一种毫牛量级仪器化压入仪的制作方法
【技术领域】
[0001]本发明属于材料力学性能测试领域。具体涉及一种载荷测试范围为5-100mN的毫牛量级仪器化压入仪。
【背景技术】
[0002]随着表面改性材料、薄膜材料、MEMS (微电子微机械系统)材料、复合材料、纳米材料等领域的快速发展，表面、界面及微尺度材料的工作可靠性由于面临苛刻工作条件的挑战，越来越引起人们的重视，成为国内外研究的热点。然而受尺寸限制，传统的材料力学性能测试技术及手段已经无法满足上述材料的力学性能测试需要，使得材料微区力学性能的测试成为亟待解决的关键问题。
[0003]仪器化压入技术是在传统布氏硬度和维氏硬度试验基础上发展起来的一种新的材料力学性能测试技术，它通过同步测试和记录特定几何形状的压头压入试样及撤离试样时的载荷与位移数据，可以提供比传统硬度试验更为丰富的反映被测试材料力学性能的有用信息，这为材料诸多基本力学性能参数的识别提供了重要的技术手段。通过构建精细的力学模型并借助大型有限元数值分析软件，材料的诸多基本力学性能参数如杨氏模量、屈服强度、硬化指数、断裂韧性、蠕变参数等均可能被识别。鉴于该技术的价值，美国纳米技术公司(先并入MTS公司，后并入Agilent公司)于上世纪九十年代率先开发了被誉为“材料显微力学性能探针”的“纳米压入仪”。近年来发达国家很多知名公司参与了类似仪器的研制，产品多达数十种，然而根据位移测量所选择参照系的不同，可以把众多已经商品化的压入仪分为两类:“机架参照型压入仪”和“试样参照型压入仪”。前者指压入仪工作时位移传感器所测位移系压杆相对于机架某点的位移，在该类仪器的位移测量数值中既包含了测试所希望获得的压头尖端压入被测试样表面的深度，又包含了仪器的机架变形、试样支撑或夹持导致的可恢复及不可恢复变形。其中机架变形和试样支撑或夹持导致的可恢复变形目前主要通过仪器柔度的标定来消除，但试样的材料类型、柔度标定时所选择的试样表面不同标定区域以及试样支撑或夹持方式甚至夹持力的大小均会影响仪器的柔度值，导致精确标定仪器柔度既麻烦又困难。不仅如此，不可恢复的支撑或夹持变形无论如何都不可能通过柔度标定来确定和排除，因此对于“机架参照型压入仪”，不能准确确定压头尖端压入被测试样表面的深度是该类仪器硬件设计的固有问题。
[0004]对于“试样参照型压入仪”，其位移传感器所测位移系压杆相对于试样表面某点或相对静止于试样表面上的参照物某点的位移。显然，该类仪器的测量位移可以排除试样在压入过程中因支撑或夹持因素导致的试样表面沿铅垂方向发生的任何平动位移(包括可恢复及不可恢复位移)，但试样表面在压入过程中(加载或卸载)发生小角度倾斜所构成的对测量位移的影响在目前的所有“试样参照型压入仪”中均无法排除，而这将影响确定压头尖端压入被测试样表面深度的准确性。
[0005]针对上述商用仪器化压入仪存在的压头尖端压入被测试样表面深度的测不准问题，本发明提供了一种高精度mN量级仪器化压入仪的设计，该设计可以排除试样在被压入过程中因支撑或夹持因素导致试样表面相对水平面发生小角度倾斜和试样表面沿铅垂方向发生平动位移对压头压入试样深度测量的影响；同时，弹性装置来柔性分配载荷传感器量程之外的重力，确保载荷测试的高灵敏度要求，保证了该压入仪测试压头压入试样深度和压入载荷的精度。
【发明内容】
[0006]本发明的目的在于提供一种能高精度地测试金刚石压头压入试样的压入载荷与压入深度，为深度为最小至0.1um的表层材料杨氏模量、硬度等力学性能参数的确定提供可靠的基础数据的一种毫牛量级仪器化压入仪。
[0007]本发明的一种毫牛量级仪器化压入仪，包括底座，底座顶端的左侧沿竖直方向设有左支架，左支架的顶端与顶梁板的左端安装相连，底座顶端的右侧沿竖直方向设有右支架，右支架的顶端与顶梁板的右端安装相连，顶梁板的板面位于水平方向，顶梁板的顶端安装有调整板，调整板可通过水平调控组件调整调整板板面的水平位置，调整板前端的中部设有托板，托板的板面位于水平方向，托板的后端与调整板的前端固定相连，托板的顶端固定有上弹簧安装架，上弹簧安装架的中部沿竖直方向安装有音圈电机，音圈电机的下部向下穿过托板的中部，音圈电机的伸缩杆沿竖直方向向下伸出；
[0008]所述音圈电机的左侧沿竖直方向设有左上拉簧，左上拉簧的顶端通过左连接件安装在上弹簧安装架顶部的左侧，左连接件可上下调整位置以调控左上拉簧的张紧力，左上拉簧的下部经由左通孔向下穿过所述托板，左上拉簧的底端与左下调整螺栓的顶端安装相连，左下调整螺栓的轴线位于竖直方向，左下调整螺栓通过螺纹连接旋装在弹簧定位板板面的左侧；
[0009]所述音圈电机的右侧沿竖直方向设有右上拉簧，右上拉簧的顶端通过右连接件安装在上弹簧安装架顶部的右侧，右连接件可上下调整位置以调控右上拉簧的张紧力，右上拉簧的下部经由右通孔向下穿过所述托板，右上拉簧的底端与右下调整螺栓的顶端安装相连，右下调整螺栓的轴线位于竖直方向，右下调整螺栓通过螺纹连接旋装在弹簧定位板板面的右侧；
[0010]所述弹簧定位板的板面位于水平方向，所述音圈电机的伸缩杆的底端顶在弹簧定位板上端面的中部，弹簧定位板的下方沿竖直方向设有上压杆，上压杆的顶端顶在弹簧定位板下端面的中部，上压杆顶端的中部与连接螺杆的底端相连为一体，连接螺杆的轴线位于竖直方向，连接螺杆的外侧壁上设有连接螺纹，连接螺杆的中部穿过弹簧定位板的板面的中部，连接螺杆的上部通过螺纹连接旋装在所述音圈电机的伸缩杆的底端端面上的连接孔内；
[0011]所述上压杆的底端与应变式拉压载荷传感器的其中一个拉压力输入端安装相连，应变式拉压载荷传感器的另一个拉压力输入端与下压杆的顶端安装相连下压杆沿竖直方向安装在压头组件的中部；
[0012]所述压头组件包括沿竖直方向设置的圆筒形的套筒，套筒的顶端具有顶盖，所述下压杆的中部穿过套筒顶盖的中部，套筒利用位于套筒顶盖上方旋装在下压杆上的锁母固定在下压杆上，套筒外侧壁的左侧沿左右横向固定有左横销柱，套筒外侧壁的右侧沿左右横向固定有右横销柱，右横销柱与右下拉簧的底端相连，右下拉簧的顶端与所述右下调整螺栓的底端相连，所述左横销柱与左下拉簧的底端相连，左下拉簧的顶端与所述左下调整螺栓的底端相连；
[0013]所述套筒外侧壁的下部环绕设有多个探头式电容位移传感器，每个探头式电容位移传感器分别采用探头夹具固定在套筒外侧壁的下部，每个探头式电容位移传感器的探测方向为竖直向下的方向；
[0014]所述套筒的内孔中插装有随动套，随动套的上部吊装在所述下压杆的中下部，随动套下部伸出套筒的内孔，随动套的底端沿水平方向设有随动盘，随动盘的盘面上位于每个探头式电容位移传感器正下方位置处分别设有一个开槽，随动盘的下端面固定有圆环状的随动片，随动片位于每个开槽位置处的上端面与位于其正上方的探头式电容位移传感器的探头相对；
[0015]所述随动盘的中部设有通孔，所述下压杆的底端安装有压头，压头的底端可穿过随动盘中部的通孔向下伸出到随动片下端面的下方。
[0016]本发明的一种毫牛量级仪器化压入仪，其中所述随动盘中部的通孔为上端半径大、底端半径小的圆台形，所述压头可插入随动盘的圆台形通孔中。
[0017]本发明的一种毫牛量级仪器化压入仪，其中所述水平调控组件包括3个调整螺栓，3个调整螺栓沿竖直方向旋装在调整板板面的外侧边缘附近，每个调整螺栓的底端分别顶在顶梁板的顶端的板面上。
[0018]本发明的一种毫牛量级仪器化压入仪，其中所述随动片的下方设有电动平台，电动平台设置在所述底座上端面的中部。
[0019]本发明的一种毫牛量级仪器化压入仪，其中所述探头式电容位移传感器的数量为3个，3个探头式电容位移传感器环绕所述套筒均匀布置。
[0020]本发明的一种毫牛量级仪器化压入仪，其中所述右下拉簧和所述左下拉簧同为螺旋圆柱弹簧，在能够分担载荷传感器量程之外的重力的同时确保载荷传感器载荷测试的高灵敏度。
[0021]本发明的一种毫牛量级仪器化压入仪，其中所述右下拉簧的刚度和所述左下拉簧的刚度之和为所述上压杆轴向、载荷传感器、下压杆轴向方向刚度的5-1