電磁式微力學壓痕測試儀及其測試方法
2023-04-23 05:31:41 3
專利名稱：電磁式微力學壓痕測試儀及其測試方法
技術領域：
本發明涉及一種用於測試材料力學性能的儀器，具體的說，涉及一種用壓痕的方式對材料力學性能進行測試的電磁式微力學壓痕測試儀及其測試方法。
背景技術：
目前，用於測試材料硬度的硬度計，其結構為載荷傳感器和馬達驅動，相應的計算硬度的方法是通過測量殘餘壓痕的對角線或直徑的長度，然後換算成殘餘壓痕表面積，進而得到硬度值HH=PmaxAresidual---(1)]]>式中，Pmax為最大載荷，Aresidual為完全卸載後的殘餘壓痕表面積。殘餘壓痕面積是根據具體壓針的幾何形狀來計算。例如，對於維氏壓針(Vickers)，殘餘壓痕面積與壓痕對角線長度d存在下面關係Aresidual=d22sin2---(2)]]>式中，α為維氏壓針對面夾角，136°。
在過去的100多年裡，這種靠殘餘壓痕成像(即用顯微鏡或掃描電鏡等設備對殘餘壓痕進行觀察)後，測量壓痕尺寸計算硬度的方式廣泛用在各工業部門。現在，針對不同的壓針試驗都有相關的標準可參考，其硬度值的換算均有表可查。
隨著現代材料表面工程(氣相沉積、濺射、離子注入、高能束表面改性、表面納米化、熱噴塗等)、微電子、集成微光機電系統、生物和醫學材料的發展，試樣本身、改性層或塗層厚度越來越小。因此，用壓入法研究這些材料的力學性能時，傳統的硬度試驗遇到了難以克服的困難。第一，並不是所有材料都有明顯的殘餘壓痕邊界，對於這類材料將難以確定殘餘壓痕對角線的起始點。第二，當壓痕非常淺時，可能要藉助於電子掃描電鏡(SEM)或掃描探針顯微鏡(SPM)成像，這樣硬度的測試就會變得很麻煩。第三，很多硬度計，特別是在對殘餘壓痕成像的時候都是由人工操作，這無疑會給測量結果帶來人為誤差。第四，傳統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，出現了一種新的硬度試驗方法——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。計算硬度HITHIT=PmaxA(hc)---(3)]]>該式與式(1)非常相似，只是面積所表示的內容不同，式(1)中的Aresidual是接觸面積，按照國際標準ISO 14577的稱法，其定義的硬度稱為顯微硬度(micro hardness)；而A(hc)是與Pmax對應時刻的接觸投影面積，這裡將後者定義的硬度稱為壓入硬度(indentation hardness)，見式(3)。A(hc)的計算無需對殘餘壓痕進行成像，而是將接觸面積表示為壓痕深度的函數，即面積函數A＝f(hc)，hc從加卸載曲線得到。壓入深度測量方法不但可以獲得材料的硬度，還可以利用加卸載曲線獲得材料的彈性模量。這裡，為了與拉伸或壓縮試驗得到的模量相區別，將其稱之為壓入模量(indentation modulus)。
目前，在宏觀尺度和顯微尺度的硬度測試領域(即現在工業界最常用的硬度測試)，尚無採用壓入深度測量法的硬度測試儀器，因此，壓入深度測量法也一直未能在工業界得以推廣。
發明內容
本發明的目的在於提供一種能夠同時測量出試樣硬度和模量的電磁式微力學壓痕測試儀及測試方法，它克服了現有技術的不足，將壓入深度測量法應用於宏觀和顯微硬度測試領域，豐富了材料壓痕測試的力學內容；採用電磁驅動方式設計儀器，使得儀器操作過程簡化，噪聲降低。
為達到上述目的，本發明提供的電磁式微力學壓痕測試儀，包括計算機、測試儀主機、功率放大器；其中測試儀主機通過功率放大器與計算機電連接；其特徵在於所述的計算機含有信號發生模塊和信號採集模塊；所述的測試儀主機包含一由底座9上固定兩根立柱7，其立柱7上安裝一移動架5，移動架5與立柱7滑動配合，立柱7頂端安裝一上橫梁8組成的主機機架1；一安裝在底座9上的樣品臺2，該樣品臺2安裝有高度調節機構；一安裝在上橫梁8上的提升機構6，該提升機構6的末端與移動架5垂直連接；一安裝在移動架5下底面的電磁驅動機構4，該電磁驅動機構4包括一封閉圓筒，其底面留有一圓孔的驅動機構框架22；一塊做成圓桶，並在圓桶中心具有一圓柱的，剖面為「m」形的磁鋼13，其圓柱和圓桶之間留有間隙，其磁鋼13上端固定在框架22內頂面下；一線圈支架23上纏繞線圈14，該線圈支架23插入磁鋼13的圓柱和圓桶的間隙內；線圈支架23底端固連一作用軸11，該作用軸11下端設有安裝附件的接口，並可從驅動機構框架22底面圓孔通過；一分為上下兩層的懸浮彈簧組12的、分別安裝在作用軸11與驅動機構框架22之間，其中彈簧一端與框架22的內側壁相固連，另一端與作用軸11相連；一安裝在電磁驅動機構框架22底面上側靠近作用軸11處的高分辨力位移傳感器15，高分辨力位移傳感器15與計算機的信號採集模塊電連接；所述的計算機中的信號發生模塊經由功率放大器與測試儀主機相連，信號採集模塊與測試儀主機直接相連。
所述的電磁式微力學壓痕測試儀，其中測試儀主機中的提升機構6包括手輪21和與其相互固連的金屬螺杆20，螺杆20穿過上橫梁8的螺孔，並與該螺孔相配合，螺杆20一端與移動架5垂直相連。
所述的樣品臺2包括一用螺栓固定安裝在測試儀主機底座中央的載物臺外套18，該載物臺外套中間有一通孔19，通孔的側壁開槽24，槽的兩側由螺栓25連接，鬆緊該螺栓可以微調通孔的內徑；一垂直插入通孔並與通孔構成間隙配合的圓柱狀載物臺16，其側壁的靠上的部分有螺紋，靠下的部分光滑；一通過載物臺16上部的螺紋和載物臺連接，上部開有橢圓形槽的試樣壓緊螺帽17，該螺帽外圓滾花。
所述的電磁式微力學壓痕測試儀，其電磁驅動機構中的磁鋼13採用釹鐵硼磁性材料製作，磁鋼在充磁裝置上充磁並進行老化處理。
所述的電磁式微力學壓痕測試儀，其電磁驅動機構中的作用軸11為一金屬軸，在該作用軸11安裝附件的接口上安裝壓針10。
所述的電磁式微力學壓痕測試儀，其電磁驅動機構中的線圈支架23採用鋁製材料製做。
本發明提供的應用電磁式微力學壓痕測試儀的對材料力學性能進行測試的方法，其特徵是載荷大小通過計算機經由功率放大器進行控制，載荷和位移信號通過計算機的信號採集模塊採集；所述的位移信號是高分辨力位移傳感器的輸出信號，所述的載荷信號是計算機控制信號發生模塊產生的驅動信號；所述測試方法的步驟如下
(1)由計算機控制信號發生模塊產生驅動信號；(2)驅動信號通過功率放大器進行放大，放大後輸出一電流信號；(3)放大後輸出的電流信號驅動測試儀主機運動，將壓針10壓入被測材料；(4)信號採集模塊採集位移信號和線圈的驅動信號；(5)採集到的信號通過換算得到壓針10的位移值和載荷值；(6)判斷是否符合試驗條件，該試驗條件為載荷是否達到試驗開始時的設定值，或位移是否達到開始時的設定值，或試驗持續時間是否達到試驗開始時的設定值；若判斷為是，進入下一步，若判斷為否，回到第一步重新開始測試；(7)按照力學模型對測得的位移值和載荷值進行計算，分別得出壓入硬度和壓入模量，其計算原理及過程是(a)由位移值和載荷值得到試樣的載荷—位移曲線，通過載荷—位移曲線計算出接觸剛度S，進而計算出最大荷載時的接觸深度hc，再接著計算出接觸面積，最後由最大載荷值和接觸面積得到壓入硬度；(b)通過已有的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的模型，以及測得的載荷—位移曲線，得到彈性模量與載荷、位移的關係式，從而得到彈性模量的值，該彈性模量為複合模量，是壓針與試樣彈性變形的複合響應，已知壓針的壓入彈性模量，即可求出式樣的壓入彈性模量；(8)輸出計算結果，測量結束。
採用上述技術方案，使得本發明與現有技術相比具有很大的優越性。由於採用電磁加載方式，可以採用信號發生模塊產生的高分辨力電信號作為驅動信號，使得該測試儀的載荷分辨力得以大幅度提高，並且電磁驅動的方式不存在馬達驅動所帶來的振動噪聲問題，這是目前常規硬度計無法實現的。由於採用深度測量法進行實驗數據處理，因而不僅可以實時得到加卸載過程中的位移～載荷曲線，並且可以計算出被測材料的硬度和模量。和常規硬度測試相比，不需要再對殘餘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可能導致的誤差，使得測量更為準確可靠。並且實驗操作更為方便，真正實現了壓完壓痕即可得到結果。
圖1是電磁式微力學壓痕測試儀的測試系統示意圖；圖2是電磁式微力學壓痕測試儀的測試儀主機結構圖；圖3是測試儀主機中的電磁驅動機構結構圖；圖4是試驗得到的工業純鋁L2的典型加卸載曲線；
圖5是試驗得到的工業純鋁L2的壓入硬度測試結果；圖6是試驗得到的工業純鋁L2的壓入模量測試結果；圖7是典型壓痕的變形模型；圖8是典型壓痕的加卸載曲線；圖9是Sneddon的分析模型；圖10是電磁式微力學壓痕測試儀中樣品臺的剖面圖；圖11是電磁式微力學壓痕測試儀中樣品臺的俯視圖；圖12是電磁式微力學壓痕測試儀的測試方法流程圖。
具體實施例方式
下面結合附圖對本發明的一個優選實施例進行詳細說明圖1所示的為電磁式微力學壓痕測試儀的測試系統示意圖，整個系統包括含信號發生模塊和信號採集模塊的計算機、功率放大器和測試儀主機。
其中，信號發生模塊和信號採集模塊可採用市場上已有的信號發生卡和信號採集卡，在本實施例中，信號發生模塊為阿爾泰公司的PCI2007A，信號採集模塊為凌華公司的DAQ2006。
在本實施例中，功率放大器採用揚州無線電二廠的YE5872。
測試儀主機的結構如圖1、圖2所示，包括金屬結構的主機機架1、樣品臺2、電磁驅動機構4、提升機構6。其中主機機架1包括一個底座9、兩個固定安裝在底座9上的立柱7、一個安裝在兩個立柱7上的移動架5、一個固定安裝在兩個立柱7頂部的上橫梁8，該上橫梁8為中央有一螺孔的金屬板。移動架5與兩個立柱7滑動配合，其上安裝有調節高度的固定機構，例如在移動架上開有螺孔，通過一根螺釘固定，使得移動架5可以在立柱7上定位鎖緊。提升機構6包括手輪21和與其相互固連的金屬螺杆20，螺杆20穿過上橫梁8的螺孔，並與該螺孔相配合，螺杆20一端與移動架5垂直相連。提升機構6可以通過手輪的旋轉帶動移動架5沿兩個立柱7上下移動。樣品臺2安裝在主機機架1的底座9上，它含有高度調節機構，該樣品臺2的結構將在下文中詳述。電磁驅動機構4固定安裝在移動架5下底面。
其中，電磁驅動機構4的結構如圖3所示，包括用金屬製做的圓筒狀的驅動機構框架22、作用軸11、線圈支架23、懸浮彈簧組12、磁鋼13、線圈14、高分辨力位移傳感器15。其中驅動機構框架22底面留有一圓孔，可供作用軸11通過，該框架22的頂端固定在移動架5的下底面。磁鋼13是採用釹鐵硼磁性材料製作的，磁鋼在充磁裝置上充磁後，經過老化處理，將保持高度穩定的磁感應強度。磁鋼13的形狀設計成一個圓柱體磁極外套一與其同軸的圓桶的結構，該圓柱體磁極與圓桶之間留有間隙，可供線圈支架23插入，磁鋼13沿直徑的剖面為「m」形，磁鋼13上端固定在框架22頂面的下側。線圈支架23為一金屬桶狀物，其底部與作用軸11的頂端固連，上端套放在磁鋼13的圓柱體磁極上。為減輕重量，線圈支架23可採用鋁製材料。線圈14纏繞在線圈支架23上。作用軸11為一金屬軸，其下端設有安裝附件的接口，根據測試需要可選擇安裝不同的附件。在本實施例中，作用軸11上安裝壓針10。懸浮彈簧組12分為上下兩層，每一層至少由3根彈簧組成，分別安裝在作用軸11與驅動機構框架22之間，其橫向剛度為105N/m，其縱向剛度150N/m；其一端與框架22的內側壁相固連，另一端與作用軸11相連。懸浮彈簧組12可以採用銅片做的一體化的膜片彈簧，也可以採用金屬絲拉緊形式。作用軸11可以由懸浮彈簧組12支撐，它在水平方向上的運動受到限制，在豎直方向上可以自由運動。高分辨力位移傳感器15為非接觸式測量裝置，安裝在電磁驅動機構框架22底面上側靠近作用軸11處。作用軸11下可以固定壓針10。
如圖10和11所示，測試儀主機中，樣品臺2包括載物臺外套18、圓柱狀載物臺16、試樣壓緊螺帽17。載物臺外套18用螺栓21固定安裝在底座中央，載物臺外套18中間為通孔19，圓柱狀載物臺16(其上部有一段螺紋，下部光滑)垂直插入其中，下部光滑部分和通孔構成間隙配合；通孔的側壁開槽24，槽的兩側由螺栓25連接，鬆緊螺栓25可以微調通孔的內徑，從而達到抱緊載物臺的目的。調節高度時，擰松螺栓，上下調節載物臺的高度，確定位置後，再擰緊螺栓，抱死載物臺。試樣壓緊螺帽通過載物臺側壁上部的螺紋和載物臺連接，其上部開有橢圓形槽，以露出試樣的被測表面；試樣壓緊螺帽外圓滾花，便於手動操作。安裝試樣時，只需要將試樣測試面向上放置在載物臺上表面中央，擰緊試樣壓緊螺帽，便可將試樣牢固固定在載物臺上。這種設計不僅可以保證試樣在安裝和高度調節操作後仍可以保持被測表面的水平，而且安裝和拆卸操作都極為方便。
進行測試前，如圖2、圖3所示，先將被測試樣3固定在載物臺上，測試面向上。調節載物臺的高低位置，使得試樣處於壓針的工作行程之內。如果試樣比較大，可以通過提升機構6調節移動架5的高度，同樣可以使得試樣處於壓針的工作行程之內。這些準備工作做完後，開始進行測試。
圖12示出了本發明一個優選實施例的測試方法的流程圖，具體步驟如下所述在步驟101中，由計算機控制信號發生模塊產生驅動信號。其大小是由試驗所需要的最大載荷決定的。
在步驟102中，步驟101中產生的驅動信號通過功率放大器進行放大，使其能夠產生足夠的載荷。放大後輸出一電流信號；在步驟103中，經功率放大器放大後輸出的電流信號驅動測試儀主機運動。在圖3中，磁鋼13圓柱與圓桶間隙處的磁場可近似為均勻磁場，其磁力線為水平徑向。線圈14置於磁鋼13形成的均勻磁場處，當放大後的電流信號通過線圈14時，線圈14受到一個豎直向下的電磁力作用，從而帶動作用軸11向下運動，將壓針10壓入被測材料。
在步驟104中，信號採集模塊採集位移和線圈的驅動信號。線圈的驅動信號是用信號採集模塊(在線圈上)採集的通過線圈的電流信號，位移信號是用信號採集模塊採集的位移傳感器的輸出信號，本實施例中為電容式位移傳感器的輸出電壓信號。
在步驟105中，步驟104中採集到的信號通過換算得到壓針10的位移值和載荷值。其中位移值通過步驟104中採集到的位移信號得到，載荷值通過採集到的線圈的驅動電流信號得到。根據電磁學理論可知，載荷值與磁場強度、線圈中通過的電流以及線圈總長度(即線圈每圈周長乘以匝數)成正比，當磁場強度和線圈總長度已定時，測得線圈中通過的電流即可算出載荷值的大小。
在步驟106中，判斷是否符合試驗條件。該試驗條件為載荷是否達到試驗開始時的設定值，或位移是否達到開始時的設定值，或試驗持續時間是否達到試驗開始時的設定值。若判斷為是，進入步驟107；若判斷為否，回到步驟101重新開始測試。
在步驟107中，按照力學模型對測得的位移值和載荷值進行計算，其原理及具體步驟將在下文詳述。
在步驟108中，通過步驟107的計算，得到被測材料的壓入硬度與壓入模量，並輸出計算結果，測試工作結束。
步驟107中，按照力學模型對測得的位移值和載荷值進行計算的原理及其步驟如下在前面的步驟中，用計算機的信號採集模塊採集線圈上的驅動信號，通過換算可以得到施加在試樣上的載荷；位移的大小用高解析度位移傳感器記錄；這樣就可以得到加卸載過程中的位移－載荷曲線，如圖4所示，然後對數據進行處理(其原理將在下文中詳述)，就可以獲得被測試樣的壓入硬度和壓入模量等力學參數，如圖5、6所示。
通過控制測試儀的驅動電流信號而直接對被測試樣進行加載，通過高分辨力位移傳感器測量試樣的壓入深度，從而獲得試樣的載荷—位移曲線。利用載荷—位移曲線，再通過一定的計算即可得到被測材料的壓入硬度和壓入模量。
如圖8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8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為對應於Pmax的壓痕深度，即最大壓入深度；hf為殘餘壓入深度；hc是接觸深度，如圖7所示；ε是與壓針類型相關的幾何常數；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，首先應根據試驗數據建立卸載過程深度與荷載的關係P＝B(h-hf)m(4)式中，B、hf，和m為擬合參數。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後，可以計算出最大荷載時的接觸深度hchc=hmax-hs=hmax-PmaxS---(6)]]>式中的係數ε僅與壓針的形狀有關。對於圓錐壓針，ε＝2(π-2)/π對圓柱壓針ε＝1.00；對旋轉拋物體壓針ε＝0.75。值得注意的是，式(6)只適用於接觸深度小於壓入深度的情況，不能說明凸起的塑性現象。
再接著計算出接觸面積，接觸面積由面積函數A＝f(hc)確定，有時也稱為壓針的形狀函數。對於理想玻氏壓針，A=24.56hc2,]]>理想維氏壓針，A=24.50hc2.]]>由於加工缺陷和使用磨損，壓針端部往往偏離理想情況，所以對淺壓痕，需要建立面積函數來修正。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後，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9所示，給出了載荷和壓針壓入深度之間的關係。其中，當壓針端部為圓柱時，有下面的關係存在P=2Ea1-2h---(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=A.]]>式(7)兩邊對壓入深度h進行求導得dPdh=2AE(1-2)---(8)]]>該式雖然是由圓柱壓針推導出來，但已經被證明可以用到側面由光滑函數描述的旋轉體壓針，而不依賴於壓針的幾何形狀。
但是，壓針在壓入過程中會產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。習慣引入複合模量Er，作為壓針與試樣彈性變形的複合響應。
1Er=(1-2)E+(1-i2)Ei---(9)]]>式中Ei，υi分別為壓針的彈性模量和泊松比，對於普遍採用的金剛石壓針，其彈性模量為1141GPa，泊松比為0.07。由此，式(8)變為dPdh=2AEr---(10)]]>式(9)和式(10)不依賴於壓針的幾何形狀，也不依賴於材料的突起(pile-up)或凹陷(sink-in)行為。由(9)和(10)聯立可以求出材料的模量E。
本發明提供的電磁式微力學壓痕測試儀雖然特別適用於利用壓入深度測量法對材料力學性能進行測試，但也同樣適用於利用傳統的殘餘壓痕成像法測量材料硬度，這是本領域的專業技術人員容易理解的。
權利要求
1.一種電磁式微力學壓痕測試儀，包括計算機、測試儀主機、功率放大器；其中測試儀主機通過功率放大器與計算機電連接；其特徵在於所述的計算機含有信號發生模塊和信號採集模塊；所述的測試儀主機包含一由底座(9)上固定兩根立柱(7)，其立柱(7)上安裝一移動架(5)並與立柱(7)滑動配合，立柱(7)頂端安裝一上橫梁(8)組成的主機機架(1)；一安裝在底座(9)上的樣品臺(2)，該樣品臺(2)安裝有高度調節機構；一安裝在上橫梁上的提升機構(6)，該提升機構(6)的末端與移動架(5)垂直連接；一安裝在移動架(5)下底面的電磁驅動機構(4)，包括一封閉圓筒，其底面留有一圓孔的驅動機構框架(22)；一個中心帶有圓柱的圓桶狀磁鋼(13)，其剖面為「m」形；磁鋼(13)上端固定在框架(22)內頂面下；一線圈支架(23)上纏繞線圈(14)，該線圈支架(23)插入磁鋼(13)的圓柱和桶壁之間的空隙內；線圈支架(23)底端固連一作用軸(11)，該作用軸(11)下端設有安裝附件的接口，並可從驅動機構框架(22)的底面圓孔通過；一分為上下兩層的、安裝在作用軸(11)與驅動機構框架(22)之間的彈簧組；一安裝在電磁驅動機構框架(22)內底面上，並靠近作用軸(11)處的高分辨力位移傳感器(15)；所述的計算機中的信號發生模塊經由功率放大器與測試儀主機相連，信號採集模塊與測試儀主機直接相連。
2.按權利要求1所述的電磁式微力學壓痕測試儀，其特徵在於所述的提升機構(6)包括手輪(21)和與其相固連的金屬螺杆(20)，螺杆(20)穿過上橫梁(8)的螺孔，並與該螺孔相配合，螺杆(20)的另一端與移動架(5)垂直相連。
3.按權利要求1所述的電磁式微力學壓痕測試儀，其特徵在於所述的樣品臺(2)包括一用螺栓固定安裝在測試儀主機底座中央的載物臺外套(18)，該載物臺外套(18)中間有一通孔(19)，通孔(19)的側壁開槽(24)，槽的兩側由可以微調通孔內徑的螺栓(25)連接；一垂直插入通孔(19)並與通孔構成間隙配合的圓柱狀載物臺(16)，載物臺(16)上端有一段螺紋，下端光滑；其上端螺紋與試樣壓緊螺帽(17)螺合，該螺帽外圓滾花。
4.按權利要求1所述的電磁式微力學壓痕測試儀，其特徵在於所述的磁鋼(13)採用釹鐵硼磁性材料製作。
5.按權利要求1所述的電磁式微力學壓痕測試儀，其特徵在於所述的作用軸(11)為一金屬軸，還包括在該作用軸(11)的安裝附件的接口上安裝壓針(10)。
6.按權利要求1所述的電磁式微力學壓痕測試儀，其特徵在於所述的電磁驅動機構中的線圈支架(23)採用鋁製材料製做。
7.一種應用電磁式微力學壓痕測試儀測量對材料力學性能進行測試的方法，包括以下步驟(1)由計算機控制信號發生模塊產生驅動信號；(2)驅動信號通過功率放大器進行放大，放大後輸出一電流信號；(3)放大後輸出的電流信號驅動測試儀主機運動，將壓針(10)壓入被測材料；(4)信號採集模塊採集位移信號和線圈的驅動信號；(5)採集到的信號通過換算得到壓針(10)的位移值和載荷值；(6)判斷是否符合試驗條件，該試驗條件為載荷是否達到試驗開始時的設定值，或位移是否達到開始時的設定值，或試驗持續時間是否達到試驗開始時的設定值；若判斷為是，進入下一步，若判斷為否，回到第一步重新開始測試；(7)按照力學模型對測得的位移值和載荷值按下述進行計算(a)由位移值和載荷值得到試樣的載荷—位移曲線，通過載荷—位移曲線計算出接觸剛度S，進而計算出最大荷載時的接觸深度hc，再接著計算出接觸面積，最後由最大載荷值和接觸面積得到壓入硬度；(b)通過已有的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的模型，以及測得的載荷—位移曲線，得到彈性模量與載荷、位移的關係式，從而得到彈性模量的值，該彈性模量為複合模量，是壓針與試樣彈性變形的複合響應，已知壓針的壓入彈性模量，即可求出式樣的壓入彈性模量；(8)輸出計算結果，測試結束。
全文摘要
本發明涉及電磁式微力學壓痕測試儀及其測試方法。該測試儀包括計算機的信號發生模塊經由功率放大器與測試儀主機相連，信號採集模塊與測試儀主機相連；主機底座上固定兩根立柱，頂端安有橫梁，橫梁上設提升機構，其下端與移動架垂直連接；移動架與立柱滑動配合；移動架下底面安裝電磁驅動機構，其內的電磁線圈和作用軸固連，作用軸下端設有安裝附件的接口，一高分辨力位移傳感器安裝在電磁驅動機構框架內框上；底座上安裝樣品臺。由於採用電磁驅動方式，使得載荷分辨力得以大幅度提高；並且由於採用壓入深度測量法，可以獲得材料的硬度和模量，並可實時監測材料性能隨壓入深度的變化情況，這是目前常規硬度計無法實現的。
文檔編號G01N3/40GK1746653SQ20041007453
公開日2006年3月15日 申請日期2004年9月7日 優先權日2004年9月7日
發明者張泰華, 郇勇, 楊業敏, 劉東旭 申請人:中國科學院力學研究所