CN105716975A

CN105716975A - 一种材料机械性能测定装置及其压头组件和测定方法

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Publication number: CN105716975A
Application number: CN201610109773.2A
Authority: CN
Inventors: 金南辉
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2016-02-26
Filing date: 2016-02-26
Publication date: 2016-06-29

Abstract

本发明公开了一种材料机械性能测定装置及其压头组件和测定方法，所述材料机械性能检测定用压头包括用于施压于被测对象上以获取压痕的压头及压头杆，用于获取所述压头的压力和压深的传感器组件，用于获取压痕的图像及被测对象变形尺寸数据的光学组件；其中，所述压头杆为中空结构，光学组件设于压头杆上，压头由透明材料制成，设于压头杆的端部，光学组件的光成像路径与压头的施压方向一致。本发明解决了光学组件的实时数据的采集，结合传感器组件和光学组件的实现的多次实时的测量数据的可能，所以可在材料机械性能的表征中增加两个表征因数，提高力学性能检测准确性。

Description

一种材料机械性能测定装置及其压头组件和测定方法

技术领域

本发明涉及材料机械性能检测技术领域，特别是涉及一种材料机械性能测定装置及其压头组件和测定方法。

背景技术

用压痕方法做硬度或材料机械性能测定，这是标准的硬度测量方法，在给定压痕深度时测量压力，推测硬度和材料机械性能，目前的检测仪器多适用于实验室或一些固定的检测地点，这导致采用压痕法进行检测时是破坏性的，需要对被检测的物体进行抽样然后到固定地点或实验室进行检测，不能便携，所以适用的场合的比较局限，目前这种方法已有便携的仪器化设备，由于材料机械性能不同、受力状态不同，压痕深度对应的压痕直径是变化的，需要大量的标定工作，误差较大。

现有的便携的仪器化设备多采用单一压头单次测量来表征材料机械性能，即通过一个压头对被测件做一次压痕试验，再撤离这一压头，转换至光学组件对压痕进行检测，最后根据单次得到的数据进行材料机械性能的表征，这一检测无法实现实时的多次检测，由于压痕的形成过程中是一个弹塑性变形的过程，当压头撤离被测件表面，不再作用在被测件上时，被测件的压痕存在回弹的现象，导致压痕的深度、大小和面积均小于未撤离时值，这样进而导致后续光学组件只是采集了卸载后的对压痕大小或面积、获取的数据不准确，最后导致测量的硬度不准确，准确性不高。

所以随着科学研究的发展，越来越多压痕技术领域的科学家开始相信，材料的弹塑性力学性不能由一个压头导致压痕的形状因子唯一决定，单一压头是不能够唯一反推出相对应的材料机械性能的，要做到一一对应的正反推过程，必须另外增加压痕表征因数，前辈们已经有了一些通过压痕法表征金属材料弹塑性力学性能的研究成果，但一直没有很好解决唯一性的问题，检测方法没能成形，没有仪器化，更没有实现便携化，这一问题到目前为止仍然是学术界讨论的热点，因为如何制作能表征这两个因数来反映这个一一对应的正反推过程的仪器化设备成为关键。

同时目前为了做到检测的便携化和仪器化，目前现有的检测方法多为加卸载后用显微镜测量残余压痕，与理论面积比较，来推算硬度和材料机械性能，理论上和精度上都较好，但无法仪器化和便携化。

要制作适用于解决这一上述唯一性的问题的便携以及可仪器化的设备，要做到的既是单个压头测量时不脱离被检测件，同时还需保证实时数据的多次准确采集，同时又需保证便携和仪器化。

发明内容

本发明目的在于提出一种材料机械性能测定装置及其压头组件和测定方法，以解决上述现有技术对于唯一性问题不能形成便携化和仪器化的检测设备，以及检测结果不准、精度不高等的技术问题。

本发明提出了一种材料机械性能测定用压头组件，包括：用于施压于被测对象上以获取压痕的压头及压头杆，用于获取所述压头的压力和压深的传感器组件，用于获取所述压痕的图像及被测对象变形尺寸数据的光学组件；其中，所述压头杆为中空结构，所述光学组件设于所述压头杆上，所述压头由透明材料制成，设于所述压头杆的端部，所述光学组件的光成像路径穿过所述压头杆与所述压头的施压方向一致。

优选地，本发明的压头组件还可以具有如下技术特征：

所述光学组件包括设有摄像光源的摄像头和显微镜，所述摄像头和所述显微镜同设与所述压头杆中，所述摄像头、所述显微镜和所述压头形成的光成像路径与所述压头的施压方向一致。

所述传感器组件包括压力传感器和压深传感器，所述压力传感器设于所述压头杆的端部，所述压深传感器设于所述压头杆外侧。

所述压头杆沿轴向开设有0.5～4mm的通孔，使压痕图像和摄像光源光线经过通孔和透明压头与设置于所述通孔中的所述光学组件形成光学通路。

所述压头形状为圆锥形、棱锥型或半球型。

所述压头由金刚石材料制成。

所述光学组件采用具有自动对焦功能的显微镜和摄像头。

此外，本发明还提出了一种材料机械性能测定装置，包括底座、立柱和悬臂，设于所述悬臂上的显示屏，设于所述底座上的压板试台，所述底座、立柱和悬臂依次固定连接，还包括设于所述悬臂上的如上述任一项所述的材料机械性能测定用压头组件。

再者，本发明还提出了一种材料机械性能测定方法，采用上述的材料机械性能测定装置进行材料的材料机械性能测定，加载压力通过所述压头杆驱动所述压头分多次等深度下压，包括：

S1：压入至预定深度h停止下压，稳定时间t，测定此时所述压头的压力P1、压痕深度h1和压痕面积S1，直至所有数据测定完毕，执行步骤S2；

S2：卸载一半的压入深度，稳定时间t，测定此时所述压头的压力P2、压痕深度h2和压痕面积S2，直至所有数据测定完毕，执行步骤S3；

S3：再次压入至预定深度h停止下压，稳定时间t，测定此时所述压头的压力P3、压痕深度h3和压痕面积S3，直至所有数据测定完毕，执行步骤S2，直至测试完毕，撤掉所述压头；

S4:根据步骤S1-S3测得的压力、压痕深度和压痕面积数据计算出被测件的材料机械性能。

优选地，本测定方法还可以具有如下技术特征：

所述多次下压的次数为5～20次，所述材料机械性能包括材料的抗拉强度、屈服强度、弹性模量、硬度、材料常数、泊松比、塑性、断裂韧性或残余应力。

本发明与现有技术对比的有益效果包括：本发明提出的材料机械性能测定用压头组件由压头杆、压头和光学组件组成，压头设于压头杆的端部，其中，所述压头杆为中空结构，所述光学组件设于所述压头杆上，所述光学组件的光成像路径与所述压头的施压方向一致，这样在工作的检测的过程中，便无需将压头撤离压痕便可通过设于其中的光学组件进行获取压痕的相关数据，这一结构方式解决了光学组件的实时数据的采集，光学组件可实时对压痕面积等其他的变形尺寸数据进行检测，通过设置在所述压头上的传感器组件可是实时的检测压头的压力和压痕深度，结合传感器组件和光学组件的实现的多次实时的测量数据的可能，所以可在材料机械性能的表征中增加两个表征因数，提高力学性能检测准确性，相比于现有的光学组件和压头是分开各自独立工作的而言，避免了当压头撤离被测件表面，不再作用在被测件上时，由于被测件的压痕存在回弹的现象，充分解决了唯一性的问题，从而使压痕的深度、大小和面积能实时的进行检测，保证了光学组件在对压痕大小或面积进行采集、获取的数据准确，提高了材料机械性能的精准度。

本发明提出的材料机械性能测定装置利用了上述的材料机械性能测定用压头组件，对材料机械性能进行测量，所以具有比现有的检测装置更好的精确度。

本发明提出的所述材料机械性能测定方法通过上述的测定装置实现的对压痕数据多次实时测量的可能，提供了一种解决唯一性问题的方法，为更好的采用压痕法来表征材料机械性能提供了参考。

一个优选方案中，光学组件包括设有摄像光源的摄像头和显微镜，同设于压头杆中，所述摄像头、所述显微镜和所述压头形成的光成像路径与所述压头的施压方向一致，实现了光学组件与压头杆的一体化设置，通过显微镜可以将压痕进行放大，便于摄像头获取图像。

另一个优选方案中，传感器组件中的压力传感器和压深传感器可以压头的压力和压痕的深度，完成数据的实时采集。

再一个优选方案中，压头杆中的通孔大小可满足放置不同的放大系数，不同尺寸的显微镜的要求。

附图说明

图1是本发明具体实施方式一和二的结构示意图；

图2是本发明具体实施方式一和二的结构示意图。

1-压头，2-显微镜，3-压头杆，4-摄像头，5-悬臂，6-压力传感器，7-压深传感器，8-通孔。

h-压痕深度，s-压痕面积。

具体实施方式

下面结合具体实施方式并对照附图对本发明作进一步详细说明。应该强调的是，下述说明仅仅是示例性的，而不是为了限制本发明的范围及其应用。

参照以下附图，将描述非限制性和非排他性的实施例，其中相同的附图标记表示相同的部件，除非另外特别说明。

实施例一：

本实施例提出了一种材料机械性能测定用压头组件，如图1和图2所示，包括：用于施压于被测对象上以获取压痕的压头1及压头杆3，用于获取所述压头1的压力和压深的传感器组件，用于获取所述压痕的图像及被测对象变形尺寸数据的光学组件；其中，所述压头杆3为中空结构，所述光学组件设于所述压头杆3上，所述压头1由透明材料制成，设于所述压头杆3的端部，所述光学组件的光成像路径与所述压头1的施压方向一致。

本实施例提出的材料机械性能测定用压头组件由压头杆3、压头1和光学组件组成，压头1设于压头杆3的端部，其中，所述光学组件设于所述压头杆3上，所述光学组件的光成像路径与所述压头1的施压方向一致，这样在工作的检测的过程中，便无需将压头1撤离压痕便可通过设于其中的光学组件进行获取压痕的相关数据(h-压痕深度，s-压痕面积)，这一结构方式解决了光学组件的实时数据的采集，光学组件可实时对压痕面积等其他的变形尺寸数据进行检测，通过设置在所述压头上的传感器组件可是实时的检测压头的压力和压痕深度，结合传感器组件和光学组件的实现的多次实时的测量数据的可能，所以可在材料机械性能的表征中增加两个表征因数，提高力学性能检测准确性，相比于现有的光学组件和压头1是分开各自独立工作的而言，避免了当压头1撤离被测件表面，不再作用在被测件上时，由于被测件的压痕存在回弹的现象，充分解决了唯一性的问题，从而使压痕的深度(h-压痕深度)、大小和面积(s-压痕面积)能实时的进行检测，保证了光学组件在对压痕大小或面积进行采集、获取的数据准确，提高了材料机械性能的精准度。

本实施例中，更为具体的，所述光学组件包括设有摄像光源的摄像头4和显微镜2，所述摄像头4和所述显微镜2同设与所述压头杆3中，所述摄像头4、所述显微镜2和所述压头1形成的光成像路径与所述压头1的施压方向一致，光学组件包括设有摄像光源的摄像头4和显微镜2，同设于压头杆3中，所述摄像头4、所述显微镜2和所述压头1形成的光成像路径与所述压头1的施压方向一致，实现了光学组件与压头杆3的一体化设置，通过显微镜2可以将压痕进行放大，便于摄像头4获取图像。

所述传感器组件包括压力传感器6和压深传感器7，所述压力传感器6设于所述压头杆3的端部，所述压深传感器7设于所述压头杆3外侧，传感器组件中的压力传感器6和压深传感器7可以压头1的压力和压痕的深度，完成数据的实时采集。

所述压头杆3中开设有1mm的通孔8，使压痕图像和摄像光源光线经过通孔8和透明压头1与设置于所述通孔8中的所述光学组件形成光学通路。当然，本实施例并不限于此，还可根据其他实际情况设置不同直径的通孔8，压头杆3中的通孔8大小可满足放置不同的放大系数，不同尺寸的显微镜2的要求。

所述压头1形状为圆锥形，所述圆锥形的压头的锥角可为120度、140度或160度等，但并不限于此，还可根据实际情况设置不同锥角的压头1，其范围优选在120～160度之间。同时，本实施例还可根据其他实际情况设置不同型号的压头1，如半球行、棱锥形等。所述压头1优选采用金刚石材料制成，所述光学组件优选采用具有自动对焦的显微镜2和摄像头4。

实施例二：

本实施例提出了一种材料机械性能测定装置，如图1-2所示，包括底座、立柱和悬臂5，设于所述悬臂5上的显示屏，设于所述底座上的压板试台，所述底座、立柱和悬臂5依次固定连接，还包括设于所述悬臂5上的如实施例一所述的材料机械性能检测压头。

本实施例提出的材料机械性能检测装置利用了上述的材料机械性能检测压头，对材料机械性能进行测量，所以具有比现有的检测装置更好的精确度。

实施例三：

本实施例提出了一种材料机械性能测定方法，采用上述实施例二的材料机械性能测定装置进行测定，加载压力通过所述压头杆驱动所述压头分多次等深度下压，包括：

S1：压入至预定深度h停止下压，稳定时间t，测定此时所述压头1的压力P1、压痕深度h1和压痕面积S1，直至所有数据测定完毕，执行步骤S2；

S2：卸载一半的压入深度，稳定时间t，测定此时所述压头1的压力P2、压痕深度h2和压痕面积S2，直至所有数据测定完毕，执行步骤S3；

S3：再次压入至预定深度h停止下压，稳定时间t，测定此时所述压头1的压力P3、压痕深度h3和压痕面积S3，直至所有数据测定完毕，执行步骤S2，直至测试完毕，撤掉所述压头；

本实施例对压头施压给进过程中，在对压痕深度进行控制和测量的同时进行压力测量、压痕面积和堆积面积测量，微机智能系统通过优选的算法，可以推算出：抗拉强度、屈服强度、硬度、材料常数、塑性、断裂韧性、残余应力等。

本实施例每个测试过程分5至20次等深度递进压入，每次压入到预定深度h稳定一定时间，卸载一半的压入深度稳定一定时间，后再次压入到下个预定深度，在整个压入加载过程中测量压力，测量加载时压痕深度hs和压痕面积S，测量卸载后压痕深度h0和卸载后压痕面积S0，不需移除压头。

本实施例在加载压入预定深度的同时获得对应的压力，和对应的变形面积(及变形直径、对角线长度、边线形状、堆积和凹陷状况等)；可以在获得压头压入材料过程的同时，实时获得对应的压力，对应的变形面积(及变形直径、对角线长度、边线形状、堆积和凹陷状况等)；也可以测量卸载后的变形面积(及变形直径、对角线长度、边线形状、堆积和凹陷状况等)。

通过位移载荷曲线和位移变形曲线；

\frac{P}{{Eh}^{2}} = \frac{K_{1} + K_{2} n + K_{3} S}{1 + K_{4} n + K_{5} S} - - - 1

\frac{W_{t} - W_{e}}{W_{t}} = \frac{A_{c} - A_{r}}{A_{c}} = K_{6} + K_{7} n^{1.5} + \frac{K_{8}}{\ln S} - - - 2

\frac{A - A_{r}}{A} = \frac{K_{9} + K_{10} n + K_{11} S}{1 + K_{12} n + K_{14} S^{2}} - - - 3

其中：

S = \frac{σ_{y}}{E}

K1…n:拟合系数

P:压痕载荷；h:压痕深度；hr：残余深度；hc:接触深度；C：加载曲线；

A:压痕面积；Ar：残余面积；Ac:接触面积；

Wt：压痕过程的总功；Wp：塑性功；We：弹性功；S：卸载刚度；

金属弹性参数：E:弹性模量；σy：屈服强度；σb：抗拉强度；n：硬化指数；v：泊松比；

通过解上述方程组可以推算出材料机械性能。

上述材料机械性能是包括材料的抗拉强度、屈服强度、弹性模量、硬度、材料常数、泊松比、塑性、断裂韧性、残余应力等的简称。

本领域技术人员将认识到，对以上描述做出众多变通是可能的，所以实施例仅是用来描述一个或多个特定实施方式。

尽管已经描述和叙述了被看作本发明的示范实施例，本领域技术人员将会明白，可以对其作出各种改变和替换，而不会脱离本发明的精神。另外，可以做出许多修改以将特定情况适配到本发明的教义，而不会脱离在此描述的本发明中心概念。所以，本发明不受限于在此披露的特定实施例，但本发明可能还包括属于本发明范围的所有实施例及其等同物。

Claims

1.一种材料机械性能测定用压头组件，其特征在于，包括：用于施压于被测对象上以获取压痕的压头及压头杆，用于获取所述压头的压力和压深的传感器组件，用于获取所述压痕的图像及被测对象变形尺寸数据的光学组件；其中，所述压头杆为中空结构，所述光学组件设于所述压头杆上，所述压头由透明材料制成，设于所述压头杆的端部，所述光学组件的光成像路径穿过所述压头杆与所述压头的施压方向一致。

2.如权利要求1所述的材料机械性能测定用压头组件，其特征在于：所述光学组件包括设有摄像光源的摄像头和显微镜，所述摄像头和所述显微镜同设与所述压头杆中，所述摄像头、所述显微镜和所述压头形成的光成像路径与所述压头的施压方向一致。

3.如权利要求2所述的材料机械性能测定用压头组件，其特征在于：所述传感器组件包括压力传感器和压深传感器，所述压力传感器设于所述压头杆的端部，所述压深传感器设于所述压头杆外侧。

4.如权利要求2所述的材料机械性能测定用压头组件，其特征在于：所述压头杆沿轴向设有0.5～4mm的通孔，使压痕图像和摄像光源光线经过所述通孔和所述透明压头与设置于所述通孔中的所述光学组件形成光学通路。

5.如权利要求1所述的材料机械性能测定用压头组件，其特征在于：所述压头形状为圆锥形、棱锥型或半球型。

6.如权利要求5所述的材料机械性能测定用压头组件，其特征在于：所述压头由金刚石材料制成。

7.如权利要求2所述的材料机械性能测定用压头组件，其特征在于：所述光学组件采用具有自动对焦功能的显微镜和摄像头。

8.一种材料机械性能测定装置，包括底座、立柱和悬臂，设于所述悬臂上的显示屏，设于所述底座上的压板试台，所述底座、立柱和悬臂依次固定连接，其特征在于：还包括设于所述悬臂上的如权利要求1-7任一项所述的材料机械性能测定用压头组件。

9.一种材料机械性能测定方法，其特征在于，采用如权利要求8所述的材料机械性能测定装置进行测定，加载压力通过所述压头杆驱动所述压头分多次等深度下压，包括：

10.如权利要求9所述的材料机械性能测定方法，其特征在于，所述多次下压的次数为5～20次，所述材料机械性能包括材料的抗拉强度、屈服强度、弹性模量、硬度、材料常数、泊松比、塑性、断裂韧性或残余应力。