微纳米压痕测试装置及方法制造方法及图纸

本发明专利技术公开了微纳米压痕测试装置及方法，涉及精密科学仪器技术领域，立柱下端固定连接在底座上，顶部支撑板固定连接在立柱上端，精密下压装置固定连接在顶部支撑板上且精密下压装置的输出轴竖直朝下设置，载荷检测模块螺纹固定连接在输出轴下端，输出轴外套设有一个弹性元件，弹性元件两端分别对精密下压装置和载荷检测模块产生挤压，位移检测模块固定连接在载荷检测模块下端，压头固定器固定连接在位移检测模块下端，压头固定器用于固定安装压头，载物台固定连接在底座上，载物台用于固定安装试样，将精密下压装置与计算机相连，安装压头，设置试验参数和加载条件，进行试验，采集数据，计算得到力学参数。结构简单，测量结果精度高。

Micro nano indentation testing device and method

【技术实现步骤摘要】
微纳米压痕测试装置及方法
本专利技术涉及精密科学仪器
，特别是涉及一种微纳米压痕测试装置及方法。
技术介绍
仪器化压入测试技术主要是通过连续记录载荷和压入深度从而获得载荷-位移关系曲线，最终通过分析曲线获得被测材料的硬度和弹性模量等参数。测试过程中避免了对压痕位置的寻找和压痕残余面积的测量，可以大大减小测试的误差。通过压痕测试获取压入载荷和压入深度数据，之后绘制相应的载荷-位移关系曲线，通过合适的力学模型及推导，可以从该曲线分析得到丰富的力学参数信息。目前纳米压痕测试已经可以获得硬度、弹性模量、应力-应变曲线、断裂韧性、蠕变特性、疲劳特性、粘附性等参数。纳米压痕技术因其具有试验操作简单、测量效率高以及使用范围广等优点，正逐渐成为微/纳米尺度材料和结构的力学性能测试的首要选择。因此，着手研究用于微纳米压痕测试的装置，以便为检测材料性能参数提供有效的方法和实验设备，是我们目前亟需研究的方向。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种微纳米压痕测试装置及方法，以解决上述现有技术存在的问题，结构简单，且测量结果精度高。为实现上述目的，本专利技术提供了如下方案：本专利技术提供一种微纳米压痕测试装置，包括支撑模块、精密下压装置、载荷检测模块、位移检测模块、压头固定器和载物台，所述支撑模块包括底座、立柱和顶部支撑板，所述立柱下端固定连接在所述底座上，所述顶部支撑板固定连接在所述立柱上端，所述精密下压装置固定连接在所述顶部支撑板上且所述精密下压装置的输出轴竖直朝下设置，所述载荷检测模块螺纹固定连接在所述精密下压装置的输出轴下端，所述精密下压装置的输出轴外套设有一个弹性元件，所述弹性元件两端分别对所述精密下压装置和所述载荷检测模块产生挤压，所述位移检测模块固定连接在所述载荷检测模块下端，压头固定器固定连接在所述位移检测模块下端，所述压头固定器用于固定安装压头，所述载物台固定连接在所述底座上，所述载物台用于固定安装试样。优选的，所述载荷检测模块包括力传感器和固定螺杆，所述固定螺杆贯穿所述力传感器并与所述力传感器固定连接，所述固定螺杆上端与所述精密下压装置的输出轴螺纹固定连接，所述位移检测模块包括调节支架、光栅尺和读数头，所述读数头固定连接在所述立柱上，所述调节支架包括水平调节板和竖直安装板，所述水平调节板与所述竖直安装板互相垂直固定连接，所述光栅尺固定连接在所述竖直安装板上，所述光栅尺与所述读数头相对设置且所述光栅尺平行于所述读数头，所述水平调节板上设有一通孔，所述固定螺杆下端穿过所述通孔后与所述压头固定器螺纹连接，所述压头固定器将所述水平调节板压紧于所述力传感器下表面上。优选的，所述立柱上固定连接有读数头固定支架，所述读数头固定连接在所述读数头固定支架上。优选的，所述弹性元件为压紧弹簧，所述压紧弹簧上端通过上垫片挤压所述精密下压装置下表面，所述压紧弹簧下端通过下垫片挤压所述载荷检测模块。优选的，所述载物台包括底板、固定板和活动板，所述底板两端均固定设有一个所述固定板，两个所述固定板互相平行且均垂直于所述底板向上，两个所述固定板之间设有两个所述活动板，两个所述活动板均平行于所述固定板，各所述固定板上均螺纹连接一个调节螺杆，所述调节螺杆的轴线垂直于所述固定板，各所述调节螺杆的一端均与一个所述活动板转动连接，通过旋转所述调节螺杆能够使两个所述活动板相互靠近或远离。优选的，所述精密下压装置为直线步进电机，所述精密下压装置通过螺栓固定连接在所述顶部支撑板上。优选的，所述光栅尺粘接固定在所述竖直安装板上。优选的，所述读数头固定支架上设有长圆孔，螺栓穿过所述长圆孔与所述读数头螺纹连接。本专利技术还提供一种微纳米压痕测试方法，采用以上所述的微纳米压痕测试装置，包括以下步骤：(1)将所述精密下压装置与计算机相连，将所述载荷检测模块和所述位移检测模块与模数转换器采集卡电连接，模数转换器采集卡与计算机电连接；(2)在所述压头固定器上安装压头，将试样固定在所述载物台上，使试样处于压头的正下方；(3)通过计算机设置试验试样和压头参数，包括试样材料泊松比、试样材料的厚度、压头类型、压头材料参数，选择试验加载模式为载荷控制方式或者位移控制方式，设置相应控制参数为最大加载载荷值或者加载的最大位移值，输入加载时间、保载时间和卸载时间，设置所述载荷检测模块的最小响应力值，开始压痕试验；(4)在压头下压过程中，当所述载荷检测模块检测到最小响应力值时，则判定此时压头与试样接触，根据设置的控制参数以及加载、保载和卸载的时间完成压痕试验；(5)模数转换器采集卡采集试验过程中的载荷与位移信号，并转换成载荷和位移值，呈现在计算机软件界面上，得到试验过程的载荷-位移曲线，载荷-位移曲线包括加载过程的载荷-位移曲线和卸载过程的载荷-位移曲线；对于加载过程的载荷-位移曲线，加载力和加载位移(即加载深度)遵循Kick's法则：P＝Ch2(1)根据Oliver和Pharr的理论，对于卸载曲线，满足以下关系：P＝B(h-hf)m(2)式中：P是加载力；h是加载深度；C是加载曲线曲率；B是拟合参数；m为压头形状参数；hf是完全卸载后的残余深度；对式(1)和(2)两端取对数后，使用最小二乘法拟合得到m和B；接触刚度S定义为卸载曲线顶部斜率，表示为：式中：hmax是最大压入深度；β为压头形状系数；接触刚度S与材料的折合模量Er存在以下关系：式中：A是压头与被测材料的接触面积；对于接触深度hc：式中：ε是与压头几何形状相关的因子；Pmax是卸载过程中的最大载荷；由于压头加工水平限制以及使用过程中的尖端磨损，需对接触面积函数进行校准，采用以下拟合公式进行校准：式中：Ci为曲线拟合常数；α为与压头形状相关的参数；试样的压入硬度H表示为：试样的弹性模量E与折合模量Er存在以下关系：由此得到：式中：Ei，νi分别为压头的弹性模量与泊松比，E和ν分别为试样的弹性模量与泊松比。优选的，在步骤(5)中，借助显微镜观察得到试样的裂纹长度，通过LEM(Lawn-Evans-Marshall)模型计算断裂韧性KIC：式中：α为LEM系数；E为试样的弹性模量；H为试样的压入硬度；Pmax为卸载过程中的最大载荷；c为试样的裂纹长度。本专利技术相对于现有技术取得了以下技术效果：本专利技术提供一种微纳米压痕测试装置及方法，将精密下压装置固定连接在顶部支撑板上，将载荷检测模块螺纹固定连接在精密下压装置的输出轴上，并在输出轴外套设一个弹性元件，通过弹性元件对载荷检测模块和精密下压装置的挤压，提供螺纹预紧力，使得实验过程中载荷检测模块不会因为连接松动而产生竖向位移，而且，将位移检测模块固定连接在载荷检测模块下方，排除了载荷检测模块以及载荷检测模块以上部分结构柔度的影响，使得位移检测模块测得的位移即为精准的压头下压位本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种微纳米压痕测试装置，其特征在于：包括支撑模块、精密下压装置、载荷检测模块、位移检测模块和载物台，所述支撑模块包括底座、立柱和顶部支撑板，所述立柱下端固定连接在所述底座上，所述顶部支撑板固定连接在所述立柱上端，所述精密下压装置固定连接在所述顶部支撑板上且所述精密下压装置的输出轴竖直朝下设置，所述载荷检测模块螺纹固定连接在所述精密下压装置的输出轴下端，所述精密下压装置的输出轴外套设有一个弹性元件，所述弹性元件两端分别对所述精密下压装置和所述载荷检测模块产生挤压，所述位移检测模块固定连接在所述载荷检测模块下端，压头固定器固定连接在所述位移检测模块下端，所述压头固定器用于固定安装压头，所述载物台固定连接在所述底座上，所述载物台用于固定安装试样。/n

【技术特征摘要】
1.一种微纳米压痕测试装置，其特征在于：包括支撑模块、精密下压装置、载荷检测模块、位移检测模块和载物台，所述支撑模块包括底座、立柱和顶部支撑板，所述立柱下端固定连接在所述底座上，所述顶部支撑板固定连接在所述立柱上端，所述精密下压装置固定连接在所述顶部支撑板上且所述精密下压装置的输出轴竖直朝下设置，所述载荷检测模块螺纹固定连接在所述精密下压装置的输出轴下端，所述精密下压装置的输出轴外套设有一个弹性元件，所述弹性元件两端分别对所述精密下压装置和所述载荷检测模块产生挤压，所述位移检测模块固定连接在所述载荷检测模块下端，压头固定器固定连接在所述位移检测模块下端，所述压头固定器用于固定安装压头，所述载物台固定连接在所述底座上，所述载物台用于固定安装试样。


2.根据权利要求1所述的微纳米压痕测试装置，其特征在于：所述载荷检测模块包括力传感器和固定螺杆，所述固定螺杆贯穿所述力传感器并与所述力传感器固定连接，所述固定螺杆上端与所述精密下压装置的输出轴螺纹固定连接，所述位移检测模块包括调节支架、光栅尺和读数头，所述读数头固定连接在所述立柱上，所述调节支架包括水平调节板和竖直安装板，所述水平调节板与所述竖直安装板互相垂直固定连接，所述光栅尺固定连接在所述竖直安装板上，所述光栅尺与所述读数头相对设置且所述光栅尺平行于所述读数头，所述水平调节板上设有一通孔，所述固定螺杆下端穿过所述通孔后与所述压头固定器螺纹连接，所述压头固定器将所述水平调节板压紧于所述力传感器下表面上。


3.根据权利要求2所述的微纳米压痕测试装置，其特征在于：所述立柱上固定连接有读数头固定支架，所述读数头固定连接在所述读数头固定支架上。


4.根据权利要求1所述的微纳米压痕测试装置，其特征在于：所述弹性元件为压紧弹簧，所述压紧弹簧上端通过上垫片挤压所述精密下压装置下表面，所述压紧弹簧下端通过下垫片挤压所述载荷检测模块。


5.根据权利要求1所述的微纳米压痕测试装置，其特征在于：所述载物台包括底板、固定板和活动板，所述底板两端均固定设有一个所述固定板，两个所述固定板互相平行且均垂直于所述底板向上，两个所述固定板之间设有两个所述活动板，两个所述活动板均平行于所述固定板，各所述固定板上均螺纹连接一个调节螺杆，所述调节螺杆的轴线垂直于所述固定板，各所述调节螺杆的一端均与一个所述活动板转动连接，通过旋转所述调节螺杆能够使两个所述活动板相互靠近或远离。


6.根据权利要求1所述的微纳米压痕测试装置，其特征在于：所述精密下压装置为直线步进电机，所述精密下压装置通过螺栓固定连接在所述顶部支撑板上。


7.根据权利要求2所述的微纳米压痕测试装置，其特征在于：所述光栅尺粘接固定在所述竖直安装板上。


8.根据权利要求3所述的微纳米压痕测试装置，其特征在于：所述读数头固定支架上设有长圆孔，螺栓穿过所述长圆孔与所述读数头螺纹连接。


9.一种微纳米...

【专利技术属性】
技术研发人员：马增胜，陈鑫，孙坤，钟志春，
申请(专利权)人：湘潭大学，
类型：发明
国别省市：湖南;43