一种压痕测试装置及测试方法制造方法及图纸

本发明专利技术提供了一种新型的可测量材料多种力学性能(如弹性模量、屈服强度、抗拉强度、断裂韧性、蠕变性能等)的高通量宽温域压痕测试装置及测试方法。该装置通过微调方式能够直接确定压头与试样的接触零点，同时能够提供‑253℃至1000℃的温度环境，且能够在相同温度环境下同时进行多组压痕测试。该装置包含底座、样平台、力施加系统、距离调节系统、反馈控制系统、测量系统、温控系统和/或隔热系统。本发明专利技术解决了现有的压痕装置无法直接确定压头与试样的接触零点问题；同时解决了现有装置无法在同一试验环境下同时进行多头压痕测试的问题，提供了一种在一工况下对多个相同或者不同尺寸的试样进行压痕测试的装置及试验方法；还可以通过温度环境箱的转换，实现宽温域的压痕测试。

An indentation testing device and its testing method

【技术实现步骤摘要】
一种压痕测试装置及测试方法
本专利技术涉及一种压痕测试装置及压痕测试方法，特别是一种测试宏观力学性能的高通量宽温域压痕测试装置，可用于材料力学性能的快速筛选，属于材料微损力学性能测试领域。
技术介绍
在能源、化工、运载及探测等关乎国计民生的重要工业领域，相关设备的服役环境向趋于更极端的温度方向发展。常用的高/低温金属材料已经无法满足现代工业发展的需求，需要开发新型先进结构材料以满足工业领域对材料力学性能提出的更高要求。“材料基因组计划”意图在新材料/新工艺研制周期内，注重实验技术、计算技术和数据库之间的协作和共享，目标是把新材料研发周期减半，成本降低到现有的几分之一。在实验技术方面，研究者们开发了大量的高通量材料/工艺制备装备以及高通量物理化学性能表征装备，但高通量的力学性能表征设备及方法的研究寥寥无几。对于新型材料在极端环境下的力学性能而言，原有的表征方式，如单轴拉伸试验、蠕变试验等试验方法，动辄需要几个月甚至几年的试验时间，且需要大量的试验材料及较大的试验空间，无法满足新型材料高通量、加速试验、快速筛序的急迫需求。而采用小型的压痕测试装置进行压痕测试是较为理想的替代方法。目前，国内高/低温压痕技术的研究主要集中在微纳米压痕测试
，用来表征材料的微观力学性能，试验成本高且过于精密，无法满足材料宏观力学性能的快速表征。而宏观尺度压痕测试技术的研究主要集中在常温环境下，高/低温宏观压痕装置相对较少。通过调研发现，国内外现有的宏观压痕装置，都是单一温度范围内的，常温、低温或者高温(ZhangT,WangS,WangW.etal.ResultsinPhysics,2018,8:716-727；QuZ,YuM,LiuY,etal.RevSciInstrum,2017,88(4):045102；魏中坤，等，机械工程材料,2016,40(1):32-34)，尚未发现同时集成了高、低温的压痕装置，用于表征各位类材料在不同温度下的力学性能；同时，目前的压痕装置都是单一压头，一次实验只能做一个试样，尤其是在高/低温压痕测试，升温/降温时间周期长，一次只能做一个试样会导致耗时长、效率低、试验成本高，无法满足快速测试新型结构材料力学性能、缩短研发周期的迫切要求；最后，现有的压痕测试装置接触零点的确定大多都是通过预加载的方式实现，进而通过曲线拟合外推的方法或者通过测定试验力或接触刚度第一次增加时的方法来间接大致地推算出试验力与压痕深度曲线的零点，这种传统的间接方式无法在实验前直接而准确地确定压头与试样的接触零点，导致位移的测量值与真实值会出现偏差，影响试验结果的准确性。针对现有压痕设备无法直接确定接触零点，测量效率低，无法实现宽温域范围测量等问题，本领域迫切需要开发出一种能够直接确定接触零点且能够在宽温域范围内测量材料力学性能的高通量压痕测试装置。
技术实现思路
本专利技术提供一种能够在宽温域范围内测量材料力学性能的高通量压痕测试设备及压痕测试方法。在第一方面，本专利技术提供一种压痕测试装置，包括设于底座的一个或多个样平台，该一个或多个样平台上装有试样，包含压头柱连接部件的力施加系统，所述压头柱连接部件具有一个或多个压头柱，所述一个或多个压头柱与所述一个或多个样平台彼此对置，并且各压头柱的前端装有压头，所述力施加系统配置成在压头柱的轴向上移动所述压头柱连接部件，和利用压头对试样施加力，距离调节系统，配置为使一个或多个压头柱和/或一个或多个样平台各自独立地在压头柱轴向上相对移动，和反馈控制系统，配置成在压头与试样接触时停止样品台和/或压头柱在压头柱轴向上的相对移动。在一个实施方式中，压痕测试装置还包括下述至少一种：测量系统，用于测量压头的载荷和/或位移；包括升温装置和降温装置的温控系统，提供-253℃至1000℃的测试温度；或位于测量系统和试样之间的隔热系统。在一些实施方式中，所述温控系统提供-253℃至1000℃，例如-200℃至500℃，-100℃至200℃或0-100℃的测试温度。在一个实施方式中，反馈控制系统通过试样与压头接触时引起的参数变化而改变所述相对移动。在一个实施方式中，反馈控制系统包括设置在各压头柱和/或样平台上的电源，所述参数变化是电流变化。温控系统可容纳压头和试样。在一个实施方式中，升温装置和/或降温装置连接于底座。在一个实施方式中，升温装置和降温装置通过一个或多个可旋转部件连接于底座。在一个实施方式中，升温装置包括高温环境箱，降温装置包括低温环境箱。在一个实施方式中，压痕测试装置还具有选自以下的至少一种特征：升温装置包含多个热电偶；或隔热系统包含各压头柱上的水冷导管以及高温环境箱和/或低温环境箱与水冷导管之间的隔热挡板。热电偶通过反馈控制使高温环境箱内温度达到设定值并保持稳定。在一个实施方式中，压痕测试装置具有选自以下的至少一种特征：距离调节系统是设置在各压头柱和/或样平台上的致动电机；压头柱连接部件包含压头集成盘，其上设置有所述压头柱；一个或多个压头柱和/或一个或多个可移动样平台被配置成各自独立地在压头柱的径向方向移动；一个或多个可移动样平台被配置成各自独立地旋转；或力施加系统的致动由电机控制。在一个实施方式中，测量系统包含选自以下的至少一种：设置在力施加系统上的位移传感器、设置在压头柱上的位移传感器、或设置在压头柱上的力传感器。所述设置例如串联和/或并联。在第二方面，本专利技术提供一种压痕测试方法，包括：提供一个或多个试样，分别固定于一个或多个样平台；通过力施加系统使压头与试样接近，在一温度下，利用距离调节系统使样平台与压头柱沿压头柱轴向相对移动，当试样与压头接触时通过反馈控制系统停止该相对移动，通过力施加系统对试样施加力，通过传感器记录数据，根据数据获得试样的力学参数。在一些实施方式中，方法还包括对试样的不同位置施加力并记录数据。在一些实施方式中，所述温度为-253℃至1000℃，例如-200℃至500℃，-100℃至200℃或0-100℃。在第三方面，本专利技术提供一种压痕测试方法，包括：提供一个或多个试样，分别固定于一个或多个样平台；通过力施加系统使压头与试样接近，在第一环境箱中，利用距离调节系统使样平台与压头柱沿压头柱轴向相对移动，当试样第一位置与压头接触时通过反馈控制系统停止该相对移动，通过力施加系统对试样施加力并通过传感器记录数据，在第二环境箱中，利用距离调节系统使样平台与压头柱沿压头柱轴向相对移动，当试样第二位置与压头接触时通过反馈控制系统停止该相对移动，通过力施加系统对试样施加力并通过传感器记录数据，和根据数据获得试样的力学参数，和其中第一环境箱与第二环境箱的温度不同。在第四方面，本专利技术提供一种高通量宽温域的压痕测试装置，其特征在于：所述的装置包括机架、Z轴宏观调控系统、样品台升降及旋转系统、压痕加载系统、力和位移测量系统、加热及温控系统、制冷及温控系统、隔热系统。所述的机架包含底座、连接在底座上的立柱以及样平台支撑座和高温炉/低温环境箱支架；所述的Z轴宏观调控系统装夹在立柱上，可带动压痕加载系统在Z轴方向整体上下移动，便于压痕试样的更换和位移的宏观调控；所述的样平台升降及旋转系统包含升降和旋转两个功能。升降功能可用于当各测试试样高度不一致时调节样平台沿着Z轴方向上下移动，确保试验开始前本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种压痕测试装置，包括设于底座的一个或多个样平台，该一个或多个样平台上装有试样，包含压头柱连接部件的力施加系统，所述压头柱连接部件连接有一个或多个压头柱，所述一个或多个压头柱与所述一个或多个样平台彼此对置，并且各压头柱的前端装有压头，所述力施加系统配置成在压头柱的轴向上移动所述压头柱连接部件，和利用压头对试样施加力，距离调节系统，配置为使一个或多个压头柱和/或一个或多个样平台各自独立地在压头柱轴向上相对移动，和反馈控制系统，配置成在压头与试样接触时停止样品台和/或压头柱在压头柱轴向上的相对移动。

【技术特征摘要】
1.一种压痕测试装置，包括设于底座的一个或多个样平台，该一个或多个样平台上装有试样，包含压头柱连接部件的力施加系统，所述压头柱连接部件连接有一个或多个压头柱，所述一个或多个压头柱与所述一个或多个样平台彼此对置，并且各压头柱的前端装有压头，所述力施加系统配置成在压头柱的轴向上移动所述压头柱连接部件，和利用压头对试样施加力，距离调节系统，配置为使一个或多个压头柱和/或一个或多个样平台各自独立地在压头柱轴向上相对移动，和反馈控制系统，配置成在压头与试样接触时停止样品台和/或压头柱在压头柱轴向上的相对移动。2.如权利要求1所示的压痕测试装置，还包括下述至少一种：测量系统，用于测量压头的载荷和/或位移，包括升温装置和降温装置的温控系统，提供-253℃至1000℃的测试温度，或位于测量系统和试样之间的隔热系统。3.如权利要求1或2所示的压痕测试装置，其中所述反馈控制系统通过试样与压头接触时引起的参数变化而改变所述相对移动。4.如权利要求3所示的压痕测试装置，其中所述反馈控制系统包括设置在各压头柱和/或样平台上的电源，所述参数变化是电流变化。5.如权利要求2所示的压痕测试装置，其中所述温控系统容纳压头和试样，所述升温装置包括高温环境箱，所述降温装置包括低温环境箱。6.如权利要求5所示的压痕测试装置，所述压痕测试装置还具有选自以下的至少一种特征：升温装置包含多个热电偶，或隔热系统包含各压头柱上的水冷导管以及高温环境箱和/或低温环境箱与水冷导管之间的隔热挡板。7.如权利要求1或2所示的压痕测试装置，所述压痕测试装...

【专利技术属性】
技术研发人员：谈建平，朱文波，涂善东，李思宽，王卫泽，
申请(专利权)人：华东理工大学，
类型：发明
国别省市：上海,31