專利名稱：材料試驗機的壓痕測試功能改進方法及其改進裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種材料力學性能測試方法及其測試裝置，具體的說，涉及一種材料試驗機的壓痕測試功能改進方法及其改進裝置。
背景技術(shù)：
目前，用于測試材料力學性能的材料試驗機，多采用載荷傳感器測量載荷，驅(qū)動方式多為馬達驅(qū)動，雖然具有拉伸、壓縮、彎曲、剪切、扭轉(zhuǎn)等功能，但不擅長進行壓痕試驗以獲得材料的硬度等力學參數(shù)。雖然現(xiàn)在有一些材料試驗機可以裝配壓針進行硬度測試，但需要在壓痕試驗后對殘余壓痕進行成像以測量殘余壓痕表面積來計算硬度。這種測量方法和工業(yè)界普遍采用的硬度計所采用的方法是一樣的。具體計算硬度的方法是通過測量殘余壓痕的對角線或直徑的長度，然后換算成殘余壓痕表面積，進而得到硬度值HH=PmaxArestdual---(1)]]>式中，Pmax為最大載荷，Arestdual為完全卸載后的殘余壓痕表面積。殘余壓痕面積是根據(jù)具體壓針的幾何形狀來計算。例如，對于維氏壓針(Vickers)，殘余壓痕面積與壓痕對角線長度d存在下面關(guān)系A(chǔ)restdual=d22sinα2---(2)]]>式中，α為維氏壓針對面夾角，136°。
隨著現(xiàn)代材料表面工程(氣相沉積、濺射、離子注入、高能束表面改性、表面納米化、熱噴涂等)、微電子、集成微光機電系統(tǒng)、生物和醫(yī)學材料的發(fā)展，試樣本身、改性層或涂層厚度越來越小。因此，用壓痕測試來研究這些材料的力學性能時，傳統(tǒng)的硬度試驗遇到了難以克服的困難。第一，并不是所有材料的都有明顯的殘余壓痕邊界，對于這類材料將難以確定殘余壓痕對角線的起始點。第二，很多硬度計，特別是在對殘余壓痕成像的時候都是由人工操作，這無疑會給測量結(jié)果帶來人為誤差。第三，傳統(tǒng)方法不能實時反映出加卸載過程中材料力學性能的變化情況。
近二十年來，力學研究人員發(fā)展了一種應(yīng)用范圍更廣的硬度試驗方法——壓入深度測量法(depth-sensing indentation)。該方法將在壓針加卸載過程中的載荷和深度連續(xù)記錄下來，如圖8，通過對加卸載曲線的分析得到材料的力學參數(shù)。其硬度HIT的計算公式為HIT=PmaxA(hc)---(3)]]>該式與式(1)非常相似，只是面積所表示的內(nèi)容不同，式(1)中的Arestdual是殘余壓痕中的接觸面積，其定義的硬度稱為顯微硬度(micro hardness)；而A(hc)是與Pmax對應(yīng)時刻的壓痕接觸投影面積，這里稱其定義的硬度為壓入硬度(indentation hardness)，見式(3)。A(hc)的計算無需對殘余壓痕進行成像，而是將接觸面積表示為壓痕深度的函數(shù)，即面積函數(shù)A＝f(hc)，hc從加卸載曲線得到。這種測量硬度的方法稱為壓入深度測量法。
壓入深度測量方法不但可以獲得材料的硬度，還可以利用P-h曲線的卸載部分獲得材料的模量。這里，為了與拉伸或壓縮試驗得到的模量相區(qū)別，將其稱之為壓入模量(indentation modulus)。
但是，由于傳統(tǒng)的材料試驗機多為馬達驅(qū)動，通過計量馬達旋轉(zhuǎn)的圈數(shù)來計量作用軸的位移，或者用位移傳感器直接測量作用軸位移(例如Instron5848)，通過串聯(lián)載荷傳感器來測量載荷。這種結(jié)構(gòu)設(shè)計特點決定了在進行壓痕測試時，其測量的位移必然包括載荷傳感器和作用軸等的變形，某些試驗機甚至包括機械傳動間隙，而不是壓針壓入試樣的真實位移。因此該種試驗機本身無法采用壓入深度測量法來進行壓痕測試，必須對其進行改進。
由此可見，壓入深度測量法是對材料進行壓痕測試的一種極有應(yīng)用前景的方法，而材料試驗機已經(jīng)是工業(yè)界普遍采用的一種材料力學性能測試儀器，有著廣泛的用戶基礎(chǔ)。因此將該種方法應(yīng)用到傳統(tǒng)材料試驗機將會大大拓寬材料試驗機的功能，并且這一功能也是常規(guī)的硬度計無法實現(xiàn)的。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是為了拓寬常規(guī)材料試驗機的功能，提供一種可以不需要對壓痕進行成像測量就能獲得材料的硬度和模量的測試方法，并可實時監(jiān)測試樣性質(zhì)隨壓入深度的變化情況。
本發(fā)明提供的材料試驗機的壓痕測試功能的改進方法，包括以下步驟(a)在材料試驗機的載荷傳感器下方安裝好壓針，在樣品臺上安裝非接觸式高分辨力位移傳感器，開動材料試驗機對試樣進行加載；(b)通過材料試驗機的載荷傳感器和非接觸式高分辨力位移傳感器獲得壓針壓入和拔出試樣過程中的加卸載位移-載荷曲線；(c)對步驟(b)得到的位移-載荷曲線，按照力學模型進行數(shù)據(jù)處理，擬合卸載部分得出壓針的接觸深度，得出壓痕的接觸投影面積，進而計算出壓入硬度；擬合卸載段的接觸剛度，得出材料的壓入模量。
所述步驟(b)中，包括以下步驟(b1)用帶有信號采集模塊的計算機采集材料試驗機的載荷傳感器信號，同時采集本材料試驗機上設(shè)置的非接觸式高分辨力位移傳感器的信號；(b2)將采集到的信號換算得到載荷和位移值；(b3)由步驟(b2)中載荷和位移值得到壓針壓入和拔出試樣過程中的加卸載位移-載荷曲線。
所述步驟(c)中，還包括調(diào)零步驟，該步驟為在步驟(b3)中得到的原始加卸載曲線上人為找到載荷剛開始不為零的點，然后強行指定該點為接觸零點。
采用上述技術(shù)方案，使得本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有很大的優(yōu)越性。由于采用非接觸的方式測量位移，使得位移的測量不會對載荷的測量造成任何影響，并且由于用高分辨力位移傳感器直接測量壓針根部位移，避免了原材料試驗機連接部分剛度過小造成的位移測量誤差，從而獲得真實的加卸載過程中的位移～載荷曲線。這是進行材料力學性能測試的首要的一步。更重要的是，由于采用壓入深度測量法來處理試驗數(shù)據(jù)，因此不僅可以獲得被測材料的硬度，而且可以獲得模量，這是目前常規(guī)硬度計也無法實現(xiàn)的。和常規(guī)硬度測試相比，本發(fā)明不需要再對殘余壓痕面積進行成像測量，因而排除了人為觀察和顯微鏡成像系統(tǒng)可能導(dǎo)致的誤差，使得測量更為準確可靠。并且實驗操作更為方便，真正實現(xiàn)了壓完壓痕即可得到結(jié)果。
為達到上述目的，本發(fā)明提供的材料試驗機改進裝置包括材料試驗機；其特征在于還包括一直接固定安裝在試驗機底座上的樣品臺，該樣品臺采用整體結(jié)構(gòu)設(shè)計，無間隙；一安裝于材料試驗機樣品臺上的非接觸式位移傳感器。
所述非接觸式位移傳感器為電容式位移傳感器，光柵尺、光纖位移傳感器或電渦流位移傳感器。
所述電容式位移傳感器包括位移傳感器1、位移傳感器的電極板2、測量電極板3；其中材料試驗機的作用軸4的下端安裝有一載荷傳感器5，壓針6安裝在一載荷傳感器5的下部，壓針6上安裝有測量電極板3；位移傳感器1固定在樣品臺8一側(cè)，測量電極板3與位移傳感器1上的電極板2平行，測量電極板3與電容式位移傳感器的電極板2形成電容；材料試驗機的底座上設(shè)置樣品臺8，其上放置被測試樣7。
傳統(tǒng)材料試驗機經(jīng)上述改進后，能夠采用壓入深度測量法測試材料的力學性能。利用非接觸式位移傳感器，排除了測試過程中作用軸、載荷傳感器的形變帶來的影響，從而提高了位移測量結(jié)果的精確度。若非接觸式位移傳感器采用電容式位移傳感器，壓針移動時，測量電極板和傳感器電極板之間的電容發(fā)生變化，使得電容式位移傳感器的輸出電壓信號發(fā)生改變，將該信號傳給計算機就可以換算為位移信號。由于測量電極板安裝在壓針上，傳感器電極板和樣品臺固連，這樣就可以保證電容式位移傳感器測量的位移為壓針壓入試樣的位移，而與材料試驗機作用軸的變形以及載荷傳感器的變形無關(guān)。


圖1是材料試驗機的改進部分示意圖；圖2是試驗測得的原始加卸載位移-載荷曲線圖；圖3是經(jīng)過零點修正后加卸載位移-載荷曲線圖；圖4是試驗得到的工業(yè)純鋁L2的壓入硬度測試結(jié)果；圖5是試驗得到的工業(yè)純鋁L2的壓入模量測試結(jié)果；圖6是典型壓痕的變形模型；圖7是典型壓痕的加卸載曲線；圖8是Sneddon的分析模型。
圖9是本發(fā)明提供的材料試驗機的壓痕測試功能改進方法的流程圖。
具體實施例方式
下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的優(yōu)選實施例進行詳細說明本發(fā)明提供的材料試驗機壓痕測試功能的改進測試方法的流程如圖9所示，其具體步驟如下步驟100將試樣固定安裝在樣品臺上，測試面向上，在載荷傳感器下方安裝好壓針，在樣品臺上安裝一非接觸式位移傳感器，開動材料試驗機對試樣進行加載。
步驟101用計算機的信號采集模塊采集材料試驗機的載荷傳感器信號以及本發(fā)明中額外附加的非接觸式高分辨力位移傳感器的信號。
步驟102采集到的載荷傳感器信號和位移傳感器的信號經(jīng)過換算得到載荷和位移值。
步驟103由換算得到載荷和位移值得到壓針壓入和拔出試樣過程中的位移-載荷曲線。
步驟104根據(jù)步驟103得出的位移-載荷曲線，按照力學模型進行數(shù)據(jù)處理，其原理與過程將在下文中祥述。
步驟105最后得出被測試樣的壓入硬度和壓入模量等力學參數(shù)，如圖4、5所示。
在步驟104中，由試驗直接采集到的原始數(shù)據(jù)得出的加卸載位移-載荷曲線的起點可能不是壓針和試樣表面的接觸零點，此時需要調(diào)零。從原始加卸載曲線上人為找到載荷剛開始不為零的點，然后強行指定該點為接觸零點，如圖2、3所示。
本發(fā)明的步驟104中的數(shù)學處理過程及其原理敘述如下本發(fā)明采用壓入深度測量法，通過材料試驗機對試樣進行加載，記錄試驗機載荷傳感器的載荷信號，記錄額外安裝的高分辨力位移傳感器測量的壓針位移，從而獲得壓針壓入和拔出試樣過程中的載荷-位移曲線。利用載荷-位移曲線，再通過一定的計算(見下文)即可得到被測材料的壓入硬度和壓入模量。
如圖7所示，橫坐標代表壓入試樣的深度h(即位移h)，縱坐標代表作用在壓針上的荷載P；圖7中的兩條曲線分別為加載曲線和卸載曲線；Pmax為最大載荷；hmax為對應(yīng)于Pmax的壓痕深度，即最大壓入深度；hf為殘余壓入深度；hc是接觸深度，如圖6所示；ε是與壓針類型相關(guān)的幾何常數(shù)；S為接觸剛度。
為了從P-h曲線(載荷-位移曲線)中計算出硬度和模量，首先應(yīng)根據(jù)試驗數(shù)據(jù)建立卸載過程深度與荷載的關(guān)系P＝B(h-hf)m(4)式中，B、hf和m為擬合參數(shù)。通常，用最小二乘法擬合卸載曲線頂部的25％到50％。
接觸剛度S根據(jù)式(4)的微分算出S=(dPdh)|h=hmax=Bm(h-hf)m-1|h=hmax---(5)]]>在得到接觸剛度S后，可以計算出最大荷載時的接觸深度hchc=hmax-hs=hmax-ϵPmaxS---(6)]]>式中的系數(shù)ε僅與壓針的形狀有關(guān)。力學研究人員已經(jīng)通過理論計算得出，對于圓錐壓針，ε＝2(π-2)/π；對圓柱壓針ε＝1.00；對旋轉(zhuǎn)拋物體壓針ε＝0.75。值得注意的是，式(6)只適用于接觸深度小于壓入深度的情況，不能說明凸起的塑性現(xiàn)象。
再接著計算出接觸面積，接觸面積由面積函數(shù)A＝f(hc)確定，有時也稱為壓針的形狀函數(shù)。對于理想玻氏壓針，A=24.56hc2,]]>理想維氏壓針，A=24.50hc2.]]>由于加工缺陷和使用磨損，壓針端部往往偏離理想情況，所以需要建立面積函數(shù)來修正。ISO 14577明確指出，當壓痕深度＞6μm時，可以把壓針看成理想形狀。
得到接觸面積A后，就可以由(3)式計算出材料的硬度HIT。
從加卸載曲線還可以得到材料的模量。1965年，Sneddon對任意形狀軸對稱的剛性壓針與彈性半空間的彈性接觸問題進行了分析，如圖8所示，給出了載荷和壓針壓入深度之間的關(guān)系。其中，當壓針端部為圓柱時，有下面的關(guān)系存在
P=2Ea1-υ2h---(7)]]>式中，P為載荷；E為被測材料的彈性模量；υ為被測材料的泊松比；h為壓入的彈性位移。接觸投影面積A可以簡單表示為πa2，則a=Aπ.]]>式(7)兩邊對壓入深度h進行求導(dǎo)得dPdh=2πAE(1-υ2)---(8)]]>該式雖然是由圓柱壓針推導(dǎo)出來，但已經(jīng)被證明可以用到側(cè)面由光滑函數(shù)描述的旋轉(zhuǎn)體壓針，而不依賴于壓針的幾何形狀。
但是，壓針在壓入過程中會產(chǎn)生彈性變形附加在測量位移中，因此計算硬度和模量時需要考慮這部分變形的影響。習慣引入復(fù)合模量Er，作為壓針與試樣彈性變形的復(fù)合響應(yīng)。
1Er=(1-υ2)E+(1-υi2)Ei---(9)]]>式中Ei，υi分別為壓針的彈性模量和泊松比，對于普遍采用的金剛石壓針，其彈性模量為1141GPa，泊松比為0.07。由此，式(8)變?yōu)閐Pdh=2πAEr---(10)]]>式(9)和式(10)不依賴于壓針的幾何形狀，也不依賴于材料的突起(pile-up)或凹陷(sink-in)行為。由(9)和(10)聯(lián)立可以求出材料的模量E。
本實施例中，為適于采用本發(fā)明提供的改進測試方法，對傳統(tǒng)材料試驗機的改進敘述如下圖1所示的為在原材料試驗機上，設(shè)置的改進部分示意圖，整個改進部分包括1-位移傳感器、2-位移傳感器的電極板、3-測量電極板。
本實施例中，采用Instron5848材料試驗機，該材料試驗機為馬達驅(qū)動，通過測量作用軸位移來計量試樣變形，通過串聯(lián)載荷傳感器來測量載荷。這種結(jié)構(gòu)設(shè)計特點決定了在進行壓痕測試時，其測量的位移必然包括載荷傳感器和作用軸等連接件的變形，而不是壓針壓入試樣的真實位移。因此該種試驗機本身無法采用壓入深度測量法來進行壓痕測試，必須對其進行改進。
參照圖1，在本實施例中采用Instron5848microtester型號的材料試驗機上進行改進，制作一本發(fā)明的具有改進的壓痕測試功能的測試系統(tǒng)。
Instron5848microtester型號的材料試驗機為加載機構(gòu)。位移傳感器1為電容式高分辨力位移傳感器，或光學類非接觸式位移傳感器，其上帶有一電極板2；制作一個測量電極板3并將其固定安裝在壓針4上，本實施例中，測量電極板3為鋁質(zhì)圓板，其直徑比傳感器電極板2大至少10mm，其厚度為2mm，保持測量電極板3和傳感器電極板2的平行；傳感器電極板2和樣品臺一側(cè)固連，樣品臺8安裝在材料試驗機的底座上，試樣7固定安裝在樣品臺8上，測試面向上。
電容式高分辨力位移傳感器1的測量原理為兩電極板相對運動時電容的變化和距離變化之間在某種程度上為線性關(guān)系。該位移傳感器測量測量位移時需要具備兩個電極板，傳感器本身已經(jīng)有一個電極板2，為了測量壓針的位移，制作一個測量電極板3固定安裝在壓針上，保持測量電極板和傳感器電極板的平行。當壓針移動時，測量電極板和傳感器電極板之間的電容發(fā)生變化，使得電容式位移傳感器的輸出電壓信號發(fā)生改變，將該信號傳給計算機就可以換算為位移信號。由于測量電極板安裝在壓針上，傳感器電極板和樣品臺固連，這樣就可以保證電容式位移傳感器測量的位移為壓針壓入試樣的位移，而與材料試驗機作用軸的變形以及載荷傳感器的變形無關(guān)。
理論上講，位移傳感器的安裝方式已經(jīng)可以保證測量的位移為壓針壓入試樣的位移，但是實際操作中發(fā)現(xiàn)，如果樣品臺的剛度不夠大的話，在壓針壓入試樣的過程中，會使樣品臺產(chǎn)生翹曲，從而影響位移測量的準確性。為此，需將樣品臺直接固連在材料試驗機的底座上，并且要采用大剛度金屬材料制作(本實施例中采用鋼)。
本實施例中對傳統(tǒng)的材料試驗機進行的改進，雖然采用了電容式位移傳感器作為壓針位移測量裝置，但同樣可以采用其它非接觸式位移傳感器來直接測量壓針位移，如光柵尺、光纖位移傳感器、電渦流位移傳感器，這是本專業(yè)領(lǐng)域的技術(shù)人員容易理解的。
權(quán)利要求
1.一種材料試驗機的壓痕測試功能的改進方法，其特征是，包括以下步驟(a)在材料試驗機的載荷傳感器下方安裝好壓針，在樣品臺上安裝非接觸式高分辨力位移傳感器，開動材料試驗機對試樣進行加載；(b)通過材料試驗機的載荷傳感器和非接觸式高分辨力位移傳感器獲得壓針壓入和拔出試樣過程中的加卸載位移-載荷曲線；(c)對步驟(b)得到的位移-載荷曲線，按照力學模型進行數(shù)據(jù)處理，擬合卸載部分得出壓針的接觸深度，得出壓痕的接觸投影面積，進而計算出壓入硬度；擬合卸載段的接觸剛度，得出材料的壓入模量。
2.按權(quán)利要求1所述的材料試驗機的壓痕測試功能的改進方法，其特征是，所述步驟(b)中，包括以下步驟(b1)用帶有信號采集模塊的計算機采集材料試驗機的載荷傳感器信號，同時采集本材料試驗機上設(shè)置的非接觸式高分辨力位移傳感器的信號；(b2)將采集到的信號換算得到載荷和位移值；(b3)由步驟(b2)中載荷和位移值得到壓針壓入和拔出試樣過程中的加卸載位移-載荷曲線。
3.按權(quán)利要求2所述的材料試驗機的壓痕測試功能的改進方法，其特征是，所述步驟(c)中，還包括在數(shù)據(jù)處理前進行的調(diào)零步驟，該步驟為從步驟(b3)中得到的原始加卸載曲線上人為找到載荷剛開始不為零的點，然后強行指定該點為接觸零點。
4.一種材料試驗機的改進裝置，包括材料試驗機；其特征在于，還包括一直接固定安裝在試驗機底座上的樣品臺，該樣品臺采用整體結(jié)構(gòu)設(shè)計，無間隙；一安裝于材料試驗機樣品臺上的非接觸式位移傳感器。
5.按權(quán)利要求4所述的材料試驗機的改進裝置，其特征在于，所述非接觸式位移傳感器為電容式位移傳感器，光柵尺、光纖位移傳感器或電渦流位移傳感器。
6.按權(quán)利要求5所述的材料試驗機的改進裝置，其特征在于，所述電容式位移傳感器包括位移傳感器1、位移傳感器的電極板2、測量電極板3；其中材料試驗機的作用軸4的下端安裝有一載荷傳感器5，壓針6安裝在一載荷傳感器5的下部，壓針6上安裝有測量電極板3；位移傳感器1固定在樣品臺8一側(cè)，測量電極板3與位移傳感器1上的電極板2平行，測量電極板3與電容式位移傳感器的電極板2形成電容；材料試驗機的底座上設(shè)置樣品臺8，其上放置被測試樣7。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種材料試驗機的壓痕測試功能改進方法及其改進裝置，該改進方法是測出加卸載位移—載荷曲線，然后按照壓入深度測量法進行數(shù)據(jù)處理，得到硬度和模量；材料試驗機的改進裝置還包括一直接固定安裝在試驗機底座上的樣品臺；一安裝于材料試驗機樣品臺上的非接觸式位移傳感器。采用上述技術(shù)方案，可以直接測量壓針壓入試樣的位移，使得測出的加卸載過程中的位移～載荷曲線更加真實。本發(fā)明可以同時獲得被測材料的硬度和模量，并可實時監(jiān)測載荷隨壓入深度的變化情況。另外，本發(fā)明不需要對殘余壓痕面積進行成像測量，減小了誤差，同時真正實現(xiàn)了壓完壓痕即可得到結(jié)果。
文檔編號G01N3/40GK1752736SQ20041007824
公開日2006年3月29日 申請日期2004年9月21日 優(yōu)先權(quán)日2004年9月21日
發(fā)明者張?zhí)┤A, 郇勇, 劉東旭, 楊業(yè)敏 申請人:中國科學院力學研究所