材料試驗機的壓痕測試功能改進方法及其改進裝置的製作方法

2023-10-18 05:50:24

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製作方法
技術領域：
本發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：
目前，用於測試材料力學性能的材料試驗機，多採用載荷傳感器測量載荷，驅動方式多為馬達驅動，雖然具有拉伸、壓縮、彎曲、剪切、扭轉等功能，但不擅長進行壓痕試驗以獲得材料的硬度等力學參數。雖然現在有一些材料試驗機可以裝配壓針進行硬度測試，但需要在壓痕試驗後對殘餘壓痕進行成像以測量殘餘壓痕表面積來計算硬度。這種測量方法和工業界普遍採用的硬度計所採用的方法是一樣的。具體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=PmaxArestdual---(1)]]>式中，Pmax為最大載荷，Arestdual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Arestdual=d22sin2---(2)]]>式中，α為維氏壓針對面夾角，136°。
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，用壓痕測試來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，並不是所有材料的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，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。第三，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，力學研究人員發展了一種應用範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。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容不同，式(1)中的Arestdual是殘餘壓痕中的接觸面積，其定義的硬度稱為顯微硬度(micro hardness)；而A(hc)是與Pmax對應時刻的壓痕接觸投影面積，這裡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。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)。
但是，由於傳統的材料試驗機多為馬達驅動，通過計量馬達旋轉的圈數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)，通過串聯載荷傳感器來測量載荷。這種結構設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採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用前景的方法，而材料試驗機已經是工業界普遍採用的一種材料力學性能測試儀器，有著廣泛的用戶基礎。因此將該種方法應用到傳統材料試驗機將會大大拓寬材料試驗機的功能，並且這一功能也是常規的硬度計無法實現的。

發明內容
本發明的目的是為了拓寬常規材料試驗機的功能，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，並可實時監測試樣性質隨壓入深度的變化情況。
本發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據處理，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)用帶有信號採集模塊的計算機採集材料試驗機的載荷傳感器信號，同時採集本材料試驗機上設置的非接觸式高分辨力位移傳感器的信號；(b2)將採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，然後強行指定該點為接觸零點。
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，並且由於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，由於採用壓入深度測量法來處理試驗數據，因此不僅可以獲得被測材料的硬度，而且可以獲得模量，這是目前常規硬度計也無法實現的。和常規硬度測試相比，本發明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。
為達到上述目的，本發明提供的材料試驗機改進裝置包括材料試驗機；其特徵在於還包括一直接固定安裝在試驗機底座上的樣品臺，該樣品臺採用整體結構設計，無間隙；一安裝於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，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置樣品臺8，其上放置被測試樣7。
傳統材料試驗機經上述改進後，能夠採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果的精確度。若非接觸式位移傳感器採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生變化，使得電容式位移傳感器的輸出電壓信號發生改變，將該信號傳給計算機就可以換算為位移信號。由於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。


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是經過零點修正後加卸載位移-載荷曲線圖；圖4是試驗得到的工業純鋁L2的壓入硬度測試結果；圖5是試驗得到的工業純鋁L2的壓入模量測試結果；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
下面結合附圖對本發明的優選實施例進行詳細說明本發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用計算機的信號採集模塊採集材料試驗機的載荷傳感器信號以及本發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採集到的載荷傳感器信號和位移傳感器的信號經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根據步驟103得出的位移-載荷曲線，按照力學模型進行數據處理，其原理與過程將在下文中祥述。
步驟105最後得出被測試樣的壓入硬度和壓入模量等力學參數，如圖4、5所示。
在步驟104中，由試驗直接採集到的原始數據得出的加卸載位移-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，然後強行指定該點為接觸零點，如圖2、3所示。
本發明的步驟104中的數學處理過程及其原理敘述如下本發明採用壓入深度測量法，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6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。力學研究人員已經通過理論計算得出，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8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。
本實施例中，為適於採用本發明提供的改進測試方法，對傳統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，採用Instron5848材料試驗機，該材料試驗機為馬達驅動，通過測量作用軸位移來計量試樣變形，通過串聯載荷傳感器來測量載荷。這種結構設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採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，在本實施例中採用Instron5848microtester型號的材料試驗機上進行改進，製作一本發明的具有改進的壓痕測試功能的測試系統。
Instron5848microtester型號的材料試驗機為加載機構。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；製作一個測量電極板3並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係。該位移傳感器測量測量位移時需要具備兩個電極板，傳感器本身已經有一個電極板2，為了測量壓針的位移，製作一個測量電極板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生變化，使得電容式位移傳感器的輸出電壓信號發生改變，將該信號傳給計算機就可以換算為位移信號。由於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。
理論上講，位移傳感器的安裝方式已經可以保證測量的位移為壓針壓入試樣的位移，但是實際操作中發現，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，並且要採用大剛度金屬材料製作(本實施例中採用鋼)。
本實施例中對傳統的材料試驗機進行的改進，雖然採用了電容式位移傳感器作為壓針位移測量裝置，但同樣可以採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，這是本專業領域的技術人員容易理解的。
權利要求
1.一種材料試驗機的壓痕測試功能的改進方法，其特徵是，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據處理，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，其特徵是，所述步驟(b)中，包括以下步驟(b1)用帶有信號採集模塊的計算機採集材料試驗機的載荷傳感器信號，同時採集本材料試驗機上設置的非接觸式高分辨力位移傳感器的信號；(b2)將採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，其特徵是，所述步驟(c)中，還包括在數據處理前進行的調零步驟，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，然後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；其特徵在於，還包括一直接固定安裝在試驗機底座上的樣品臺，該樣品臺採用整體結構設計，無間隙；一安裝於材料試驗機樣品臺上的非接觸式位移傳感器。
5.按權利要求4所述的材料試驗機的改進裝置，其特徵在於，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.按權利要求5所述的材料試驗機的改進裝置，其特徵在於，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，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置樣品臺8，其上放置被測試樣7。
全文摘要
本發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，然後按照壓入深度測量法進行數據處理，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；一安裝於材料試驗機樣品臺上的非接觸式位移傳感器。採用上述技術方案，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。本發明可以同時獲得被測材料的硬度和模量，並可實時監測載荷隨壓入深度的變化情況。另外，本發明不需要對殘餘壓痕面積進行成像測量，減小了誤差，同時真正實現了壓完壓痕即可得到結果。
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 優先權日2004年9月21日
發明者張泰華, 郇勇, 劉東旭, 楊業敏 申請人:中國科學院力學研究所