CN2729689Y - 一种利用压入方式对材料力学性能进行测试的装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及利用压入方式对材料力学性能进行测试的仪器。该测试仪包括计算机的信号发生模块经由功率放大器与测试仪主机相连，信号采集模块与测试仪主机相连；主机底座上固定两根立柱，顶端安有横梁，横梁上设提升机构，其下端与移动架垂直连接；移动架与立柱滑动配合，并可锁紧在立柱上；移动架下底面安装电磁驱动机构，其内的电磁线圈和作用轴固连，作用轴下端设有安装附件的接口，一高分辨力位移传感器安装在电磁驱动机构框架内框上；底座上安装样品台。由于采用电磁驱动，并采用高分辨力信号发生卡控制驱动信号，使得载荷分辨力得以大幅度提高；另外，电磁驱动方式避免了马达驱动所带来的振动噪声问题，这是目前常规硬度计无法实现的。

Description

一种利用压入方式对材料力学性能进行测试的装置

技术领域

本实用新型涉及一种用于测试材料力学性能的仪器，具体的说，涉及一种利用压入方式对材料力学性能进行测试的仪器。

背景技术

目前，用于测试材料硬度的硬度计，其结构为载荷传感器和马达驱动，相应的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

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

式中，P_max为最大载荷，A_residual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

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

式中，α为维氏压针对面夹角，136°。

在过去的100多年里，这种靠残余压痕成像(即用显微镜或扫描电镜等设备对残余压痕进行观察)后，测量压痕尺寸计算硬度的方式广泛用在各工业部门。现在，针对不同的压针试验都有相关的标准可参考，其硬度值的换算均有表可查。

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，用压入法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，当压痕非常浅时，可能要借助于电子扫描电镜(SEM)或扫描探针显微镜(SPM)成像，这样硬度的测试就会变得很麻烦。第三，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。第四，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，出现了一种新的硬度试验方法——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。计算硬度H_IT

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

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_residual是接触面积，按照国际标准ISO 14577的称法，其定义的硬度称为显微硬度(microhardness)；而A(h_c)是与P_max对应时刻的接触投影面积，这里将后者定义的硬度称为压入硬度(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。压入深度测量方法不但可以获得材料的硬度，还可以利用加卸载曲线获得材料的弹性模量。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)。

目前，在宏观尺度和显微尺度的硬度测试领域(即现在工业界最常用的硬度测试)，现有的硬度测试仪器由于自身结构设计特点而无法应用压入深度测量法，因此，迫切需要研制一种新的用压入方式对材料力学性能进行测试的仪器。

发明内容

本实用新型的目的在于克服现有技术的不足，提供一种采用电磁驱动方式设计的仪器，能够同时测量出试样硬度和模量，并且大大降低了仪器噪声，提高了仪器测量精度的利用压入方式对材料力学性能进行测试的装置。

为达到上述目的，本实用新型提供的利用压入方式对材料力学性能进行测试的装置，包括计算机、测试仪主机、功率放大器；其中测试仪主机通过功率放大器与计算机电连接；其特征在于：所述的计算机含有信号发生模块和信号采集模块；所述的测试仪主机包含一由底座9上固定两根立柱7，其立柱7上安装一移动架5，移动架5与立柱7滑动配合，立柱7顶端安装一上横梁8组成的主机机架1；一安装在底座9上的样品台2，该样品台2安装有高度调节机构；一安装在上横梁8上的提升机构6，该提升机构6的末端与移动架5垂直连接；一安装在移动架5下底面的电磁驱动机构4，该电磁驱动机构4包括一封闭圆筒，其底面留有一圆孔的驱动机构框架22；一块做成圆桶，并在圆桶中心具有一圆柱的，剖面为“m”形的磁钢13，其圆柱和圆桶之间留有间隙，其磁钢13上端固定在框架22内顶面下；一线圈支架23上缠绕线圈14，该线圈支架23插入磁钢13的圆柱和圆桶的间隙内；线圈支架23底端固连一作用轴11，该作用轴11下端设有安装附件的接口，并可从驱动机构框架22底面圆孔通过；一分为上下两层的悬浮弹簧组12的、分别安装在作用轴(11)与驱动机构框架(22)之间，其中弹簧一端与框架22的内侧壁相固连，另一端与作用轴11相连；一安装在电磁驱动机构框架22底面上侧靠近作用轴11处的高分辨力位移传感器15，高分辨力位移传感器15与计算机的信号采集模块连接；所述的计算机中的信号发生模块经由功率放大器与测试仪主机相连，信号采集模块与测试仪主机直接相连。

所述的利用压入方式对材料力学性能进行测试的装置，其中测试仪主机中的提升机构6包括手轮21和与其相互固连的金属螺杆20，螺杆20穿过上横梁8的螺孔，并与该螺孔相配合，螺杆20一端与移动架5垂直相连。

所述的样品台2包括一用螺栓固定安装在测试仪主机底座中央的载物台外套18，该载物台外套中间有一通孔19，通孔的侧壁开槽24，槽的两侧由螺栓25连接，松紧该螺栓可以微调通孔的内径；一垂直插入通孔并与通孔构成间隙配合的圆柱状载物台，其侧壁的靠上的部分有螺纹，靠下的部分光滑；一通过载物台16上部的螺纹和载物台连接，上部开有椭圆形槽的试样压紧螺帽，该螺帽外圆滚花。

所述的利用压入方式对材料力学性能进行测试的装置，其电磁驱动机构中的磁钢13采用钕铁硼磁性材料制作，磁钢在充磁装置上充磁并进行老化处理。

所述的利用压入方式对材料力学性能进行测试的装置，其电磁驱动机构中的作用轴11为一金属轴，在该作用轴11安装附件的接口上安装压针10。

所述的利用压入方式对材料力学性能进行测试的装置，其电磁驱动机构中的线圈支架23采用铝制材料制作。

采用上述技术方案，使得本实用新型与现有技术相比具有很大的优越性，可以实时获得加卸载过程中的位移～载荷曲线。由于采用电磁加载方式，可以采用信号发生模块产生的高分辨力电信号作为驱动信号，使得该测试仪的载荷分辨力得以大幅度提高。并且电磁驱动的方式避免了马达驱动所带来的振动噪声问题，试验操作更为方便，这是目前常规硬度计无法实现的。

附图说明

图1是本实用新型测试仪组成示意图；

图2是本实用新型测试仪主机结构图；

图3本实用新型测试仪主机中的电磁驱动机构结构图；

图4是试验得到的工业纯铝L2的典型加卸载曲线；

图5是试验得到的工业纯铝L2的压入硬度测试结果；

图6是试验得到的工业纯铝L2的压入模量测试结果；

图7是典型压痕的变形模型；

图8是典型压痕的加卸载曲线；

图9是Sneddon的分析模型；

图10本实用新型测试仪中样品台的剖面图；

图11本实用新型测试仪中样品台的俯视图；

图12本实用新型测试仪测试方法流程图。

具体实施方式

下面结合附图和一个优选实施例对本实用新型进行详细说明：

参照图1，制做一本实用新型测试仪，整个系统包括含信号发生模块和信号采集模块的计算机、功率放大器和测试仪主机。

其中，信号发生模块和信号采集模块可采用市场上已有的信号发生卡和信号采集卡，在本实施例中，信号发生模块为阿尔泰公司的PCI2007A，信号采集模块为凌华公司的DAQ2006。

功率放大器也可采用市场上已有的产品，在本实施例中，采用扬州无线电二厂的YE5872。

测试仪主机的结构如图2所示，包括：金属结构的主机机架1、样品台2、电磁驱动机构4、提升机构6。其中主机机架1包括：一个底座9、两个固定安装在底座9上的立柱7、一个安装在两个立柱7上的移动架5、一个固定安装在两个立柱7顶部的上横梁8，该上横梁8为中央有一螺孔的金属板。移动架5与两个立柱7滑动配合，其上安装有调节高度的固定机构，例如在移动架上开有螺孔，通过一根螺钉固定，使得移动架5可以在立柱7上定位锁紧。提升机构6包括手轮21和与其相互固连的金属螺杆20，螺杆20穿过上横梁8的螺孔，并与该螺孔相配合，螺杆20一端与移动架5垂直相连。提升机构6可以通过手轮的旋转带动移动架5沿两个立柱7上下移动。样品台2安装在主机机架1的底座9上，它含有高度调节机构，该样品台2的结构将在下文中详述。电磁驱动机构4固定安装在移动架5下底面。

其中，电磁驱动机构4的结构如图3所示，包括：用金属制做的圆筒状的驱动机构框架22、作用轴11、线圈支架23、悬浮弹簧组12、磁钢13、线圈14、高分辨力位移传感器15。其中驱动机构框架22底面留有一圆孔，可供作用轴11通过，该框架22的顶端固定在移动架5的下底面。磁钢13是采用钕铁硼磁性材料制作的，磁钢在充磁装置上充磁后，经过老化处理，将保持高度稳定的磁感应强度。磁钢13的形状设计成一个圆柱体磁极外套一与其同轴的圆桶的结构，该圆柱体磁极与圆桶之间留有间隙，可供线圈支架23插入，磁钢13沿直径的剖面为“m”形，磁钢13上端固定在框架22顶面的下侧。线圈支架23为一金属桶状物，其底部与作用轴11的顶端固连，上端套放在磁钢13的圆柱体磁极上。为减轻重量，线圈支架23可采用铝制材料。线圈14缠绕在线圈支架23上。作用轴11为一金属轴，其下端设有安装附件的接口，根据测试需要可选择安装不同的附件。在本实施例中，作用轴11上安装压针10。悬浮弹簧组12分为上下两层，每一层至少由3根弹簧组成，分别安装在作用轴(11)与驱动机构框架(22)之间，其横向刚度约为105N/m，其纵向刚度为150N/m；其一端与框架22的内侧壁相固连，另一端与作用轴11相连。悬浮弹簧组12可以采用铜片做的一体化的膜片弹簧，也可以采用金属丝拉紧形式。作用轴11可以由悬浮弹簧组12支撑，它在水平方向上的运动受到限制，在竖直方向上可以自由运动。高分辨力位移传感器15为非接触式测量装置，安装在电磁驱动机构框架22底面上侧靠近作用轴11处。作用轴11下可以固定压针10。

如图10和11所示，测试仪主机中，样品台2包括载物台外套18、圆柱状载物台16、试样压紧螺帽17。载物台外套18用螺栓21固定安装在底座中央，载物台外套18中间为通孔19，圆柱状载物台16(其上部有一段螺纹，下部光滑)垂直插入其中，和通孔构成间隙配合；通孔的侧壁开槽24，槽的两侧由螺栓连接，松紧螺栓可以微调通孔的内径，从而达到抱紧载物台的目的。调节高度时，拧松螺栓，上下调节载物台的高度，确定位置后，再拧紧螺栓，抱死载物台。试样压紧螺帽通过载物台侧壁上部的螺纹和载物台连接，其上部开有椭圆形槽，以露出试样的被测表面；试样压紧螺帽外圆滚花，便于手动操作。安装试样时，只需要将试样测试面向上放置在载物台上表面中央，拧紧试样压紧螺帽，便可将试样牢固固定在载物台上。这种设计不仅可以保证试样在安装和高度调节操作后仍可以保持被测表面的水平，而且安装和拆卸操作都极为方便。

进行测试前，如图2、图3所示，先将被测试样3固定在载物台上，测试面向上。调节载物台的高低位置，使得试样处于压针的工作行程之内。如果试样比较大，可以通过提升机构6调节移动架5的高度，同样可以使得试样处于压针的工作行程之内。这些准备工作做完后，开始进行测试。

图12示出了本实用新型一个优选实施例的测试方法的流程图，具体步骤如下所述：

在步骤101中，由计算机控制信号发生模块产生驱动信号。其大小是由试验所需要的最大载荷决定的。

在步骤102中，步骤101中产生的驱动信号通过功率放大器进行放大，使其能够产生足够的载荷。放大后输出一电流信号；

在步骤103中，经功率放大器放大后输出的电流信号驱动测试仪主机运动。在图3中，磁钢13中圆桶与圆柱间隙处的磁场可近似为均匀磁场，其磁力线为水平径向。线圈14置于磁钢13的形成的均匀磁场中，当放大后的电流信号通过线圈14时，线圈14受到一个竖直向下的电磁力作用，从而带动作用轴11向下运动，将压针10压入被测材料。

在步骤104中，信号采集模块采集位移和线圈的驱动信号。线圈的驱动信号是用信号采集模块(在线圈上)采集的通过线圈的电流信号，位移信号是用信号采集模块采集的位移传感器的输出信号，本实施例中为电容式位移传感器的输出电压信号。

在步骤105中，步骤104中采集到的信号通过换算得到压针10的位移值和载荷值。其中位移值通过步骤104中采集到的位移信号得到，载荷值通过采集到的线圈的驱动电流信号得到。根据电磁学理论可知，载荷值与磁场强度、线圈中通过的电流以及线圈总长度(即线圈每圈周长乘以匝数)成正比，当磁场强度和线圈总长度已定时，测得线圈中通过的电流即可算出载荷值的大小。

在步骤106中，判断是否符合试验条件。该试验条件为：载荷是否达到试验开始时的设定值，或位移是否达到开始时的设定值，或试验持续时间是否达到试验开始时的设定值。若判断为是，进入步骤107；若判断为否，回到步骤101重新开始测试。

在步骤107中，按照力学模型对测得的位移值和载荷值进行计算，其原理及具体步骤将在下文详述。

在步骤108中，通过步骤107的计算，得到被测材料的压入硬度与压入模量，并输出计算结果，测试工作结束。

步骤107中，按照力学模型对测得的位移值和载荷值进行计算的原理及其步骤如下：

在前面的步骤中，用计算机的信号采集模块采集线圈上的驱动信号，通过换算可以得到施加在试样上的载荷；位移的大小用高分辨率位移传感器记录；这样就可以得到加卸载过程中的位移-载荷曲线，如图4所示，然后对数据进行处理(其原理将在下文中详述)，就可以获得被测试样的压入硬度和压入模量等力学参数，如图5、6所示。

通过控制测试仪的驱动电流信号而直接对被测试样进行加载，通过高分辨力位移传感器测量试样的压入深度，从而获得试样的载荷—位移曲线。利用载荷—位移曲线，再通过一定的计算即可得到被测材料的压入硬度和压入模量。

如图8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8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7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。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，需要考虑压针缺陷对接触面积的影响，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9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。

本实用新型提供的利用压入方式对材料力学性能进行测试的装置虽然特别适用于利用压入深度测量法对材料力学性能进行测试，但也同样适用于利用传统的残余压痕成像法测量材料硬度，这是本领域的专业技术人员容易理解的。

Claims (6)

1.一种利用压入方式对材料力学性能进行测试的装置，包括计算机、测试仪主机、功率放大器；其中测试仪主机通过功率放大器与计算机电连接；其特征在于：所述的计算机含有信号发生模块和信号采集模块；所述的测试仪主机包含一由底座(9)上固定两根立柱(7)，其立柱(7)上安装一移动架(5)并与立柱(7)滑动配合，立柱(7)顶端安装一上横梁(8)组成的主机机架(1)；一安装在底座(9)上的样品台(2)，该样品台(2)安装有高度调节机构；一安装在上横梁上的提升机构(6)，该提升机构(6)的末端与移动架(5)垂直连接；一安装在移动架(6)下底面的电磁驱动机构(4)，该电磁驱动机构(4)包括一封闭圆筒，其底面留有一圆孔的驱动机构框架(22)；一个剖面为“m”形的圆柱状磁钢(13)，其圆柱和圆桶之间留有间隙，其磁钢(13)上端固定在框架(22)内顶面下；一线圈支架(23)上缠绕线圈(14)，该线圈支架(23)插入磁钢(13)的圆柱和圆桶的间隙内；线圈支架(23)底端固连一作用轴(11)，该作用轴(11)下端设有安装附件的接口，并可从驱动机构框架(22)的底面圆孔通过；一分为上下两层的、安装在作用轴(11)与驱动机构框架(22)之间的弹簧组；一安装在电磁驱动机构框架(22)内底面上，并靠近作用轴(11)处的高分辨力位移传感器(15)。

2.按权利要求1所述的利用压入方式对材料力学性能进行测试的装置，其特征在于：所述的提升机构(6)包括手轮(21)和与其相固连的金属螺杆(20)，螺杆(20)穿过上横梁(8)的螺孔，并与该螺孔相配合，螺杆(20)的另一端与移动架(5)垂直相连。

3.按权利要求1所述的利用压入方式对材料力学性能进行测试的装置，其特征在于：所述的样品台(2)包括一用螺栓固定安装在测试仪主机底座中央的载物台外套(18)，该载物台外套(18)中间有一通孔(19)，通孔(19)的侧壁开槽(24)，槽的两侧由螺栓(25)连接，松紧该螺栓可以微调通孔的内径；一垂直插入通孔(19)并与通孔构成间隙配合的圆柱状载物台(16)，载物台(16)上端有一段螺纹，下端光滑；其上端螺纹与试样压紧螺帽(17)螺合，该螺帽外圆滚花。

4.按权利要求1所述的利用压入方式对材料力学性能进行测试的装置，其特征在于：所述的磁钢(13)采用钕铁硼磁性材料制作。

5.按权利要求1所述的利用压入方式对材料力学性能进行测试的装置，其特征在于：所述的作用轴(11)为一金属轴，还包括在该作用轴(11)的安装附件的接口上安装压针(10)。

6.按权利要求1所述的利用压入方式对材料力学性能进行测试的装置，其特征在于：所述的电磁驱动机构中的线圈支架(23)采用铝制材料制作。

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