懸掛式旋轉(zhuǎn)快速定位原位壓痕/變深弧形劃痕測(cè)試裝置的制作方法
本發(fā)明涉及機(jī)電一體化精密儀器領(lǐng)域，特別涉及一種集精密驅(qū)動(dòng)、加載、信號(hào)檢測(cè)、原位觀測(cè)、微納米壓痕、變深弧形劃痕測(cè)試于一體的精密力學(xué)測(cè)試系統(tǒng)，尤指一種懸掛式旋轉(zhuǎn)快速定位原位壓痕/變深弧形劃痕測(cè)試裝置。
背景技術(shù)：
材料作為現(xiàn)代社會(huì)發(fā)展的三大支柱產(chǎn)業(yè)之一，其力學(xué)性能測(cè)試備受關(guān)注，是檢驗(yàn)材料力學(xué)性能的必要手段。相對(duì)于傳統(tǒng)的材料力學(xué)性能測(cè)試技術(shù)，諸如拉伸、壓縮、彎曲、扭轉(zhuǎn)等，微納米尺度的壓痕測(cè)試、劃痕測(cè)試逐漸走進(jìn)研究者的視線，以便滿足日益發(fā)展的材料領(lǐng)域的測(cè)試需要。
原位微納米力學(xué)測(cè)試技術(shù)是指在微納米尺度下對(duì)材料進(jìn)行的力學(xué)性能測(cè)試、并利用光學(xué)成像儀器對(duì)載荷作用下材料進(jìn)行在線觀測(cè)其變形、損傷、失效等的一種測(cè)試技術(shù)。以微納米壓痕、微納米劃痕等最具有代表性：壓痕測(cè)試中，通過(guò)對(duì)壓痕載荷、壓痕位移及壓痕曲線進(jìn)行分析，可以測(cè)得試件的硬度、彈性模量等參數(shù)，另外根據(jù)光學(xué)成像儀器對(duì)壓痕形貌進(jìn)行觀測(cè)可發(fā)現(xiàn)材料已經(jīng)發(fā)生的變形和損傷工況。微納米劃痕測(cè)試技術(shù)是在壓痕測(cè)試技術(shù)中衍生出來(lái)的一種微納米測(cè)試技術(shù)，其在納米壓痕測(cè)試的基礎(chǔ)上增加了精密定位和位移檢測(cè)功能。目前，我國(guó)還不具備具有上述技術(shù)自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)，此外，國(guó)內(nèi)尚無(wú)商業(yè)化的微納米壓痕/劃痕測(cè)試儀器，所用儀器依賴國(guó)外進(jìn)口，導(dǎo)致國(guó)內(nèi)相關(guān)研究處于跟蹤狀態(tài)，研制一種集壓痕測(cè)試、劃痕測(cè)試、原位觀測(cè)于一身的測(cè)試儀器迫在眉睫。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：
本發(fā)明的目的在于提供一種懸掛式旋轉(zhuǎn)快速定位原位壓痕/變深弧形劃痕測(cè)試裝置，解決了現(xiàn)有技術(shù)存在的上述問(wèn)題。力學(xué)測(cè)試儀器是材料檢測(cè)的重要手段，是材料、機(jī)械科學(xué)領(lǐng)域發(fā)展，科技進(jìn)步創(chuàng)新的重要保障。本發(fā)明與傳統(tǒng)力學(xué)性能測(cè)試儀器的主要區(qū)別在于各測(cè)試模塊和觀測(cè)模塊的集成。除傳統(tǒng)的壓痕測(cè)試外，集成了變深弧形劃痕模塊，在傳統(tǒng)劃痕測(cè)試基礎(chǔ)上為材料的力學(xué)性能測(cè)試提供了一種新的方式，便于獲取各種實(shí)驗(yàn)材料在載荷作用下的力學(xué)行為和損傷機(jī)制。此外，集成了可用于快速旋轉(zhuǎn)定位的裝置，力學(xué)性能測(cè)試結(jié)束后可立刻對(duì)試件加載處進(jìn)行原位觀測(cè)。本發(fā)明結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，測(cè)試精度高，測(cè)試方法多樣化，在材料科學(xué)、機(jī)械裝備制造、精密光學(xué)、生物醫(yī)學(xué)工程、半導(dǎo)體、納米工程、國(guó)防軍工和航空航天等領(lǐng)域具有極其重要的應(yīng)用前景。本發(fā)明以研究材料微觀力學(xué)性能為對(duì)象，提出的懸掛式旋轉(zhuǎn)快速定位、變深弧形劃痕測(cè)試、原位在線觀測(cè)等新技術(shù)、新方法，對(duì)我國(guó)微納米領(lǐng)域材料力學(xué)性能測(cè)試、相關(guān)產(chǎn)品開(kāi)發(fā)和產(chǎn)業(yè)化、填補(bǔ)我國(guó)相關(guān)領(lǐng)域的空白具有重要意義。
本發(fā)明結(jié)構(gòu)布局屬于上下型結(jié)構(gòu)，分別為上部懸掛式旋轉(zhuǎn)快速定位模塊和下部試樣支撐平臺(tái)。其中上部結(jié)構(gòu)裝配原位觀測(cè)模塊和和微納米壓痕模塊，可實(shí)現(xiàn)壓痕測(cè)試、原位觀察位置的快速轉(zhuǎn)換及原位觀測(cè)。下部試樣支撐平臺(tái)由剪式電動(dòng)升降臺(tái)和電動(dòng)旋轉(zhuǎn)平臺(tái)兩部分組成：電動(dòng)旋轉(zhuǎn)平臺(tái)可實(shí)現(xiàn)壓痕測(cè)試過(guò)程中的壓痕自動(dòng)換點(diǎn)，亦可與微納米壓痕模塊共同作用，在試樣上進(jìn)行弧形刻劃加工，實(shí)現(xiàn)弧形劃痕測(cè)試；剪式電動(dòng)升降臺(tái)可實(shí)現(xiàn)壓痕模塊的快速進(jìn)給和原位觀測(cè)模塊的快速對(duì)焦，避免了多個(gè)驅(qū)動(dòng)裝置的使用。剪式電動(dòng)升降臺(tái)、電動(dòng)旋轉(zhuǎn)平臺(tái)、微納米壓痕模塊共同使用，在刻劃過(guò)程中劃痕深度不斷發(fā)生變化，實(shí)現(xiàn)變深弧形劃痕測(cè)試實(shí)驗(yàn)。測(cè)試裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、具有模塊化的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)操作簡(jiǎn)便、整體結(jié)構(gòu)剛度高，在材料科學(xué)、機(jī)械裝備制造、精密光學(xué)、生物醫(yī)學(xué)工程、半導(dǎo)體、納米工程、國(guó)防軍工和航空航天等領(lǐng)域具有極其重要的應(yīng)用前景。
本發(fā)明的上述目的通過(guò)以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)：
懸掛式旋轉(zhuǎn)快速定位原位壓痕/變深弧形劃痕測(cè)試裝置，包括懸掛式旋轉(zhuǎn)快速定位模塊、變深弧形劃痕測(cè)試模塊、微納米壓痕模塊、原位觀測(cè)模塊，所述微納米壓痕模塊和原位觀測(cè)模塊集成在懸掛式旋轉(zhuǎn)快速定位模塊上；變深弧形劃痕測(cè)試模塊由壓痕儀4和試件支撐平臺(tái)共同組成，試件支撐平臺(tái)由剪式電動(dòng)升降臺(tái)和電動(dòng)旋轉(zhuǎn)平臺(tái)兩部分組成；懸掛式旋轉(zhuǎn)快速定位模塊通過(guò)旋轉(zhuǎn)定位法蘭21裝配在上支撐板1上，通過(guò)定位旋轉(zhuǎn)軸27和軸上組件繞軸線方向旋轉(zhuǎn)，壓痕儀4、金相顯微鏡22分別通過(guò)壓痕連接板3、顯微鏡連接板20固定在旋轉(zhuǎn)盤(pán)19上，通過(guò)彈簧定位銷23快速定位在壓痕位置或原位觀測(cè)位置。
所述的懸掛式旋轉(zhuǎn)快速定位模塊是：旋轉(zhuǎn)盤(pán)19通過(guò)定位旋轉(zhuǎn)軸27及軸上旋轉(zhuǎn)部件裝配在上支撐板1上，所述軸上旋轉(zhuǎn)部件包括兩個(gè)角接觸球軸承ⅰ、ⅱ26、30、旋轉(zhuǎn)套筒ⅰ29、單向平底推力球軸承28、旋轉(zhuǎn)定位法蘭21、軸承端蓋25、彈簧定位銷23和吊環(huán)螺釘24，角接觸球軸承ⅱ30裝配于定位旋轉(zhuǎn)軸27圓周面，上部與軸肩接觸，下部通過(guò)旋轉(zhuǎn)套筒ⅰ29與角接觸球軸承ⅰ26在軸線方向上形成軸向定位，軸承外圈與旋轉(zhuǎn)定位法蘭21過(guò)盈配合；軸承端蓋25對(duì)軸承外圈進(jìn)行軸向定位，同時(shí)與彈簧定位銷23通過(guò)螺紋連接，通過(guò)調(diào)整定位銷使其銷頭頂住定位旋轉(zhuǎn)軸27上軸端的凹孔；吊環(huán)螺釘24螺紋連接在軸承端蓋25的中心螺紋孔處，便于將軸承端蓋25取出；微納米壓痕模塊和原位觀測(cè)模塊裝配在旋轉(zhuǎn)盤(pán)19上，兩者處于同一水平面上，且壓痕儀4的壓頭48中心點(diǎn)和金相顯微鏡22鏡頭焦點(diǎn)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)軌跡完全相同，通過(guò)彈簧定位銷23實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)盤(pán)19的快速定位。
所述的單向平底推力球軸承28套入定位旋轉(zhuǎn)軸27上，單向平底推力球軸承28的上部與旋轉(zhuǎn)定位法蘭21底部接觸，下部與旋轉(zhuǎn)盤(pán)19接觸，通過(guò)螺釘把旋轉(zhuǎn)盤(pán)19固定于定位旋轉(zhuǎn)軸27上，旋轉(zhuǎn)盤(pán)19和旋轉(zhuǎn)定位法蘭21下端共同作用，軸向夾緊單向平底推力球軸承28，使其上部與旋轉(zhuǎn)定位法蘭21下端接觸固定不動(dòng)，下部與旋轉(zhuǎn)盤(pán)19接觸并隨其同步轉(zhuǎn)動(dòng)；單向平底推力球軸承28增加了旋轉(zhuǎn)盤(pán)19與其它部件的接觸面積。
所述的變深弧形劃痕測(cè)試模塊是：壓痕儀4由壓電疊堆46推動(dòng)柔性鉸鏈52使壓頭部分產(chǎn)生精密位移，實(shí)現(xiàn)微納米壓痕模塊的精密加載，載荷信號(hào)和位移信號(hào)通過(guò)力傳感器47和激光位移傳感器51進(jìn)行測(cè)定；試件支撐平臺(tái)通過(guò)螺釘裝配在底座12上，其中剪式電動(dòng)升降臺(tái)通過(guò)升降臺(tái)電機(jī)9控制驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)剪式結(jié)構(gòu)沿z軸方向運(yùn)動(dòng)或通過(guò)手動(dòng)旋鈕10進(jìn)行手動(dòng)控制，實(shí)現(xiàn)壓痕儀4的快速進(jìn)給和金相顯微鏡22的快速對(duì)焦；電動(dòng)旋轉(zhuǎn)平臺(tái)：旋轉(zhuǎn)平臺(tái)電機(jī)18通過(guò)旋轉(zhuǎn)平臺(tái)電機(jī)支座33固定，經(jīng)蝸輪蝸桿傳動(dòng)實(shí)現(xiàn)載物臺(tái)5的旋轉(zhuǎn)，所述電動(dòng)旋轉(zhuǎn)平臺(tái)的結(jié)構(gòu)如下：旋轉(zhuǎn)平臺(tái)電機(jī)18通過(guò)聯(lián)軸器組件ⅰ17與蝸桿軸13相連，帶動(dòng)其發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)，通過(guò)蝸輪蝸桿傳動(dòng)將蝸桿軸13的轉(zhuǎn)動(dòng)傳遞給電動(dòng)旋轉(zhuǎn)平臺(tái)的旋轉(zhuǎn)軸36，帶動(dòng)載物臺(tái)5轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)電動(dòng)旋轉(zhuǎn)平臺(tái)的轉(zhuǎn)動(dòng)功能；渦輪6與旋轉(zhuǎn)軸36通過(guò)平鍵連接，載物臺(tái)連接板31與旋轉(zhuǎn)軸36通過(guò)花鍵連接，從而實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)的傳遞；電動(dòng)旋轉(zhuǎn)平臺(tái)通過(guò)軸承座ⅰ、ⅱ、ⅲ16、7、32及軸承座支撐塊ⅰ、ⅱ15、8固定在旋轉(zhuǎn)平臺(tái)底座上14，通過(guò)旋轉(zhuǎn)平臺(tái)底座14與剪式電動(dòng)升降臺(tái)裝配在一起，剪式電動(dòng)升降臺(tái)帶動(dòng)其實(shí)現(xiàn)沿z軸方向的升降運(yùn)動(dòng)。
所述的懸掛式旋轉(zhuǎn)快速定位原位壓痕/變深弧形劃痕測(cè)試裝置的變深弧形劃痕測(cè)試方法是：壓頭壓入試件后，壓痕儀處于加載狀態(tài)，并保持該狀態(tài)不變，電動(dòng)旋轉(zhuǎn)平臺(tái)載物臺(tái)5經(jīng)旋轉(zhuǎn)平臺(tái)電機(jī)18帶動(dòng)發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)，從而在試件上劃刻出與換點(diǎn)軌跡相同的劃痕，實(shí)現(xiàn)弧形劃痕測(cè)試實(shí)驗(yàn)。當(dāng)進(jìn)行弧形劃痕實(shí)驗(yàn)時(shí)，剪式電動(dòng)升降臺(tái)及載物臺(tái)5在升降臺(tái)電機(jī)9的帶動(dòng)下發(fā)生沿z軸方向的移動(dòng)，使劃痕深度在刻劃過(guò)程中不斷發(fā)生變化，實(shí)現(xiàn)變深弧形劃痕測(cè)試。
本發(fā)明的另一目的在于提供一種懸掛式旋轉(zhuǎn)快速定位原位壓痕/變深弧形劃痕測(cè)試方法，其特征在于：載物臺(tái)5中心點(diǎn)為o，壓痕儀4壓頭48初始位置于載物臺(tái)所在平面上的投影為a，以o為極點(diǎn)，射線oa為極軸建立極坐標(biāo)系；進(jìn)行壓痕測(cè)試自動(dòng)旋轉(zhuǎn)換點(diǎn)或弧形劃痕測(cè)試實(shí)驗(yàn)時(shí)，自上向下觀察，載物臺(tái)5順時(shí)針轉(zhuǎn)過(guò)θ角度，則此時(shí)壓頭在試件上的相對(duì)極坐標(biāo)位置點(diǎn)為
(ρ,θ)
其中，ρ為線段oa的長(zhǎng)度；
壓頭48的相對(duì)運(yùn)動(dòng)弧長(zhǎng)為
l＝ρ·θ
裝置進(jìn)行旋轉(zhuǎn)快速定位時(shí)，自上向下觀察，旋轉(zhuǎn)盤(pán)19相對(duì)初始位置順時(shí)針轉(zhuǎn)過(guò)α角度，壓頭48的極坐標(biāo)位置點(diǎn)為
(ρ,α)
旋轉(zhuǎn)盤(pán)19轉(zhuǎn)動(dòng)的弧長(zhǎng)為
l＝ρ·α
以o為原點(diǎn)，射線oa為x軸，oa繞原點(diǎn)逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)90度的射線oa′為y軸，垂直oxy平面向上為z軸，創(chuàng)建空間直角坐標(biāo)系；以壓頭48點(diǎn)與oxy平面垂直向上距離h且與oxy平行的面為基準(zhǔn)面，進(jìn)行變深弧形劃痕測(cè)試時(shí)，載物臺(tái)相對(duì)基準(zhǔn)面向上運(yùn)動(dòng)h，則壓頭48的空間坐標(biāo)位置為
(ρcosθ,ρsinθ,h-h)
同時(shí)，根據(jù)壓痕過(guò)程中的載荷-壓深曲線和劃痕過(guò)程中軸向力-橫向力曲線，可得到壓痕硬度、接觸剛度、彈性模量、劃痕硬度、摩擦系數(shù)等材料的力學(xué)參數(shù)；
載荷-壓深曲線中p是壓入載荷，h是壓入位移，四個(gè)關(guān)鍵的參量分別是最大壓入載荷pmax、最大壓入深度hmax、殘余壓入深度hf和接觸剛度s＝dp/dh，接觸剛度定義為卸載曲線頂部斜率；
壓入載荷-深度曲線的卸載部分滿足下述冪函數(shù)關(guān)系式
p＝α(h-hf)m
其中，α和m為冪函數(shù)擬合參數(shù)，實(shí)際應(yīng)用中通常對(duì)卸載曲線頂部的25％～50％部分進(jìn)行最小二乘法擬合，得到α和m值；
壓頭與試件之間的接觸深度為
進(jìn)一步可以得到接觸面積函數(shù)a，即
a＝f(hc)
對(duì)于理想玻氏壓頭
接觸面積函數(shù)確定后，材料的壓痕硬度即可表示為
接觸剛度和接觸面積存在以下關(guān)系
式中，β為與壓頭形狀有關(guān)的常數(shù)，er為折合模量；對(duì)于玻氏壓頭、維氏壓頭和平頭壓頭，β的取值分別為1.034、1.012和1.000；
折合模量er的引入同時(shí)考慮了試件和壓頭的彈性變形，其與試件和壓頭的彈性模量、泊松比之間存在以下關(guān)系
其中，e、ei分別為試件和壓頭材料的彈性模量；v、vi分別是試件材料和壓頭材料的泊松比；
與壓痕測(cè)試不同，劃痕過(guò)程中，剛性壓頭沿著試件表面進(jìn)行動(dòng)態(tài)滑動(dòng)；其廣泛應(yīng)用于薄膜材料、表面涂層材料、生物材料、高聚物材料的摩擦、磨損性能的研究中；fn為劃痕過(guò)程中壓頭作用到試件上的軸向力，fl為壓頭受到的橫向力，d為殘余劃痕的寬度；
對(duì)應(yīng)錐形壓頭的劃痕過(guò)程，劃痕硬度可表示為
式中，q為與材料力學(xué)響應(yīng)有關(guān)的參數(shù)；對(duì)于完全塑性變形材料，q≈2；對(duì)于黏彈塑性材料，q＞1；
劃痕測(cè)試過(guò)程中，材料與試件之間的摩擦系數(shù)通過(guò)下式獲得
本發(fā)明的有益效果在于：結(jié)構(gòu)新穎，具有電機(jī)驅(qū)動(dòng)的快速進(jìn)給能力，以及微納米級(jí)別的壓電微驅(qū)動(dòng)能力，可精確測(cè)定測(cè)試材料的硬度、彈性模量、刻劃抗力等力學(xué)性能參數(shù)。本發(fā)明的加載位移分辨率達(dá)到微納米級(jí)、加載力分辨率達(dá)到微牛級(jí)，通過(guò)數(shù)字顯微成像系統(tǒng)對(duì)測(cè)試中材料的變形、損傷進(jìn)行原位觀測(cè)。本發(fā)明可實(shí)現(xiàn)原位觀測(cè)模塊的快速定位，壓痕測(cè)試模塊的自動(dòng)弧形換點(diǎn)、弧形刻劃以及變深弧形刻劃，為材料的力學(xué)行為和服役行為提供了個(gè)有效的測(cè)試手段。本發(fā)明在材料科學(xué)、機(jī)械裝備制造、精密光學(xué)、生物醫(yī)學(xué)工程、半導(dǎo)體、納米工程、國(guó)防軍工和航空航天等領(lǐng)域具有極其重要的應(yīng)用前景。
附圖說(shuō)明
此處所說(shuō)明的附圖用來(lái)提供對(duì)本發(fā)明的進(jìn)一步理解，構(gòu)成本申請(qǐng)的一部分，本發(fā)明的示意性實(shí)例及其說(shuō)明用于解釋本發(fā)明，并不構(gòu)成對(duì)本發(fā)明的不當(dāng)限定。
圖1為本發(fā)明的整體結(jié)構(gòu)示意圖；
圖2為本發(fā)明的懸掛式旋轉(zhuǎn)快速定位模塊的結(jié)構(gòu)剖視示意圖；
圖3為本發(fā)明的懸掛式旋轉(zhuǎn)快速定位模塊的立體結(jié)構(gòu)示意圖；
圖4為本發(fā)明的電動(dòng)旋轉(zhuǎn)平臺(tái)的結(jié)構(gòu)示意圖；
圖5為本發(fā)明的電動(dòng)旋轉(zhuǎn)平臺(tái)的局部剖視示意圖；
圖6為本發(fā)明的剪式電動(dòng)升降平臺(tái)結(jié)構(gòu)示意圖；
圖7為本發(fā)明的微納米壓痕模塊結(jié)構(gòu)示意圖；
圖8為典型的壓入載荷-壓入位移關(guān)系曲線；
圖9為壓痕過(guò)程剖面示意圖；
圖10為典型弧形劃痕過(guò)程示意圖。
圖中：1、上支撐板；2、支撐柱；3、壓痕連接板；4、壓痕儀；5、載物臺(tái)；6、渦輪；7、軸承座ⅱ；8、軸承座支撐塊ⅱ；9、升降臺(tái)電機(jī)；10、手動(dòng)旋鈕；11、升降臺(tái)電機(jī)支座；12、底座；13、蝸桿軸；14、旋轉(zhuǎn)平臺(tái)底座；15、軸承座支撐塊i；16、軸承座i；17、聯(lián)軸器組件ⅰ；18、旋轉(zhuǎn)平臺(tái)電機(jī)；19、旋轉(zhuǎn)盤(pán)；20、顯微鏡連接板；21、旋轉(zhuǎn)定位法蘭；22、金相顯微鏡；23、彈簧定位銷；24、吊環(huán)螺釘；25、軸承端蓋；26、角接觸球軸承ⅰ；27、定位旋轉(zhuǎn)軸；28、單向平底推力球軸承；29、旋轉(zhuǎn)套筒ⅰ；30、角接觸球軸承ⅱ；31、載物臺(tái)連接板；32、軸承座ⅲ；33旋轉(zhuǎn)平臺(tái)電機(jī)支座；34、圓螺母；35、旋轉(zhuǎn)套筒ⅱ；36、旋轉(zhuǎn)軸；37、角接觸球軸承ⅲ；38、升降臺(tái)法蘭；39、升降臺(tái)固定底座；40、升降臂；41、升降臺(tái)支撐板；42、聯(lián)軸器組件ⅱ；43、壓痕基板；44、壓板；45、微進(jìn)機(jī)構(gòu)；46、壓電疊堆；47、力傳感器；48、壓頭；49、頭部固定器；50、遮擋板；51、激光位移傳感器；52、柔性鉸鏈；53、位移傳感器連接板；54、調(diào)整旋鈕基座；55、調(diào)整旋鈕。
具體實(shí)施方式
下面結(jié)合附圖進(jìn)一步說(shuō)明本發(fā)明的詳細(xì)內(nèi)容及其具體實(shí)施方式。
參見(jiàn)圖1至圖7所示，本發(fā)明的懸掛式旋轉(zhuǎn)快速定位原位壓痕/變深弧形劃痕測(cè)試裝置，整體結(jié)構(gòu)呈上下分布式，上下兩部分通過(guò)支撐柱2裝配在一起，包括懸掛式旋轉(zhuǎn)快速定位模塊、變深弧形劃痕測(cè)試模塊、微納米壓痕模塊、原位觀測(cè)模塊，所述微納米壓痕模塊和原位觀測(cè)模塊集成在懸掛式旋轉(zhuǎn)快速定位模塊上；變深弧形劃痕測(cè)試模塊由壓痕儀4和試件支撐平臺(tái)共同組成，試件支撐平臺(tái)由剪式電動(dòng)升降臺(tái)和電動(dòng)旋轉(zhuǎn)平臺(tái)兩部分組成；懸掛式旋轉(zhuǎn)快速定位模塊通過(guò)旋轉(zhuǎn)定位法蘭21裝配在上支撐板1上，通過(guò)定位旋轉(zhuǎn)軸27和軸上組件繞軸線方向旋轉(zhuǎn)，壓痕儀4、金相顯微鏡22分別通過(guò)壓痕連接板3、顯微鏡連接板20固定在旋轉(zhuǎn)盤(pán)19上，通過(guò)彈簧定位銷23快速定位在壓痕位置或原位觀測(cè)位置；
所述的懸掛式旋轉(zhuǎn)快速定位模塊是：旋轉(zhuǎn)盤(pán)19通過(guò)定位旋轉(zhuǎn)軸27及軸上旋轉(zhuǎn)部件裝配在上支撐板1上，所述軸上旋轉(zhuǎn)部件包括兩個(gè)角接觸球軸承ⅰ、ⅱ26、30、旋轉(zhuǎn)套筒ⅰ29、單向平底推力球軸承28、旋轉(zhuǎn)定位法蘭21、軸承端蓋25、彈簧定位銷23，角接觸球軸承ii30裝配于定位旋轉(zhuǎn)軸27圓周面，上部與軸肩接觸，下部通過(guò)旋轉(zhuǎn)套筒i29與角接觸球軸承i26在軸線方向上形成軸向定位，軸承外圈與旋轉(zhuǎn)定位法蘭21過(guò)盈配合，將旋轉(zhuǎn)軸部組件裝配起來(lái)。軸承端蓋25對(duì)軸承外圈進(jìn)行軸向定位，同時(shí)與彈簧定位銷23通過(guò)螺紋連接，通過(guò)調(diào)整定位銷使其銷頭頂住定位旋轉(zhuǎn)軸27上軸端的凹孔，形成該模塊的定位；吊環(huán)螺釘24螺紋連接在軸承端蓋25的中心螺紋孔處，便于將軸承端蓋25在裝置中取出。微納米壓痕模塊和原位觀測(cè)模塊裝配在旋轉(zhuǎn)盤(pán)19上，兩者處于同一水平面xoy上，且壓痕儀4的壓頭48中心點(diǎn)和金相顯微鏡22鏡頭焦點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)軌跡完全相同，當(dāng)壓痕儀4的壓頭48正對(duì)試件進(jìn)行壓痕或劃痕實(shí)驗(yàn)時(shí)，旋轉(zhuǎn)盤(pán)19通過(guò)彈簧定位銷23定位，將其固定于某一確定位置，使實(shí)驗(yàn)順利進(jìn)行；壓痕或劃痕完成后需對(duì)試件進(jìn)行原位觀測(cè)，此時(shí)將旋轉(zhuǎn)盤(pán)19快速轉(zhuǎn)動(dòng)一定角度本裝置為90度，再次利用彈簧定位銷23定位在該壓痕或劃痕加載位置，此時(shí)金相顯微鏡鏡頭焦點(diǎn)正好對(duì)準(zhǔn)試件壓痕位置或試件劃痕位置，對(duì)試件進(jìn)行原位觀測(cè)，從而實(shí)現(xiàn)裝置快速旋轉(zhuǎn)定位。
所述的單向平底推力球軸承28的使用可以增強(qiáng)懸掛式旋轉(zhuǎn)快速定位裝置的整體剛度。單向平底推力球軸承28套入定位旋轉(zhuǎn)軸27上，單向平底推力球軸承28的上部與旋轉(zhuǎn)定位法蘭21底部接觸，下部與旋轉(zhuǎn)盤(pán)19接觸，通過(guò)螺釘把旋轉(zhuǎn)盤(pán)19固定于定位旋轉(zhuǎn)軸27上，旋轉(zhuǎn)盤(pán)19和旋轉(zhuǎn)定位法蘭21下端共同作用，軸向夾緊單向平底推力球軸承28，使其上部與旋轉(zhuǎn)定位法蘭21下端接觸固定不動(dòng)，下部與旋轉(zhuǎn)盤(pán)19接觸并隨其同步轉(zhuǎn)動(dòng)；單向平底推力球軸承28的使用增加了旋轉(zhuǎn)盤(pán)19與其它部件的接觸面積，對(duì)于減小因偏心懸掛壓痕儀4和金相顯微鏡22導(dǎo)致的傾覆力矩造成的結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定，增大整體剛度具有重要意義。
所述的變深弧形劃痕測(cè)試模塊是：壓痕儀4由壓電疊堆46推動(dòng)柔性鉸鏈52使壓頭部分產(chǎn)生精密位移，實(shí)現(xiàn)微納米壓痕模塊的精密加載，載荷信號(hào)和位移信號(hào)通過(guò)力傳感器47和激光位移傳感器51進(jìn)行測(cè)定；顯微成像系統(tǒng)將金相顯微鏡22得到圖像信息顯示在顯示器上，對(duì)試驗(yàn)材料進(jìn)行測(cè)試分析；試件支撐平臺(tái)通過(guò)螺釘裝配在底座12上，其中剪式電動(dòng)升降臺(tái)通過(guò)升降臺(tái)電機(jī)9控制驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)剪式結(jié)構(gòu)沿z軸方向運(yùn)動(dòng)或通過(guò)手動(dòng)旋鈕10進(jìn)行手動(dòng)控制，實(shí)現(xiàn)壓痕儀4的快速進(jìn)給和金相顯微鏡22的快速對(duì)焦；電動(dòng)旋轉(zhuǎn)平臺(tái)：旋轉(zhuǎn)平臺(tái)電機(jī)18通過(guò)旋轉(zhuǎn)平臺(tái)電機(jī)支座33固定，經(jīng)蝸輪蝸桿傳動(dòng)實(shí)現(xiàn)載物臺(tái)5的旋轉(zhuǎn)，完成壓痕過(guò)程中對(duì)試件進(jìn)行自動(dòng)換點(diǎn)以及劃痕過(guò)程中對(duì)試件進(jìn)行弧形刻劃。
壓痕儀4的壓頭48的中心軸線與試件支撐平臺(tái)中的電動(dòng)旋轉(zhuǎn)平臺(tái)的旋轉(zhuǎn)中心軸線平行，平行距離為ρ，壓痕實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，壓頭48退出測(cè)試試件，旋轉(zhuǎn)平臺(tái)載物臺(tái)5經(jīng)旋轉(zhuǎn)平臺(tái)電機(jī)18帶動(dòng)發(fā)生繞旋轉(zhuǎn)軸線的轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)微納米壓痕模塊的自動(dòng)換點(diǎn)，換點(diǎn)軌跡以旋轉(zhuǎn)中心軸線為原點(diǎn)，以ρ長(zhǎng)為半徑的圓弧形。壓頭48壓入試件后，壓痕儀4靜止不動(dòng)，處于加載狀態(tài)，并保持該狀態(tài)不變，電動(dòng)旋轉(zhuǎn)平臺(tái)載物臺(tái)5經(jīng)旋轉(zhuǎn)平臺(tái)電機(jī)18帶動(dòng)發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)，從而在試件上劃刻出與換點(diǎn)軌跡相同的劃痕，實(shí)現(xiàn)弧形劃痕測(cè)試實(shí)驗(yàn)。當(dāng)進(jìn)行弧形劃痕實(shí)驗(yàn)時(shí)，剪式電動(dòng)升降臺(tái)及載物臺(tái)5在升降臺(tái)電機(jī)9的帶動(dòng)下發(fā)生沿z軸方向的移動(dòng)，使劃痕深度在刻劃過(guò)程中不斷發(fā)生變化，實(shí)現(xiàn)變深弧形劃痕測(cè)試實(shí)驗(yàn)。
參見(jiàn)圖4及圖5所示，所述電動(dòng)旋轉(zhuǎn)平臺(tái)的結(jié)構(gòu)如下：旋轉(zhuǎn)平臺(tái)電機(jī)18通過(guò)聯(lián)軸器組件ⅰ17與蝸桿軸13相連，帶動(dòng)其發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)，通過(guò)蝸輪蝸桿傳動(dòng)將蝸桿軸13的轉(zhuǎn)動(dòng)傳遞給電動(dòng)旋轉(zhuǎn)平臺(tái)的旋轉(zhuǎn)軸36，帶動(dòng)載物臺(tái)5轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)電動(dòng)旋轉(zhuǎn)平臺(tái)的轉(zhuǎn)動(dòng)功能；渦輪6與旋轉(zhuǎn)軸36通過(guò)平鍵連接，載物臺(tái)連接板31與旋轉(zhuǎn)軸36通過(guò)花鍵連接，從而實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)的傳遞；電動(dòng)旋轉(zhuǎn)平臺(tái)通過(guò)軸承座ⅰ、ⅱ、ⅲ16、7、32及軸承座支撐塊ⅰ、ⅱ15、8固定在旋轉(zhuǎn)平臺(tái)底座上14，通過(guò)旋轉(zhuǎn)平臺(tái)底座14與剪式電動(dòng)升降臺(tái)裝配在一起，剪式電動(dòng)升降臺(tái)帶動(dòng)其實(shí)現(xiàn)沿z軸方向的升降運(yùn)動(dòng)。
所述電動(dòng)旋轉(zhuǎn)平臺(tái)通過(guò)旋轉(zhuǎn)平臺(tái)底座14裝配在升降臺(tái)支撐板41上，軸承座iii32、角接觸球軸承ⅲ37、渦輪6、旋轉(zhuǎn)套筒ⅱ35、載物臺(tái)連接板31、圓螺母34依次裝配于旋轉(zhuǎn)軸36上，構(gòu)成電動(dòng)旋轉(zhuǎn)平臺(tái)的軸傳動(dòng)系統(tǒng)。通過(guò)渦輪蝸桿傳動(dòng)將旋轉(zhuǎn)平臺(tái)電機(jī)18的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換為該模塊旋轉(zhuǎn)平臺(tái)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。
參見(jiàn)圖6所示，剪式電動(dòng)升降臺(tái)裝配在底座12上，可以通過(guò)升降臺(tái)電機(jī)9實(shí)現(xiàn)沿z軸方向的自動(dòng)可控升降，亦可通過(guò)手動(dòng)旋鈕10手動(dòng)控制升降臺(tái)實(shí)現(xiàn)升降操控。電動(dòng)旋轉(zhuǎn)平臺(tái)通過(guò)旋轉(zhuǎn)平臺(tái)底座14裝配在升降臺(tái)支撐板41上，將旋轉(zhuǎn)平臺(tái)電機(jī)18的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換為該變深弧形劃痕測(cè)試模塊電動(dòng)旋轉(zhuǎn)平臺(tái)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。懸掛式旋轉(zhuǎn)快速定位模塊通過(guò)定位旋轉(zhuǎn)法蘭21安裝于上支撐板1上，其旋轉(zhuǎn)定位通過(guò)彈簧定位銷23實(shí)現(xiàn)，定位旋轉(zhuǎn)盤(pán)上裝配金相顯微鏡22和壓痕儀4，用以實(shí)現(xiàn)上述功能，金相顯微鏡鏡頭焦點(diǎn)軸線和壓痕儀壓頭軸線到定位旋轉(zhuǎn)盤(pán)軸線的距離相等，旋轉(zhuǎn)軌跡完全相同，壓痕/劃痕測(cè)試結(jié)束后可實(shí)現(xiàn)金相顯微鏡的快速定位。
參見(jiàn)圖6所示，所述的剪式電動(dòng)升降臺(tái)由升降臺(tái)電機(jī)9、手動(dòng)旋鈕10、升降臺(tái)電機(jī)支座11、聯(lián)軸器組ii42、升降臺(tái)法蘭38、升降臺(tái)固定底座39、升降臂40和升降臺(tái)支撐板41幾部分組成。兩個(gè)升降臂40組成剪式結(jié)構(gòu)通過(guò)螺栓將升降臺(tái)固定底座39和升降臺(tái)支撐板41連接起來(lái)，升降臺(tái)電機(jī)9安裝在升降臺(tái)電機(jī)支座11上，經(jīng)聯(lián)軸器組件ii42與絲杠螺母裝置連接，通過(guò)絲杠螺母副對(duì)升降臺(tái)進(jìn)行升降控制。可提供穩(wěn)定的高度調(diào)整與承載能力，操作簡(jiǎn)單，性能可靠。通過(guò)升降臺(tái)電機(jī)9實(shí)現(xiàn)沿z軸方向的自動(dòng)可控升降，亦可通過(guò)手動(dòng)旋鈕10手動(dòng)控制升降臺(tái)實(shí)現(xiàn)升降操控，該控制是通過(guò)滾珠絲杠傳動(dòng)將電機(jī)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換為裝置沿z軸方向的直線運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)的。
所述的金相顯微鏡22和壓痕儀4均通過(guò)連接板及螺釘固定在旋轉(zhuǎn)盤(pán)19上，其本身不能實(shí)現(xiàn)壓痕的快速進(jìn)給和顯微鏡的快速對(duì)焦，但根據(jù)運(yùn)動(dòng)的相對(duì)性原理，利用剪式電動(dòng)升降臺(tái)的快速升降可以實(shí)現(xiàn)上述功能要求，避免了壓痕電機(jī)和金相顯微鏡驅(qū)動(dòng)電機(jī)的使用，是整體結(jié)構(gòu)更加簡(jiǎn)單，提高了壓痕模塊的剛度，減輕了懸掛式旋轉(zhuǎn)快速定位模塊的整體質(zhì)量，增強(qiáng)了裝置的整體剛度。
參見(jiàn)圖7所示，所述微納米壓痕模塊大體可分為加載單元和信號(hào)檢測(cè)單元：加載單元通過(guò)壓痕基板43連接在壓痕連接板3上，其包括柔性鉸鏈52、壓電疊堆46、力傳感器47、壓頭48、頭部固定器49等部分。柔性鉸鏈52通過(guò)螺釘固定在壓痕基板43上，其凹槽內(nèi)嵌入壓電疊堆46，力傳感器47通過(guò)螺紋連接在柔性鉸鏈52下端和遮擋板50上端。壓電疊堆46在電壓信號(hào)的激勵(lì)下輸出位移，帶動(dòng)柔性鉸鏈52和下方的力傳感器47、頭部固定器49、壓頭48，實(shí)現(xiàn)z軸方向精密驅(qū)動(dòng)加載；位移信號(hào)檢測(cè)單元包括激光位移傳感器51、位移傳感器連接板53、微進(jìn)機(jī)構(gòu)45和壓板44，激光位移傳感器51通過(guò)位移傳感器連接板53固定在微進(jìn)機(jī)構(gòu)45上，微進(jìn)機(jī)構(gòu)45通過(guò)壓板44固定在壓痕基板43上，控制固定在調(diào)整旋鈕基座54上的調(diào)整旋鈕55，實(shí)現(xiàn)微進(jìn)機(jī)構(gòu)45的微位移輸出，測(cè)量激光位移傳感器51與遮擋板50之間相對(duì)位移的變化實(shí)現(xiàn)位移信號(hào)的檢測(cè)。載荷信號(hào)檢測(cè)單元包括力傳感器47，其串聯(lián)在柔性鉸鏈52與壓頭48之間，實(shí)現(xiàn)載荷信號(hào)的實(shí)時(shí)檢測(cè)。
所述的懸掛式旋轉(zhuǎn)快速定位原位壓痕/變深弧形劃痕測(cè)試裝置的變深弧形劃痕測(cè)試方法是：壓頭壓入試件后，壓痕儀處于加載狀態(tài)，并保持該狀態(tài)不變，電動(dòng)旋轉(zhuǎn)平臺(tái)載物臺(tái)5經(jīng)旋轉(zhuǎn)平臺(tái)電機(jī)18帶動(dòng)發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)，從而在試件上劃刻出與換點(diǎn)軌跡相同的劃痕，實(shí)現(xiàn)弧形劃痕測(cè)試實(shí)驗(yàn)。當(dāng)進(jìn)行弧形劃痕實(shí)驗(yàn)時(shí)，剪式電動(dòng)升降臺(tái)及載物臺(tái)5在升降臺(tái)電機(jī)9的帶動(dòng)下發(fā)生沿z軸方向的移動(dòng)，使劃痕深度在刻劃過(guò)程中不斷發(fā)生變化，實(shí)現(xiàn)變深弧形劃痕測(cè)試。
壓痕儀的壓頭中心偏離電動(dòng)旋轉(zhuǎn)平臺(tái)的旋轉(zhuǎn)中心，可實(shí)現(xiàn)壓痕自動(dòng)換點(diǎn)和劃痕的弧形刻劃；電動(dòng)旋轉(zhuǎn)平臺(tái)的轉(zhuǎn)動(dòng)可以使壓頭和試件圍繞電動(dòng)旋轉(zhuǎn)平臺(tái)中心發(fā)生相對(duì)弧型滑動(dòng)，加之剪式電動(dòng)升降臺(tái)可實(shí)現(xiàn)沿z軸方向的移動(dòng)，故而該裝置可進(jìn)行變深弧形劃痕力學(xué)性能測(cè)試。壓頭中心與鏡頭焦點(diǎn)處于同一運(yùn)動(dòng)軌跡上，壓痕/變深弧形劃痕測(cè)試結(jié)束后，原位觀察模塊可快速定位到壓痕點(diǎn)或劃線位置，對(duì)試件進(jìn)行原位觀測(cè)。該裝置中，懸掛式旋轉(zhuǎn)快速定位模塊只能實(shí)現(xiàn)繞z軸方向的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，壓痕模塊的快速進(jìn)給和原位觀測(cè)模塊的快速對(duì)焦均是通過(guò)剪式電動(dòng)升降臺(tái)沿z軸方向的升降來(lái)實(shí)現(xiàn)，避免了多個(gè)驅(qū)動(dòng)裝置的使用，使整體結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化，有效的提高了壓痕模塊的剛度，有利于測(cè)試精度的提高。
本發(fā)明的懸掛式旋轉(zhuǎn)快速定位原位壓痕/變深弧形劃痕測(cè)試裝置的校準(zhǔn)與測(cè)試方法是：由力傳感器和位移傳感器與a/d采集卡記錄實(shí)驗(yàn)過(guò)程中的力與位移，得到壓痕過(guò)程中的載荷-壓深曲線和軸向力-橫向力曲線，根據(jù)力學(xué)計(jì)算模型，即可得到壓痕硬度、接觸剛度、彈性模量、劃痕硬度、摩擦系數(shù)等力學(xué)參數(shù)。
本發(fā)明的懸掛式旋轉(zhuǎn)快速定位原位壓痕/變深弧形劃痕測(cè)試方法，載物臺(tái)5中心點(diǎn)為o，壓痕儀4壓頭48初始位置于載物臺(tái)所在平面上的投影為a，以o為極點(diǎn)，射線oa為極軸建立極坐標(biāo)系；進(jìn)行壓痕測(cè)試自動(dòng)旋轉(zhuǎn)換點(diǎn)或弧形劃痕測(cè)試實(shí)驗(yàn)時(shí)，自上向下觀察，載物臺(tái)5順時(shí)針轉(zhuǎn)過(guò)θ角度，則此時(shí)壓頭在試件上的相對(duì)極坐標(biāo)位置點(diǎn)為
(ρ,θ)
其中，ρ為線段oa的長(zhǎng)度；
壓頭48的相對(duì)運(yùn)動(dòng)弧長(zhǎng)為
l＝ρ·θ
裝置進(jìn)行旋轉(zhuǎn)快速定位時(shí)，自上向下觀察，旋轉(zhuǎn)盤(pán)19相對(duì)初始位置順時(shí)針轉(zhuǎn)過(guò)α角度，壓頭48的極坐標(biāo)位置點(diǎn)為
(ρ,α)
旋轉(zhuǎn)盤(pán)19轉(zhuǎn)動(dòng)的弧長(zhǎng)為
l＝ρ·α
以o為原點(diǎn)，射線oa為x軸，oa繞原點(diǎn)逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)90度的射線oa′為y軸，垂直oxy平面向上為z軸，創(chuàng)建空間直角坐標(biāo)系；以壓頭48點(diǎn)與oxy平面垂直向上距離h且與oxy平行的面為基準(zhǔn)面，進(jìn)行變深弧形劃痕測(cè)試時(shí)，載物臺(tái)相對(duì)基準(zhǔn)面向上運(yùn)動(dòng)h，則壓頭48的空間坐標(biāo)位置為
(ρcosθ,ρsinθ,h-h)
同時(shí)，根據(jù)壓痕過(guò)程中的載荷-壓深曲線和劃痕過(guò)程中軸向力-橫向力曲線，可得到壓痕硬度、接觸剛度、彈性模量、劃痕硬度、摩擦系數(shù)等材料的力學(xué)參數(shù)；
參見(jiàn)圖8及圖9所示，載荷-壓深曲線中p是壓入載荷，h是壓入位移，四個(gè)關(guān)鍵的參量分別是最大壓入載荷pmax、最大壓入深度hmax、殘余壓入深度hf和接觸剛度s＝dp/dh，接觸剛度定義為卸載曲線頂部斜率。
壓入載荷-深度曲線的卸載部分近似滿足下述冪函數(shù)關(guān)系式
p＝α(h-hf)m
其中，α和m為冪函數(shù)擬合參數(shù)，實(shí)際應(yīng)用中通常對(duì)卸載曲線頂部的25％～50％部分進(jìn)行最小二乘法擬合，得到α和m值。
壓頭與試件之間的接觸深度為
進(jìn)一步可以得到接觸面積函數(shù)a，即
a＝f(hc)
對(duì)于理想玻氏壓頭
接觸面積函數(shù)確定后，材料的壓痕硬度即可表示為
接觸剛度和接觸面積存在以下關(guān)系
式中，β為與壓頭形狀有關(guān)的常數(shù)，er為折合模量。對(duì)于玻氏壓頭、維氏壓頭和平頭壓頭，β的取值分別為1.034、1.012和1.000。
折合模量er的引入同時(shí)考慮了試件可壓頭的彈性變形，其與試件和壓頭的彈性模量、泊松比之間存在以下關(guān)系
其中，e、ei分別為試件和壓頭材料的彈性模量；v、vi分別是試件材料和壓頭材料的泊松比。
參見(jiàn)圖10所示，與壓痕測(cè)試不同，劃痕過(guò)程中，剛性壓頭沿著試件表面進(jìn)行動(dòng)態(tài)滑動(dòng)。其廣泛應(yīng)用于薄膜材料、表面涂層材料、生物材料、高聚物等材料的摩擦、磨損性能的研究中。示意圖中，fn為劃痕過(guò)程中壓頭作用到試件上的軸向力，fl為壓頭受到的橫向力，d為殘余劃痕的寬度。
對(duì)應(yīng)錐形壓頭的劃痕過(guò)程，劃痕硬度可表示為
式中，q為與材料力學(xué)響應(yīng)有關(guān)的參數(shù)。對(duì)于完全塑性變形材料，q≈2；對(duì)于黏彈塑性材料，q＞1。
劃痕測(cè)試過(guò)程中，材料與試件之間的摩擦系數(shù)通過(guò)下式獲得
以上所述僅為本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)例而已，并不用于限制本發(fā)明，對(duì)于本領(lǐng)域的技術(shù)人員來(lái)說(shuō)，本發(fā)明可以有各種更改和變化。凡對(duì)本發(fā)明所作的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
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