悬挂式旋转快速定位原位压痕/变深弧形划痕测试装置的制作方法
本发明涉及机电一体化精密仪器领域，特别涉及一种集精密驱动、加载、信号检测、原位观测、微纳米压痕、变深弧形划痕测试于一体的精密力学测试系统，尤指一种悬挂式旋转快速定位原位压痕/变深弧形划痕测试装置。
背景技术：
材料作为现代社会发展的三大支柱产业之一，其力学性能测试备受关注，是检验材料力学性能的必要手段。相对于传统的材料力学性能测试技术，诸如拉伸、压缩、弯曲、扭转等，微纳米尺度的压痕测试、划痕测试逐渐走进研究者的视线，以便满足日益发展的材料领域的测试需要。
原位微纳米力学测试技术是指在微纳米尺度下对材料进行的力学性能测试、并利用光学成像仪器对载荷作用下材料进行在线观测其变形、损伤、失效等的一种测试技术。以微纳米压痕、微纳米划痕等最具有代表性：压痕测试中，通过对压痕载荷、压痕位移及压痕曲线进行分析，可以测得试件的硬度、弹性模量等参数，另外根据光学成像仪器对压痕形貌进行观测可发现材料已经发生的变形和损伤工况。微纳米划痕测试技术是在压痕测试技术中衍生出来的一种微纳米测试技术，其在纳米压痕测试的基础上增加了精密定位和位移检测功能。目前，我国还不具备具有上述技术自主知识产权，此外，国内尚无商业化的微纳米压痕/划痕测试仪器，所用仪器依赖国外进口，导致国内相关研究处于跟踪状态，研制一种集压痕测试、划痕测试、原位观测于一身的测试仪器迫在眉睫。
技术实现要素：
本发明的目的在于提供一种悬挂式旋转快速定位原位压痕/变深弧形划痕测试装置，解决了现有技术存在的上述问题。力学测试仪器是材料检测的重要手段，是材料、机械科学领域发展，科技进步创新的重要保障。本发明与传统力学性能测试仪器的主要区别在于各测试模块和观测模块的集成。除传统的压痕测试外，集成了变深弧形划痕模块，在传统划痕测试基础上为材料的力学性能测试提供了一种新的方式，便于获取各种实验材料在载荷作用下的力学行为和损伤机制。此外，集成了可用于快速旋转定位的装置，力学性能测试结束后可立刻对试件加载处进行原位观测。本发明结构简单，测试精度高，测试方法多样化，在材料科学、机械装备制造、精密光学、生物医学工程、半导体、纳米工程、国防军工和航空航天等领域具有极其重要的应用前景。本发明以研究材料微观力学性能为对象，提出的悬挂式旋转快速定位、变深弧形划痕测试、原位在线观测等新技术、新方法，对我国微纳米领域材料力学性能测试、相关产品开发和产业化、填补我国相关领域的空白具有重要意义。
本发明结构布局属于上下型结构，分别为上部悬挂式旋转快速定位模块和下部试样支撑平台。其中上部结构装配原位观测模块和和微纳米压痕模块，可实现压痕测试、原位观察位置的快速转换及原位观测。下部试样支撑平台由剪式电动升降台和电动旋转平台两部分组成：电动旋转平台可实现压痕测试过程中的压痕自动换点，亦可与微纳米压痕模块共同作用，在试样上进行弧形刻划加工，实现弧形划痕测试；剪式电动升降台可实现压痕模块的快速进给和原位观测模块的快速对焦，避免了多个驱动装置的使用。剪式电动升降台、电动旋转平台、微纳米压痕模块共同使用，在刻划过程中划痕深度不断发生变化，实现变深弧形划痕测试实验。测试装置结构简单、具有模块化的结构特点操作简便、整体结构刚度高，在材料科学、机械装备制造、精密光学、生物医学工程、半导体、纳米工程、国防军工和航空航天等领域具有极其重要的应用前景。
本发明的上述目的通过以下技术方案实现：
悬挂式旋转快速定位原位压痕/变深弧形划痕测试装置，包括悬挂式旋转快速定位模块、变深弧形划痕测试模块、微纳米压痕模块、原位观测模块，所述微纳米压痕模块和原位观测模块集成在悬挂式旋转快速定位模块上；变深弧形划痕测试模块由压痕仪4和试件支撑平台共同组成，试件支撑平台由剪式电动升降台和电动旋转平台两部分组成；悬挂式旋转快速定位模块通过旋转定位法兰21装配在上支撑板1上，通过定位旋转轴27和轴上组件绕轴线方向旋转，压痕仪4、金相显微镜22分别通过压痕连接板3、显微镜连接板20固定在旋转盘19上，通过弹簧定位销23快速定位在压痕位置或原位观测位置。
所述的悬挂式旋转快速定位模块是：旋转盘19通过定位旋转轴27及轴上旋转部件装配在上支撑板1上，所述轴上旋转部件包括两个角接触球轴承ⅰ、ⅱ26、30、旋转套筒ⅰ29、单向平底推力球轴承28、旋转定位法兰21、轴承端盖25、弹簧定位销23和吊环螺钉24，角接触球轴承ⅱ30装配于定位旋转轴27圆周面，上部与轴肩接触，下部通过旋转套筒ⅰ29与角接触球轴承ⅰ26在轴线方向上形成轴向定位，轴承外圈与旋转定位法兰21过盈配合；轴承端盖25对轴承外圈进行轴向定位，同时与弹簧定位销23通过螺纹连接，通过调整定位销使其销头顶住定位旋转轴27上轴端的凹孔；吊环螺钉24螺纹连接在轴承端盖25的中心螺纹孔处，便于将轴承端盖25取出；微纳米压痕模块和原位观测模块装配在旋转盘19上，两者处于同一水平面上，且压痕仪4的压头48中心点和金相显微镜22镜头焦点的旋转运动轨迹完全相同，通过弹簧定位销23实现旋转盘19的快速定位。
所述的单向平底推力球轴承28套入定位旋转轴27上，单向平底推力球轴承28的上部与旋转定位法兰21底部接触，下部与旋转盘19接触，通过螺钉把旋转盘19固定于定位旋转轴27上，旋转盘19和旋转定位法兰21下端共同作用，轴向夹紧单向平底推力球轴承28，使其上部与旋转定位法兰21下端接触固定不动，下部与旋转盘19接触并随其同步转动；单向平底推力球轴承28增加了旋转盘19与其它部件的接触面积。
所述的变深弧形划痕测试模块是：压痕仪4由压电叠堆46推动柔性铰链52使压头部分产生精密位移，实现微纳米压痕模块的精密加载，载荷信号和位移信号通过力传感器47和激光位移传感器51进行测定；试件支撑平台通过螺钉装配在底座12上，其中剪式电动升降台通过升降台电机9控制驱动实现剪式结构沿z轴方向运动或通过手动旋钮10进行手动控制，实现压痕仪4的快速进给和金相显微镜22的快速对焦；电动旋转平台：旋转平台电机18通过旋转平台电机支座33固定，经蜗轮蜗杆传动实现载物台5的旋转，所述电动旋转平台的结构如下：旋转平台电机18通过联轴器组件ⅰ17与蜗杆轴13相连，带动其发生转动，通过蜗轮蜗杆传动将蜗杆轴13的转动传递给电动旋转平台的旋转轴36，带动载物台5转动，实现电动旋转平台的转动功能；涡轮6与旋转轴36通过平键连接，载物台连接板31与旋转轴36通过花键连接，从而实现运动的传递；电动旋转平台通过轴承座ⅰ、ⅱ、ⅲ16、7、32及轴承座支撑块ⅰ、ⅱ15、8固定在旋转平台底座上14，通过旋转平台底座14与剪式电动升降台装配在一起，剪式电动升降台带动其实现沿z轴方向的升降运动。
所述的悬挂式旋转快速定位原位压痕/变深弧形划痕测试装置的变深弧形划痕测试方法是：压头压入试件后，压痕仪处于加载状态，并保持该状态不变，电动旋转平台载物台5经旋转平台电机18带动发生转动，从而在试件上划刻出与换点轨迹相同的划痕，实现弧形划痕测试实验。当进行弧形划痕实验时，剪式电动升降台及载物台5在升降台电机9的带动下发生沿z轴方向的移动，使划痕深度在刻划过程中不断发生变化，实现变深弧形划痕测试。
本发明的另一目的在于提供一种悬挂式旋转快速定位原位压痕/变深弧形划痕测试方法，其特征在于：载物台5中心点为o，压痕仪4压头48初始位置于载物台所在平面上的投影为a，以o为极点，射线oa为极轴建立极坐标系；进行压痕测试自动旋转换点或弧形划痕测试实验时，自上向下观察，载物台5顺时针转过θ角度，则此时压头在试件上的相对极坐标位置点为
(ρ,θ)
其中，ρ为线段oa的长度；
压头48的相对运动弧长为
l＝ρ·θ
装置进行旋转快速定位时，自上向下观察，旋转盘19相对初始位置顺时针转过α角度，压头48的极坐标位置点为
(ρ,α)
旋转盘19转动的弧长为
l＝ρ·α
以o为原点，射线oa为x轴，oa绕原点逆时针转动90度的射线oa′为y轴，垂直oxy平面向上为z轴，创建空间直角坐标系；以压头48点与oxy平面垂直向上距离h且与oxy平行的面为基准面，进行变深弧形划痕测试时，载物台相对基准面向上运动h，则压头48的空间坐标位置为
(ρcosθ,ρsinθ,h-h)
同时，根据压痕过程中的载荷-压深曲线和划痕过程中轴向力-横向力曲线，可得到压痕硬度、接触刚度、弹性模量、划痕硬度、摩擦系数等材料的力学参数；
载荷-压深曲线中p是压入载荷，h是压入位移，四个关键的参量分别是最大压入载荷pmax、最大压入深度hmax、残余压入深度hf和接触刚度s＝dp/dh，接触刚度定义为卸载曲线顶部斜率；
压入载荷-深度曲线的卸载部分满足下述幂函数关系式
p＝α(h-hf)m
其中，α和m为幂函数拟合参数，实际应用中通常对卸载曲线顶部的25％～50％部分进行最小二乘法拟合，得到α和m值；
压头与试件之间的接触深度为
进一步可以得到接触面积函数a，即
a＝f(hc)
对于理想玻氏压头
接触面积函数确定后，材料的压痕硬度即可表示为
接触刚度和接触面积存在以下关系
式中，β为与压头形状有关的常数，er为折合模量；对于玻氏压头、维氏压头和平头压头，β的取值分别为1.034、1.012和1.000；
折合模量er的引入同时考虑了试件和压头的弹性变形，其与试件和压头的弹性模量、泊松比之间存在以下关系
其中，e、ei分别为试件和压头材料的弹性模量；v、vi分别是试件材料和压头材料的泊松比；
与压痕测试不同，划痕过程中，刚性压头沿着试件表面进行动态滑动；其广泛应用于薄膜材料、表面涂层材料、生物材料、高聚物材料的摩擦、磨损性能的研究中；fn为划痕过程中压头作用到试件上的轴向力，fl为压头受到的横向力，d为残余划痕的宽度；
对应锥形压头的划痕过程，划痕硬度可表示为
式中，q为与材料力学响应有关的参数；对于完全塑性变形材料，q≈2；对于黏弹塑性材料，q＞1；
划痕测试过程中，材料与试件之间的摩擦系数通过下式获得
本发明的有益效果在于：结构新颖，具有电机驱动的快速进给能力，以及微纳米级别的压电微驱动能力，可精确测定测试材料的硬度、弹性模量、刻划抗力等力学性能参数。本发明的加载位移分辨率达到微纳米级、加载力分辨率达到微牛级，通过数字显微成像系统对测试中材料的变形、损伤进行原位观测。本发明可实现原位观测模块的快速定位，压痕测试模块的自动弧形换点、弧形刻划以及变深弧形刻划，为材料的力学行为和服役行为提供了个有效的测试手段。本发明在材料科学、机械装备制造、精密光学、生物医学工程、半导体、纳米工程、国防军工和航空航天等领域具有极其重要的应用前景。
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为本发明的整体结构示意图；
图2为本发明的悬挂式旋转快速定位模块的结构剖视示意图；
图3为本发明的悬挂式旋转快速定位模块的立体结构示意图；
图4为本发明的电动旋转平台的结构示意图；
图5为本发明的电动旋转平台的局部剖视示意图；
图6为本发明的剪式电动升降平台结构示意图；
图7为本发明的微纳米压痕模块结构示意图；
图8为典型的压入载荷-压入位移关系曲线；
图9为压痕过程剖面示意图；
图10为典型弧形划痕过程示意图。
图中：1、上支撑板；2、支撑柱；3、压痕连接板；4、压痕仪；5、载物台；6、涡轮；7、轴承座ⅱ；8、轴承座支撑块ⅱ；9、升降台电机；10、手动旋钮；11、升降台电机支座；12、底座；13、蜗杆轴；14、旋转平台底座；15、轴承座支撑块i；16、轴承座i；17、联轴器组件ⅰ；18、旋转平台电机；19、旋转盘；20、显微镜连接板；21、旋转定位法兰；22、金相显微镜；23、弹簧定位销；24、吊环螺钉；25、轴承端盖；26、角接触球轴承ⅰ；27、定位旋转轴；28、单向平底推力球轴承；29、旋转套筒ⅰ；30、角接触球轴承ⅱ；31、载物台连接板；32、轴承座ⅲ；33旋转平台电机支座；34、圆螺母；35、旋转套筒ⅱ；36、旋转轴；37、角接触球轴承ⅲ；38、升降台法兰；39、升降台固定底座；40、升降臂；41、升降台支撑板；42、联轴器组件ⅱ；43、压痕基板；44、压板；45、微进机构；46、压电叠堆；47、力传感器；48、压头；49、头部固定器；50、遮挡板；51、激光位移传感器；52、柔性铰链；53、位移传感器连接板；54、调整旋钮基座；55、调整旋钮。
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7所示，本发明的悬挂式旋转快速定位原位压痕/变深弧形划痕测试装置，整体结构呈上下分布式，上下两部分通过支撑柱2装配在一起，包括悬挂式旋转快速定位模块、变深弧形划痕测试模块、微纳米压痕模块、原位观测模块，所述微纳米压痕模块和原位观测模块集成在悬挂式旋转快速定位模块上；变深弧形划痕测试模块由压痕仪4和试件支撑平台共同组成，试件支撑平台由剪式电动升降台和电动旋转平台两部分组成；悬挂式旋转快速定位模块通过旋转定位法兰21装配在上支撑板1上，通过定位旋转轴27和轴上组件绕轴线方向旋转，压痕仪4、金相显微镜22分别通过压痕连接板3、显微镜连接板20固定在旋转盘19上，通过弹簧定位销23快速定位在压痕位置或原位观测位置；
所述的悬挂式旋转快速定位模块是：旋转盘19通过定位旋转轴27及轴上旋转部件装配在上支撑板1上，所述轴上旋转部件包括两个角接触球轴承ⅰ、ⅱ26、30、旋转套筒ⅰ29、单向平底推力球轴承28、旋转定位法兰21、轴承端盖25、弹簧定位销23，角接触球轴承ii30装配于定位旋转轴27圆周面，上部与轴肩接触，下部通过旋转套筒i29与角接触球轴承i26在轴线方向上形成轴向定位，轴承外圈与旋转定位法兰21过盈配合，将旋转轴部组件装配起来。轴承端盖25对轴承外圈进行轴向定位，同时与弹簧定位销23通过螺纹连接，通过调整定位销使其销头顶住定位旋转轴27上轴端的凹孔，形成该模块的定位；吊环螺钉24螺纹连接在轴承端盖25的中心螺纹孔处，便于将轴承端盖25在装置中取出。微纳米压痕模块和原位观测模块装配在旋转盘19上，两者处于同一水平面xoy上，且压痕仪4的压头48中心点和金相显微镜22镜头焦点的运动轨迹完全相同，当压痕仪4的压头48正对试件进行压痕或划痕实验时，旋转盘19通过弹簧定位销23定位，将其固定于某一确定位置，使实验顺利进行；压痕或划痕完成后需对试件进行原位观测，此时将旋转盘19快速转动一定角度本装置为90度，再次利用弹簧定位销23定位在该压痕或划痕加载位置，此时金相显微镜镜头焦点正好对准试件压痕位置或试件划痕位置，对试件进行原位观测，从而实现装置快速旋转定位。
所述的单向平底推力球轴承28的使用可以增强悬挂式旋转快速定位装置的整体刚度。单向平底推力球轴承28套入定位旋转轴27上，单向平底推力球轴承28的上部与旋转定位法兰21底部接触，下部与旋转盘19接触，通过螺钉把旋转盘19固定于定位旋转轴27上，旋转盘19和旋转定位法兰21下端共同作用，轴向夹紧单向平底推力球轴承28，使其上部与旋转定位法兰21下端接触固定不动，下部与旋转盘19接触并随其同步转动；单向平底推力球轴承28的使用增加了旋转盘19与其它部件的接触面积，对于减小因偏心悬挂压痕仪4和金相显微镜22导致的倾覆力矩造成的结构不稳定，增大整体刚度具有重要意义。
所述的变深弧形划痕测试模块是：压痕仪4由压电叠堆46推动柔性铰链52使压头部分产生精密位移，实现微纳米压痕模块的精密加载，载荷信号和位移信号通过力传感器47和激光位移传感器51进行测定；显微成像系统将金相显微镜22得到图像信息显示在显示器上，对试验材料进行测试分析；试件支撑平台通过螺钉装配在底座12上，其中剪式电动升降台通过升降台电机9控制驱动实现剪式结构沿z轴方向运动或通过手动旋钮10进行手动控制，实现压痕仪4的快速进给和金相显微镜22的快速对焦；电动旋转平台：旋转平台电机18通过旋转平台电机支座33固定，经蜗轮蜗杆传动实现载物台5的旋转，完成压痕过程中对试件进行自动换点以及划痕过程中对试件进行弧形刻划。
压痕仪4的压头48的中心轴线与试件支撑平台中的电动旋转平台的旋转中心轴线平行，平行距离为ρ，压痕实验结束后，压头48退出测试试件，旋转平台载物台5经旋转平台电机18带动发生绕旋转轴线的转动，实现微纳米压痕模块的自动换点，换点轨迹以旋转中心轴线为原点，以ρ长为半径的圆弧形。压头48压入试件后，压痕仪4静止不动，处于加载状态，并保持该状态不变，电动旋转平台载物台5经旋转平台电机18带动发生转动，从而在试件上划刻出与换点轨迹相同的划痕，实现弧形划痕测试实验。当进行弧形划痕实验时，剪式电动升降台及载物台5在升降台电机9的带动下发生沿z轴方向的移动，使划痕深度在刻划过程中不断发生变化，实现变深弧形划痕测试实验。
参见图4及图5所示，所述电动旋转平台的结构如下：旋转平台电机18通过联轴器组件ⅰ17与蜗杆轴13相连，带动其发生转动，通过蜗轮蜗杆传动将蜗杆轴13的转动传递给电动旋转平台的旋转轴36，带动载物台5转动，实现电动旋转平台的转动功能；涡轮6与旋转轴36通过平键连接，载物台连接板31与旋转轴36通过花键连接，从而实现运动的传递；电动旋转平台通过轴承座ⅰ、ⅱ、ⅲ16、7、32及轴承座支撑块ⅰ、ⅱ15、8固定在旋转平台底座上14，通过旋转平台底座14与剪式电动升降台装配在一起，剪式电动升降台带动其实现沿z轴方向的升降运动。
所述电动旋转平台通过旋转平台底座14装配在升降台支撑板41上，轴承座iii32、角接触球轴承ⅲ37、涡轮6、旋转套筒ⅱ35、载物台连接板31、圆螺母34依次装配于旋转轴36上，构成电动旋转平台的轴传动系统。通过涡轮蜗杆传动将旋转平台电机18的旋转运动转换为该模块旋转平台的旋转运动。
参见图6所示，剪式电动升降台装配在底座12上，可以通过升降台电机9实现沿z轴方向的自动可控升降，亦可通过手动旋钮10手动控制升降台实现升降操控。电动旋转平台通过旋转平台底座14装配在升降台支撑板41上，将旋转平台电机18的旋转运动转换为该变深弧形划痕测试模块电动旋转平台的旋转运动。悬挂式旋转快速定位模块通过定位旋转法兰21安装于上支撑板1上，其旋转定位通过弹簧定位销23实现，定位旋转盘上装配金相显微镜22和压痕仪4，用以实现上述功能，金相显微镜镜头焦点轴线和压痕仪压头轴线到定位旋转盘轴线的距离相等，旋转轨迹完全相同，压痕/划痕测试结束后可实现金相显微镜的快速定位。
参见图6所示，所述的剪式电动升降台由升降台电机9、手动旋钮10、升降台电机支座11、联轴器组ii42、升降台法兰38、升降台固定底座39、升降臂40和升降台支撑板41几部分组成。两个升降臂40组成剪式结构通过螺栓将升降台固定底座39和升降台支撑板41连接起来，升降台电机9安装在升降台电机支座11上，经联轴器组件ii42与丝杠螺母装置连接，通过丝杠螺母副对升降台进行升降控制。可提供稳定的高度调整与承载能力，操作简单，性能可靠。通过升降台电机9实现沿z轴方向的自动可控升降，亦可通过手动旋钮10手动控制升降台实现升降操控，该控制是通过滚珠丝杠传动将电机的旋转运动转换为装置沿z轴方向的直线运动实现的。
所述的金相显微镜22和压痕仪4均通过连接板及螺钉固定在旋转盘19上，其本身不能实现压痕的快速进给和显微镜的快速对焦，但根据运动的相对性原理，利用剪式电动升降台的快速升降可以实现上述功能要求，避免了压痕电机和金相显微镜驱动电机的使用，是整体结构更加简单，提高了压痕模块的刚度，减轻了悬挂式旋转快速定位模块的整体质量，增强了装置的整体刚度。
参见图7所示，所述微纳米压痕模块大体可分为加载单元和信号检测单元：加载单元通过压痕基板43连接在压痕连接板3上，其包括柔性铰链52、压电叠堆46、力传感器47、压头48、头部固定器49等部分。柔性铰链52通过螺钉固定在压痕基板43上，其凹槽内嵌入压电叠堆46，力传感器47通过螺纹连接在柔性铰链52下端和遮挡板50上端。压电叠堆46在电压信号的激励下输出位移，带动柔性铰链52和下方的力传感器47、头部固定器49、压头48，实现z轴方向精密驱动加载；位移信号检测单元包括激光位移传感器51、位移传感器连接板53、微进机构45和压板44，激光位移传感器51通过位移传感器连接板53固定在微进机构45上，微进机构45通过压板44固定在压痕基板43上，控制固定在调整旋钮基座54上的调整旋钮55，实现微进机构45的微位移输出，测量激光位移传感器51与遮挡板50之间相对位移的变化实现位移信号的检测。载荷信号检测单元包括力传感器47，其串联在柔性铰链52与压头48之间，实现载荷信号的实时检测。
所述的悬挂式旋转快速定位原位压痕/变深弧形划痕测试装置的变深弧形划痕测试方法是：压头压入试件后，压痕仪处于加载状态，并保持该状态不变，电动旋转平台载物台5经旋转平台电机18带动发生转动，从而在试件上划刻出与换点轨迹相同的划痕，实现弧形划痕测试实验。当进行弧形划痕实验时，剪式电动升降台及载物台5在升降台电机9的带动下发生沿z轴方向的移动，使划痕深度在刻划过程中不断发生变化，实现变深弧形划痕测试。
压痕仪的压头中心偏离电动旋转平台的旋转中心，可实现压痕自动换点和划痕的弧形刻划；电动旋转平台的转动可以使压头和试件围绕电动旋转平台中心发生相对弧型滑动，加之剪式电动升降台可实现沿z轴方向的移动，故而该装置可进行变深弧形划痕力学性能测试。压头中心与镜头焦点处于同一运动轨迹上，压痕/变深弧形划痕测试结束后，原位观察模块可快速定位到压痕点或划线位置，对试件进行原位观测。该装置中，悬挂式旋转快速定位模块只能实现绕z轴方向的旋转运动，压痕模块的快速进给和原位观测模块的快速对焦均是通过剪式电动升降台沿z轴方向的升降来实现，避免了多个驱动装置的使用，使整体结构简化，有效的提高了压痕模块的刚度，有利于测试精度的提高。
本发明的悬挂式旋转快速定位原位压痕/变深弧形划痕测试装置的校准与测试方法是：由力传感器和位移传感器与a/d采集卡记录实验过程中的力与位移，得到压痕过程中的载荷-压深曲线和轴向力-横向力曲线，根据力学计算模型，即可得到压痕硬度、接触刚度、弹性模量、划痕硬度、摩擦系数等力学参数。
本发明的悬挂式旋转快速定位原位压痕/变深弧形划痕测试方法，载物台5中心点为o，压痕仪4压头48初始位置于载物台所在平面上的投影为a，以o为极点，射线oa为极轴建立极坐标系；进行压痕测试自动旋转换点或弧形划痕测试实验时，自上向下观察，载物台5顺时针转过θ角度，则此时压头在试件上的相对极坐标位置点为
(ρ,θ)
其中，ρ为线段oa的长度；
压头48的相对运动弧长为
l＝ρ·θ
装置进行旋转快速定位时，自上向下观察，旋转盘19相对初始位置顺时针转过α角度，压头48的极坐标位置点为
(ρ,α)
旋转盘19转动的弧长为
l＝ρ·α
以o为原点，射线oa为x轴，oa绕原点逆时针转动90度的射线oa′为y轴，垂直oxy平面向上为z轴，创建空间直角坐标系；以压头48点与oxy平面垂直向上距离h且与oxy平行的面为基准面，进行变深弧形划痕测试时，载物台相对基准面向上运动h，则压头48的空间坐标位置为
(ρcosθ,ρsinθ,h-h)
同时，根据压痕过程中的载荷-压深曲线和划痕过程中轴向力-横向力曲线，可得到压痕硬度、接触刚度、弹性模量、划痕硬度、摩擦系数等材料的力学参数；
参见图8及图9所示，载荷-压深曲线中p是压入载荷，h是压入位移，四个关键的参量分别是最大压入载荷pmax、最大压入深度hmax、残余压入深度hf和接触刚度s＝dp/dh，接触刚度定义为卸载曲线顶部斜率。
压入载荷-深度曲线的卸载部分近似满足下述幂函数关系式
p＝α(h-hf)m
其中，α和m为幂函数拟合参数，实际应用中通常对卸载曲线顶部的25％～50％部分进行最小二乘法拟合，得到α和m值。
压头与试件之间的接触深度为
进一步可以得到接触面积函数a，即
a＝f(hc)
对于理想玻氏压头
接触面积函数确定后，材料的压痕硬度即可表示为
接触刚度和接触面积存在以下关系
式中，β为与压头形状有关的常数，er为折合模量。对于玻氏压头、维氏压头和平头压头，β的取值分别为1.034、1.012和1.000。
折合模量er的引入同时考虑了试件可压头的弹性变形，其与试件和压头的弹性模量、泊松比之间存在以下关系
其中，e、ei分别为试件和压头材料的弹性模量；v、vi分别是试件材料和压头材料的泊松比。
参见图10所示，与压痕测试不同，划痕过程中，刚性压头沿着试件表面进行动态滑动。其广泛应用于薄膜材料、表面涂层材料、生物材料、高聚物等材料的摩擦、磨损性能的研究中。示意图中，fn为划痕过程中压头作用到试件上的轴向力，fl为压头受到的横向力，d为残余划痕的宽度。
对应锥形压头的划痕过程，划痕硬度可表示为
式中，q为与材料力学响应有关的参数。对于完全塑性变形材料，q≈2；对于黏弹塑性材料，q＞1。
划痕测试过程中，材料与试件之间的摩擦系数通过下式获得
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。
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