压痕实验装置及其实验方法与流程

1.本技术涉及压痕实验仪器的领域，具体涉及一种压痕实验装置及其实验方法。


背景技术：

2.压痕实验用于对材料进行力学性能测试与表征，用于评价材料的硬度、强度与断裂性能等。压痕实验法最初用来测试材料的硬度，1951年tabor对该实验方法进行改进，即通过压入过程获取材料的其他力学性能的压痕实验法。1992年，oliver和pharr对仪器化压痕实验所得的载荷-深度(p-h)曲线进行反向分析，得到被测材料弹性模量和硬度值的经典方法，即oliver-pharr法。随着该方法的进一步发展，单点多次加卸载的连续球压痕法被提出并得到广泛使用。ahn等利用连续球压痕实验得到的压痕参量，经过分析拟合获得了真应力-真应变曲线，根据实验曲线可以进一步得到材料的拉伸性能。
3.材料一般在高温和低温的环境下，其力学性能会发生改变，现有技术中，压痕实验装置一般难以对材料在高温和低温环境下的力学性能测试。


技术实现要素：

4.为此，本技术提供一种压痕实验装置及其实验方法，以解决现有技术存在的问题。
5.为了实现上述目的，本技术提供如下技术方案：
6.一种压痕实验装置，包括平台、支撑于所述平台的实验箱、连接于所述实验箱的顶部的压痕组件和支撑于所述平台且用于放置试样的试样底座，所述实验箱包括箱体、连接于所述箱体的箱门和连接于所述箱体的外壁的电控箱，所述箱体的容纳空腔的腔壁连接有隔板，所述隔板将所述容纳空腔分割为实验空腔和控温空腔，所述箱体的顶部开设有连通所述实验空腔的第一通孔，所述压痕组件包括连接于所述实验箱的顶部的伺服电机和连接于所述伺服电机的输出端且通过所述第一通孔伸入到所述实验空腔的压头，所述实验箱的底部开设有第二通孔，所述试样底座的部分通过所述第二通孔伸入到所述实验空腔，所述控温空腔的腔壁连接有加热电阻和液氮喷头，所述隔板开设有多个第三通孔，所述电控室内设置有用于根据反馈信号控制所述加热电阻通电或断电/所述液氮喷头打开或关闭的电控件，所述容纳空腔的腔壁连接有用于提供所述反馈信号的温度传感器；所述试样底座包括支撑于所述平台的支撑座、滑动连接于所述支撑座的顶部且用于放置所述试样的实验台、连接于所述支撑座且用于驱动所述实验台沿第一方向或第二方向滑动的驱动件，所述第一方向和所述第二方向相互垂直，且所述第一方向和所述第二方向位于同一水平面，所述实验台的部分通过所述第二通孔伸入到所述实验空腔。
7.优选地，所述压痕实验装置还包括有连接于所述电控箱的内壁的电机和连接于所述电机的输出轴的风扇，所述风扇位于所述控温空腔内，所述液氮喷头通过电磁阀控制通断，所述电磁阀与所述电控件电连接。
8.优选地，所述风扇为贯流风扇。
9.优选地，所述温度传感器为两个，一个所述温度传感器连接在靠近所述第二通孔
的所述实验空腔的腔壁上，另一个所述温度传感器连接于靠近所述第三通孔的所述实验空腔的腔壁上。
10.优选地，所述第一通孔的孔壁连接有用于密封所述压头和第一通孔的孔壁之间间隙的第一密封件，所述第二通孔的孔壁连接有密封所述试样底座与所述第二通孔的孔壁之间间隙的第二密封件。
11.优选地，所述第一密封件与所述第二密封件均为硅酸铝棉。
12.优选地，所述箱门设置有用于观察所述实验空腔的观察窗，所述实验空腔的腔壁连接有用于照射所述试样的实验灯。
13.本技术还提供一种压痕实验的实验方法，使用如上所述的压痕实验装置进行实验，所述实验方法包括：
14.将所述压痕组件安装到所述实验箱的顶部，使所述压头伸入到所述实验空腔，将所述试样放置在所述实验台上，所述试样底座放置在所述平台上，并使所述实验台部分伸入到所述实验空腔，密封所述压头和所述第一通孔的孔壁之间的间隙，密封所述试样底座与所述第二通孔的孔壁之间的间隙；
15.关闭所述箱门，接通所述实验箱的电源；
16.设置预定温度；
17.所述温度传感器实时检测所述实验空腔内的实验温度，并将检测所得的实验温度的反馈信号提供给所述电控件，通过所述反馈信号，所述电控件控制所述加热电阻通电或断电，或者，通过所述电控件控制所述液氮喷头打开或关闭，使所述实验空腔内的实验温度达到所述预定温度；
18.所述实验温度达到所述预定温度后，等待30分钟；
19.控制所述伺服电机，驱动所述压头的端部抵靠在所述试样上，进行压痕实验；
20.关闭所述实验箱的电源。
21.本技术具有如下优点：
22.实验人员将待测的试样放置在实验台上，然后将试样底座安装到实验箱的底部，并使实验台的部分通过第二通孔伸入到实验空腔中，使试样处于实验空腔中，再安装压痕组件，使压头伸入到实验空腔中，关闭箱门之后，通过电控件控制加热电阻或液氮喷头，温度传感器用于实时监测实验空腔内的温度，并将监测所得的反馈信号反馈给电控件，如果没有达到预设温度，电机件继续控制加热电阻或液氮喷头，直至实验空腔内的温度达到预设温度，实验箱内可以精确模拟出试样需要测试的温度环境，这样压痕组件的压头对试样进行压痕实验时，可以获得试样在高低温环境下的硬度、强度与断裂性能等力学性能，试样底座的驱动件可以驱动实验台沿第一方向或第二方向滑动，这样，可以调整试样被测试的位置，以获得试样不同部位的实验结果，或者，不同温度下试样的实验结果，解决了现有技术中，压痕实验装置一般难以对材料在高温和低温环境下的力学性能测试。
附图说明
23.为了更直观地说明现有技术以及本技术，下面给出几个示例性的附图。应当理解，附图中所示的具体形状、构造，通常不应视为实现本技术时的限定条件；例如，本领域技术人员基于本技术揭示的技术构思和示例性的附图，有能力对某些单元(部件)的增/减/归属
划分、具体形状、位置关系、连接方式、尺寸比例关系等容易作出常规的调整或进一步的优化。
24.图1为本技术一个实施例提供的一种压痕实验装置的部分结构示意图；
25.图2为本技术一个实施例提供的一种压痕实验装置的整体结构示意图；
26.图3为本技术一个实施例提供的一种压痕实验装置的试样底座的示意图。
27.附图标记说明：
28.1、实验箱；11、箱体；111、箱门；1111、观察窗；112、隔板；1121、第三通孔；113、实验空腔；114、控温空腔；115、第一通孔；116、第二通孔；118、加热电阻；119、液氮喷头；12、电控箱；121、风扇；122、电控件；2、压痕组件；21、伺服电机；22、压头；3、试样底座；31、实验台；32、支撑座；33、驱动件；331、第一底座；332、第一丝杆；333、第二底座；334、第二丝杆；34、第二层；4、平台；5、试样；6、温度传感器。
具体实施方式
29.为了使本技术的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本技术进行进一步详细说明。应当理解，此处描述的具体实施例仅仅用以解释本技术，并不用于限定本技术。
30.在本技术的描述中：术语“内”、“外”指的是相应部件轮廓的内和外；术语“第一”、“第二”旨在区别指代的对象，术语“包括”、“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包括了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于已明确列出的那些步骤或单元，而是还可包含虽然并未明确列出的但对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元，或者基于本发明构思进一步的优化方案所增加的步骤或单元。
31.参考图1-3，本实施例提供一种压痕实验装置，包括平台4、支撑于平台4的实验箱1、连接于实验箱1的顶部的压痕组件2和支撑于平台4且用于放置试样5的试样底座3，实验箱1包括箱体11、连接于箱体11的箱门111和连接于箱体11的外壁的电控箱12，箱体11的容纳空腔的腔壁连接有隔板112，隔板112将容纳空腔分割为实验空腔113和控温空腔114，箱体11的顶部开设有连通实验空腔113的第一通孔115，压痕组件2包括连接于实验箱1的顶部的伺服电机21和连接于伺服电机21的输出端且通过第一通孔115伸入到实验空腔113的压头22，实验箱1的底部开设有第二通孔116，试样底座3的部分通过第二通孔116伸入到实验空腔113，控温空腔114的腔壁连接有加热电阻118和液氮喷头119，隔板112开设有多个第三通孔1121，电控室内设置有用于根据反馈信号控制加热电阻118通电或断电/液氮喷头119打开或关闭的电控件122，容纳空腔的腔壁连接有用于提供反馈信号的温度传感器6；试样底座3包括支撑于平台4的支撑座32、滑动连接于支撑座32的顶部且用于放置试样5的实验台31、连接于支撑座32且用于驱动实验台31沿第一方向或第二方向滑动的驱动件33，第一方向和第二方向相互垂直，且第一方向和第二方向位于同一水平面，实验台31的部分通过第二通孔116伸入到实验空腔113。
32.实验人员将待测的试样5放置在实验台31上，然后将试样底座3安装到实验箱1的底部，并使实验台31的部分通过第二通孔116伸入到实验空腔113中，使试样5处于实验空腔113中，再安装压痕组件2，使压头22伸入到实验空腔113中，关闭箱门111之后，通过电控件
122控制加热电阻118或液氮喷头119，温度传感器6用于实时监测实验空腔113内的温度，并将监测所得的反馈信号反馈给电控件122，如果没有达到预设温度，电机件继续控制加热电阻118或液氮喷头119，直至实验空腔113内的温度达到预设温度，实验箱1内可以精确模拟出试样5需要测试的温度环境，这样压痕组件2的压头22对试样5进行压痕实验时，可以获得试样5在高低温环境下的硬度、强度与断裂性能等力学性能，试样底座3的驱动件33可以驱动实验台31沿第一方向或第二方向滑动，这样，可以调整试样5被测试的位置，以获得试样5不同部位的实验结果，或者，不同温度下试样5的实验结果，解决了现有技术中，压痕实验装置一般难以对材料在高温和低温环境下的力学性能测试。
33.其中，电控件122由人工智能工业调节器及其他执行元件组成。温度传感器6将反馈信号传输给人工智能工业调节器，形成pid控制(开闭环控制)，控制实验温度。
34.参考图3，第一方向和第二方向垂直，形成x-y的移动方向，试样底座3可以为三层，第一层为支撑座32，第二层34滑动连接于第一层，第三层滑动连接于第二层34，驱动件33包括连接于第一层和第二层34之间的第一组件、连接于第二层34和第三层之间的第二组件，第一组件包括固定连接于第一层的第一底座331和第一丝杆332，第一丝杆332的一端转动连接于第一底座331，另一端转动连接于第二层34，第二组件包括固定连接于第二层34的第二底座333和第二丝杆334，第二丝杆334的一端转动连接于第二底座333，另一端转动连接于第三层。
35.第一丝杆332的延伸方向与第一方向，第二丝杆334的延伸方向与第二方向同向，也就是说，转动第一丝杆332和第二丝杆334，就可以实现第三层在第一方向和第二方向的移动，其中第三层为实验台31。
36.压痕实验装置还包括转换接口，转换接口用于将压痕组件2连接到实验箱1的顶部，转换接口将伺服电机21夹持在转换接口和实验箱1的外壁之间，并通过多个螺栓将转换接口连接在实验箱1的外壁。
37.实验箱1包括内外两侧，实验箱1的内层由不锈钢板制成，实验箱1的外层由冷轧钢板制成。
38.实验箱1的底部安装有四个脚轮，这样，便于试验箱移动，实验箱1的底部还可以安装四个螺杆调整座，螺杆调整座用于调整实验箱1的高度。
39.这里还需要进一步解释的是，实验箱1的外壁通过管道连接自增压液氮瓶、管道通过电磁阀控制通断，管道的另一端连接于液氮喷头119，从而获得了低温试验环境。
40.第一通孔115和第二通孔116为圆孔，且第一通孔115的中轴线和第二通孔116的中轴线重合。
41.平台4为大理石平台4，且平台4的平面与水平面保持平行。
42.实验箱1设置有操作面板，实验人员通过操作面板控制加热、制冷等。
43.参考图1-2，压痕实验装置还包括有连接于电控箱12的内壁的电机和连接于电机的输出轴的风扇121，风扇121位于控温空腔114内，液氮喷头119通过电磁阀控制通断，电磁阀与电控件122电连接。风扇121可以加快实验空腔113和控温空腔114之间的空气循环流动，使加热电阻118产生的高温或液氮喷头119产生的低温更快地进入到实验空腔113内，液氮喷头119通过电磁阀控制，控制液氮喷头119通断的精度较高。
44.风扇121为贯流风扇121。贯流风扇121的风速分配均匀，有利于温度均匀地传递。
45.参考图1-2，温度传感器6为两个，一个温度传感器6连接在靠近第二通孔116的实验空腔113的腔壁上，另一个温度传感器6连接于靠近第三通孔1121的实验空腔113的腔壁上。靠近第二通孔116的温度传感器6也靠近待测试的试样5，这个温度传感器6可以更准确地监测试样5周边的温度环境，靠近第三通孔1121的温度传感器6比较靠近加热电阻118和液氮喷头119，这两个温度传感器6监测的温度一致时，表明实验空腔113内的温度达到预设的温度，且实验空腔113内的温度处于稳定。
46.第一通孔115的孔壁连接有用于密封压头22和第一通孔115的孔壁之间间隙的第一密封件，第二通孔116的孔壁连接有密封试样底座3与第二通孔116的孔壁之间间隙的第二密封件。第一密封件和第二密封件可以有效避免实验空腔113内的空气与实验箱1外部的空气对流，进而导致实验空腔113内的温度泄露。
47.第一密封件与第二密封件均为硅酸铝棉。硅酸铝棉具有优良的热稳定性、化学稳定性，可以有效隔热，其中，硅酸铝棉具有一定的弹塑性，可以允许压头22以及试样底座3一定的移动，并保持密封性。
48.参考图1-2，箱门111设置有用于观察实验空腔113的观察窗1111，实验空腔113的腔壁连接有用于照射试样5的实验灯。实验人员可以通过观察窗1111观察到实验空腔113内试样5的情况，且实验灯用于提供照明，便于实验人员观察。
49.本实施例还提供一种压痕实验的实验方法，使用如上所述的压痕实验装置进行实验，实验方法包括：
50.将压痕组件2安装到实验箱1的顶部，使压头22伸入到实验空腔113，将试样5放置在实验台31上，试样底座3放置在平台4上，并使实验台31部分伸入到实验空腔113，使用硅酸铝棉密封压头22和第一通孔115的孔壁之间的间隙，使用硅酸铝棉密封试样底座3与第二通孔116的孔壁之间的间隙；
51.关闭箱门111，接通实验箱1的电源；
52.设置预定温度(实验人员通过控制面板设置预定温度)；
53.温度传感器6实时监测实验空腔113内的实验温度，并将监测所得的实验温度的反馈信号提供给电控件122，通过反馈信号，电控件122控制加热电阻118通电或断电，或者，通过电控件122控制液氮喷头119打开或关闭，使所述实验空腔113内的实验温度达到所述预定温度。当需要制冷时，连接实验箱1与液氮制冷装置的管路(每次做试验前都要检查制冷装置管路是否可靠连接，如管路没有紧固，会造成液氮泄漏，发生安全事故)；在自增压液氮瓶上关放空阀；开增压阀；观察压力表，当压力上升到0.01mpa(0.1kg/cm2)至0.05mpa(0.5kg/cm2)之间时，打开进出液阀；
54.实验温度达到预定温度后，等待30分钟(等待30分钟便于温度传导到试样5的内部，使试样5内外温度一致)；
55.控制伺服电机21，驱动压头22的端部抵靠在试样5上，进行压痕实验(压痕实验为本领域人员惯用的技术方式，此处不再赘述)；
56.关闭实验箱1的电源。
57.以上实施例的各技术特征可以进行任意的组合(只要这些技术特征的组合不存在矛盾)，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述；这些未明确写出的实施例，也都应当认为是本说明书记载的范围。
58.上文中通过一般性说明及具体实施例对本技术作了较为具体和详细的描述。应当理解，基于本技术的技术构思，还可以对这些具体实施例作出若干常规的调整或进一步的创新；但只要未脱离本技术的技术构思，这些常规的调整或进一步的创新得到的技术方案也同样落入本技术的权利要求保护范围。