2所述的材料试验机的压痕测试功能的改进方法，其特征是，所述步骤(c)中，还包括在数据处理前进行的调零步骤，该步骤为：从步骤(b3)中得到的原始加卸载曲线上人为找到载荷刚开始不为零的点，然后强行指定该点为接触零点。

4、一种材料试验机的改进装置，包括：材料试验机；其特征在于，还包括一直接固定安装在试验机底座上的样品台，该样品台采用整体结构设计，无间隙；一安装于材料试验机样品台上的非接触式位移传感器。

5、按权利要求4所述的材料试验机的改进装置，其特征在于，所述非接触式位移传感器为电容式位移传感器，光栅尺、光纤位移传感器或电涡流位移传感器。

6、按权利要求5所述的材料试验机的改进装置，其特征在于，所述电容式位移传感器包括：位移传感器1、位移传感器的电极板2、测量电极板3；其中材料试验机的作用轴4的下端安装有一载荷传感器5，压针6安装在一载荷传感器5的下部，压针6上安装有测量电极板3；位移传感器1固定在样品台8一侧，测量电极板3与位移传感器1上的电极板2平行，测量电极板3与电容式位移传感器的电极板2形成电容；材料试验机的底座上设置样品台8，其上放置被测试样7。

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