预应力下变量程原位硬度测试装置的制作方法

本发明涉及精密硬度测试领域，特别涉及新型多功能硬度测试装置领域，尤指一种预应力下变量程原位硬度测试装置。用于新材料或者涂层的硬度值在线测试，同时可对预加拉压应力等服役条件下材料的硬度进行测试，为新材料的研发以及服役条件下材料损伤失效机理的研究提供新的技术方法和手段。

背景技术：

硬度是表征材料局部抵抗硬物压入其表面的能力的指标。就被测材料而言，硬度是在一定压头和试验力作用下所反映出材料的弹性、塑性、强度、韧性以及耐磨性等一系列不同物理性能的综合指标。其中，压入硬度是常用于金属材料硬度测试的方法。采用规定的压头，按照一定的载荷将压头压入被测材料，通过测量材料表面残余塑性变形的大小来计算得到材料的硬度。根据所用压头、载荷以及载荷作用时间的不同，可将材料硬度分为布氏硬度、洛氏硬度、维氏硬度和显微硬度等不同硬度指标。

目前常见的硬度测试仪器通常只能采用单一的硬度测试方法，针对不同硬度的材料需要采用不同的硬度测试仪器。对于材料研发单位和材料应用单位而言，采购多种硬度测试仪器一方面增加了测试成本，另一方面提高了设备维护成本，因此亟需开发一种能够集成多种硬度测试方法的硬度测试装置。

另一方面，实际生产过程中，材料经常会在承受拉伸/压缩等复杂机械载荷条件下服役。在复杂机械载荷作用下，材料的服役性能包括硬度等指标会发生明显的变化，有研究表明，材料中拉伸/压缩等预应力的存在会对压痕深度、接触面积、隆起量等产生影响，从而引起硬度的变化。而目前尚未见有预应力条件下对材料硬度进行测试的硬度测试仪器。

开发一种多功能原位硬度测试装置，开展预应力下材料的硬度特性测试，对于揭示服役条件下材料损伤失效机理，尤其是预应力条件下材料表面磨损失效机理具有非常重要的理论价值和实际意义。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种预应力下变量程原位硬度测试装置，解决了现有技术存在的上述问题。本发明结合原位测试技术，通过光学显微镜对硬度测试过程中压头造成的压坑形貌进行在线呈现和测量。根据硬度测试标准为使用者设计并提供不同的硬度测试方式选择，可以有效地针对不同的材料做出最优测试。同时，本发明突破性地将硬度测试与拉压单元相结合，提供拉压力特殊工况下的硬度测试方式，填补相关领域空白。

本发明的上述目的通过以下技术方案实现：

预应力下变量程原位硬度测试装置，包括X/Z轴自由度精密运动单元、变量程压入单元、试验预应力加载单元以及数据采集单元，所述X/Z轴自由度精密运动单元由X向移动平台与Z向移动平台垂直刚性组合而成，所述X/Z轴自由度精密运动单元、试验预应力加载单元分别固定在支撑平台1上，所述变量程压入单元安装在X/Z轴自由度精密运动单元上；

所述X/Z轴自由度精密运动单元是：X向移动平台中精密伺服电机B43驱动扭矩经由联轴器41传递给丝杠B39，丝杠B39配合精密螺母座B38将扭矩转化成直线运动，精密螺母座B38与连接平台16刚性连接，传递直线运动；Z向移动平台构造相同，Z向移动平台与X向移动平台垂直配合实现精准空间定位调整；

所述的变量程压入单元是：通过调节精密伺服电机B43控制Z向移动平台实现大量程加载，压电陶瓷17安装在柔性铰链15中，通电后输出位移，精密压力传感器11一端与柔性铰链15的输出端螺纹连接，另一端通过压头连接件18与压头10连接，位移经过传递，控制不同类型压头实现小量程加载；

所述的试验预应力加载单元是：精密伺服电机A9驱动扭矩经由一级蜗轮19、一级蜗杆20和二级蜗轮23、二级蜗杆24增扭减速后，带动丝杠A32，配合螺母座A30，将旋转运动转化为直线运动，带动试件下支撑座A6、试件下支撑座B33反向移动，位移转化为力，完成试件加载。

所述的数据采集单元是：精密拉压力传感器7左端与传感器左固定座4螺纹连接固定，右端与试件下支撑座A6刚性连接，精密拉压力传感器7采集输出数据，闭环控制拉压力准确实时加载；精密压力传感器11和光学显微镜28采集数据，闭环回馈，实现恒力压入模式；精密位移传感器14刚性固定连接在位移传感器固定座13上，位移传感器固定座13刚性固定在柔性铰链15上，微位移感应块12随着柔性铰链15输出端位移，精密位移传感器14产生数据并输出；光学显微镜28刚性固定在支撑平台1上，原位采集压坑表面形貌。

所述的连接平台16通过滑块B37在导轨C36上移动，连接平台16上面与柔性铰链15通过螺钉连接。

所述的精密伺服电机B43通过电机固定座42刚性固定在支撑平台1上。

所述的丝杠B39、丝杠A32通过丝杠固定座40、丝杠支撑座25固定在连接板2上，连接板2固定在支撑平台1上。

所述的一级蜗杆20、二级蜗杆24套在轴22上，轴22两端通过轴左固定座26、轴右固定座21与拉压单元固定板3固定，连接板2上端与拉压单元固定板3螺纹连接，带动整个试验预应力加载单元在导轨A27上移动。

本发明的有益效果在于：本发明结构布局合理，空间利用率高，采用立式卧式相结合的方式，精密双自由度移动平台通过伺服电机精准控制；利用压电陶瓷和柔性铰链技术搭配电机和滚珠丝杠实现变量程压入，压入深度可调，可同时对薄膜涂层和传统材料进行硬度测试。借助于现有的精密传感技术，搭载集成光学显微镜，数据实时采集后经过上位机处理，可直接显示硬度相关参数。本发明的测试装置，传动精密平稳，创新耦合，实用性强，可实现大范围动态测试，可对不同材料以及特殊工况下的硬度测试提供可靠装备。

本发明突破现有的单一方法硬度测试手段，提供多种测试手段综合集成的试验技术平台，空间布局紧凑，结构精巧，应用广泛，可使用与不同材料薄膜涂层的硬度测量，兼容传统布氏洛氏以及主流纳米压痕测试技术，搭载开放式光学显微镜，实现在线监测，实时数据更新，同时加入特殊工况测试模块，对于硬度领域新特性的发现具有重要意义。先进压电技术配合精密伺服电机驱动实现精确加载，闭环可调，精准输入输出，上位机综合集成各传感器模块，利用算法得出硬度值，并构建关系曲线。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发明的示意性实例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。

图1为本发明的整体外观结构示意图；

图2为本发明的试验预应力加载单元的结构示意图；

图3为本发明的X向移动平台的结构示意图。

图中：1、支撑平台；2、连接板；3、拉压单元固定板；4、传感器左固定座；5、过渡板A；6、试件下支撑座A；7、精密拉压力传感器；8、试件上固定板；9、精密伺服电机A；10、压头；11、精密压力传感器；12、微位移感应块；13、位移传感器固定座；14、精密位移传感器；15、柔性铰链；16、连接平台；17、压电陶瓷；18、压头连接件；19、一级蜗轮；20、一级蜗杆；21、轴右固定座、22、轴；23、二级蜗轮；24、二级蜗杆；25、丝杠支撑座；26、轴左固定座；27、导轨A；28、光学显微镜；29、滑块A；30、螺母座A；31、支撑底座；32、丝杠A；33、试件下支撑座B；34、过渡板B；35、导轨B；36、导轨C；37、滑块B；38、精密螺母座B；39、丝杠B；40、丝杠固定座；41、联轴器；42、电机固定座；43、精密伺服电机B。

具体实施方式

下面结合附图进一步说明本发明的详细内容及其具体实施方式。

参见图1至图3所示，本发明的预应力下变量程原位硬度测试装置，由X/Z轴自由度精密运动单元、变量程压入单元、试验预应力加载单元以及数据采集单元四大部分组成。其中，X/Z轴自由度精密运动单元由X向移动平台与Z向移动平台垂直刚性组合而成，单独的部分都是由精密伺服电机提供动力，经由滚珠丝杠螺母副转换为直线运动，实现压头空间精确定位；变量程压入单元布置在上侧，Z自由度平台实现大量程加载，搭载先进压电陶瓷驱动部分实现微纳米小量程加载；试验预应力加载单元由伺服电机经由两级蜗轮蜗杆减速机构并配合丝杠螺母完成功能；数据采集单元包括精密拉压力传感器、精密压力传感器、精密位移传感器、光学显微镜，实现载荷和残留压痕形貌在线检测，通过上位机处理得到硬度测试数据。本发明原理可靠，功能齐全，结构紧凑，测试方法先进，与各种主流光学显微镜具有良好的兼容性，通过光学显微镜对硬度测试过程中压头造成的压坑形貌进行在线呈现和测量，同时为使用者提供不同的硬度测试方式选择，可以有效地针对不同的材料做出最优测试。本发明突破性地将硬度测试与拉压单元相结合，提供拉压力特殊工况下的硬度测试方式，填补相关领域空白。

参见图1及图3所示，本发明所述的X/Z轴自由度精密运动单元结构如下：X向移动平台中精密伺服电机B43驱动扭矩经由联轴器41传递给丝杠B39，丝杠B39配合精密螺母座B38将扭矩转化成直线运动，精密螺母座B38与连接平台16刚性连接，传递直线运动；Z向移动平台构造相同，两平台垂直配合实现精准空间定位调整；其中，丝杠B39通过丝杠固定座40固定，连接平台16通过滑块B37在导轨C36上移动。

参见图1及图2所示，本发明所述的变量程压入单元结构如下：通过调节精密伺服电机B43控制Z向移动平台实现大量程加载，连接平台16上面与柔性铰链15通过螺钉连接，压电陶瓷17安装在柔性铰链15中，通电后输出位移，精密压力传感器11一端与柔性铰链15的输出端螺纹连接，另一端通过压头连接件18与压头10连接，位移经过传递，控制不同类型压头实现小量程加载，精密位移传感器14和柔性铰链15之间通过位移传感器固定座13刚性固定。

参见图1及图2所示，本发明所述的试验预应力加载单元结构如下：精密伺服电机A9驱动扭矩经由一级蜗轮19、一级蜗杆20和二级蜗轮23和二级蜗杆24增扭减速后，带动丝杠A32，丝杠A32通过丝杠支撑座25固定，配合螺母座A30，将旋转运动转化为直线运动，带动试件下支撑座A、B6、33反向移动，位移转化为力，完成试件加载。其中，一级蜗杆20二级蜗杆24套在轴22上，轴22两端通过轴左固定座26轴右固定座21与拉压单元固定板3固定，连接板2上端与拉压单元固定板3螺纹连接，带动整个单元在导轨A27上移动，实现位置调整。精密拉压力传感器7左端与传感器左固定座4螺纹连接固定，右端与试件下支撑座A6刚性连接。过渡板A5和过渡板B34通过滑块A29在导轨B35上移动。

参见图1至图3所示，本发明的数据采集单元结构如下：精密拉压力传感器7采集输出数据，闭环控制拉压力准确实时加载、精密压力传感器11量程范围大，分辨率高，精准输出压入力，上位机显示，闭环回馈，实现恒力压入模式。精密位移传感器14固定刚性连接在位移传感器固定座13上，微位移感应块12随着柔性铰链15输出端位移，精密位移传感器14产生数据并输出。光学显微镜28刚性固定在支撑平台1上，原位采集压坑表面形貌。通过精密压力传感器11和光学显微镜28采集的数据，上位机自行计算分析得出硬度数值，配合预拉压力，呈现关系曲线。

本发明的外形尺寸为210mm×200mm×360mm(依次为长宽高)，提供多种测试手段综合集成的试验技术平台，空间布局紧凑，结构精巧，应用广泛。同时搭载特殊工况测试模块，可用于硬度测试领域新特性的发现。

参见图1至图3所示，本发明的具体测试方法如下：被测材料放入试件下支撑座A6和下支撑座B33，与支撑底座31相贴合，用两侧的试件上固定板8压死，螺钉固定，完成装夹。在安装之前，可先通过控制精密伺服电机B43调整X向Z向距离，保持安全距离后，同时可以完成选定压头10的装夹。确定测试方法，如果选用布氏洛氏等传统方法，就选择大量程模式，在调整压头正对被测材料之后，控制电机以一定速度和力压入，压入结束后，移动平台上升，将光学显微镜28镜头位置调整正对压坑处，在上位机输入基础压头数据后，其他传感器数据经过A/D数据采集卡采集，显示硬度值。如果选用纳米压痕等测试方式，则选择其他模式，控制压电陶瓷输出压入。如果需要测试特殊工况下的硬度，则启用精密伺服电机A9，实现拉伸状态之后，再进行压入。

本发明的硬度测试方法根据硬度测试相关国家标准和国际标准设计，当选择金属洛氏硬度测试模式时，更换金刚石圆锥压头，使压头与试样表面接触，在无冲击和振动的情况下施加试验力，初试验力保持不应超过3秒。将测在不小于1s且不大于8s的时间内，从初试验力增加到总试验力，并保持4s±2s，然后卸除主试验力，保持初试验力，经过短暂稳定后，进行读数。选择金属布氏测试模式时，优先选择直径为10mm的硬质合金球头，试验力保持时间为10～15秒，上限不大于650HBW。选择维氏硬度测试模式时，更换正四棱锥金刚石压头，试验力保持时间大致相同，配合光学显微镜得出硬度值。选择纳米压痕测试方法时，首先切换小量程压电叠堆模式提供动力，根据需要更换压头，加载维持并卸载，通过上位机读取压入力和深度曲线，得出硬度值。

以上所述仅为本发明的优选实例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡对本发明所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。