CN102374953A - 一种测定材料载荷-位移曲线的压痕装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及材料力学性能测试的装置，具体为一种测定金属材料载荷-位移曲线的压痕装置，包括机械部分和电气控制部分，该机械部分与该电气控制部分通过数据传输线连接，机械部分由定位装置和压痕制造装置组成，其中压痕制造装置采用两相混合式直线型步进电机带动压头上下移动，压头为直径为不大于1mm的金刚石材料球形压头；电气控制部分包括可编程序控制器、触摸屏、电机驱动器，用于驱动机械部分的步进电机，并采集机械部分所测量的数据，可实现人机交互；本发明为无损检测装置，具有结构简单、体积小、重量轻、检测精度高、便于携带至测试现场等特点。

Description

一种测定材料载荷-位移曲线的压痕装置

技术领域

本发明涉及材料力学性能测试的装置，具体为一种测定金属材料载荷-位移曲线的压痕装置。 

背景技术

目前测定金属材料常规力学性能(如弹性模量、加工硬化指数、屈服强度、抗拉强度、硬度等)包括直接和间接法两大类，这两大类方法中又涉及到多种不同的材料性能测试或估算类型，现有技术领域中金属材料力学性能检测方法可见图7。 

在图7方法中，尤以无损型的示值压痕技术引人注目，它可以实时检测材料的表面性能而无需破坏结构的原始状态。以检测涂层和脆性材料为主的纳米压痕仪出现较早，然而纳米压痕仪存在环境要求高、价格昂贵、应用受限等缺点而得不到广泛的应用，为了克服纳米压痕仪存在的缺点，相关研究人员开发了毫微米级的压痕设备。 

采用示值压痕技术测量材料力学性能的方法最基本的要求是要获得准确的P-h曲线，即能够在压头压入材料的过程中同时记录下载荷(力)及其与之对应深度(位移)的变化信息。目前已出现多种类型的此类设备，体积重量各不相同，用途也有所区别。 

现有的压痕力学性能检测装置通常存在着体积庞大，重量重，成本较高而不适合现场的应用和工业的推广，例如装置由于其采用悬臂式电机加力方式，测量对象只能为小型试样，或者采用蜗轮蜗杆传动，它仅能在特别准备的小试样上测出对应压力下的最大深度和卸载后残余深度，不能记录连续变化的载荷-位移曲线(P-h曲线)。另外现有技术中采用电磁驱动装置或采用电磁线圈给悬臂梁加力获得P-h曲线的装置，其只能提供微小载荷和纳微米级位移，不适用于现场使用。 

发明内容

针对现有技术中存在的不足，本发明要解决的技术问题在于提供一种便携型可用于现场检测的测定金属材料载荷-位移曲线的压痕装置。 

为解决上述技术问题，本发明的技术方案如下： 

一种测定金属材料载荷-位移曲线的压痕装置，包括机械部分和电气控制部分，该机械部分与该电气控制部分通过数据传输线连接，其特征在于： 

所述机械部分包括定位装置和压痕制造装置，其中定位装置位于该机械部分下端与该机械部分上端的压痕制造装置通过L型连接板连接固定； 

所述压痕制造装置的一端部设置有压头和位移传感器，所述位移传感器在竖直方向与所述压头紧贴固定，用于测定压头压入被测材料表面的位移大小；所述压痕制造装置另一端安装有步进电机，所述步进电机的丝杠通过一滑块连接接头连接一滑块，所述压头上端部固定连接一载荷传感器，所述载荷传感器固定在所述滑块内部，用于测定施加于所述压头的力的大小； 

所述电气控制部分包括可编程序控制器、触摸屏、电机驱动器，其中该可编程序控制器的输出端连接所述电机驱动器的输入端，所述触摸屏与所述可编程序控制器通过信号线连接并互通信号；所述电机驱动器的输出端与所述机械部分的步进电机输入端连接，驱动所述步进电机的运行； 

所述机械部分的载荷传感器与位移传感器分别通过A/D数模转化模块与所述可编程序控制器的输入端相连，并将所测的输入至所述可编程序控制器内； 

所述步进电机采用两相混合式直线型步进电机。 

所述压头为金刚石材料的直径为不大于1mm的球形压头。 

所述定位装置由十字滑台和固定底座组成，其中所述十字滑台具有内层高强铝板、中层高强铝板、外层高强铝板构成的中间通透结构，所述外层高强铝板与所述固定底座螺钉固定连接，所述内层高强铝板上端面设置有两对X向滑台紧固螺栓，所述中层高强铝板上端面设置有两对Y向滑台紧固螺栓。 

所述两对Y向滑台紧固螺栓用于固定两根Y向不锈钢滑柱，两对X向滑台紧固螺栓用于固定两根X向不锈钢滑柱。 

所述滑块套在所述步进电机下端面均匀分布固定的四根导向柱上，所述丝杠的上下运动带动所述滑块沿着所述导向柱上下滑动；其中所述滑块上端面边缘处安装有电磁接近开关与所述步进电机下固定板上的磁铁位置相对应。 

所述两相混合式直线型步进电机内含滚珠丝杠副，该滚珠丝杠副内部丝母的旋转运动转化为所述丝杠的直线运动，所述滚珠丝杠副的螺距为1mm，采用细分驱动器驱动，最小步进角为0.014°，进给分辨率为1μm，行程为50mm，最高速度为10mm/s，最大推力达到1600N。 

所述压头旁固定有一电子内窥镜，其中所述电子内窥镜采用直径为7mm，最大视场角为88°，放大倍数为5倍的光导探头。 

所述固定底座采用磁性表座或支架座。 

所述位移传感器和所述载荷传感器均采用线性电源供电。 

本发明具有如下的积极效果及优点： 

1.本发明采用两相混合式直线型步进电机，直接将电机的旋转运动转化为直线运动，具有结构简单、体积小、重量轻的优点，单人可携带至测试现场； 

2.本发明采用直径不大于1mm的金刚石球形压头，由于采用的金刚石球形压头所使用的压力小即可达到所需的要求，其附件尺寸和重量相应减小，而所产生的压痕深度小于100μm，实现无损检测的要求； 

3.本发明十字滑台的上端面设置有八个紧固螺栓，可以避免在卸载过程中滑柱间隙大而造成测量上的误差； 

4.本发明加载过程中丝杠副采用螺母旋转的方式直接推动丝杆作直线运动，防止加载过程中打滑，达到额定的设计压力。 

5.本发明根据测量环境可选择强力微调磁性表座或支架座作为固定底座，可满足对磁性和非磁性材料进行测试的要求，且固定方便，体积小重量轻，方便现场使用。 

6.本发明采用人机界面的形式(即触摸屏)将其与电气控制部分直接组合到一起，避免了外接电脑的麻烦，便于现场使用和实时显示。 

附图说明

图1为本发明结构框图； 

图2为本发明机械部分定位装置结构示意图； 

图3为本发明机械部分压痕制造装置结构示意图； 

图4为本发明电气原理框图； 

图5为本发明触摸屏人机操作界面(a)视频调节画面、(b)设定画面和(c)测试画面； 

图6为本发明触摸屏人机操作界面的实时监测画面(a)定位画面、(b)检测结果； 

图7为本发明现有技术中金属材料力学性能检测方法示意图。 

其中：101、定位装置；102、L型连接板；103、压痕制造装置；204、触 摸屏；10、十字滑台；11、X向滑台；12、Y向滑台紧固螺栓；13、Y向滑台；14、Y向滑台紧固螺栓；15、紧固螺孔；16、Y向旋进把手；17、X向旋进把手；18、固定底座；21、滑块；22、接近开关；23、导向柱；24、电机下固定板；25、步进电机；26、电机上固定板；27、风扇；28、丝杠；29、滑块连接头；30、底座板；210、载荷传感器；211、位移传感器；212、压头。 

具体实施方式

以下结合附图和实施例对本发明作进一步详细描述。 

如图1-4所示，测定金属材料载荷-位移曲线的压痕装置包括机械部分1和电气控制部分2，该机械部分1与该电气控制部分2通过数据传输线连接。 

机械部分1为压痕制造装置103与定位装置101上、下设置的结构，定位装置101与压痕制造装置103通过L型连接板102固定连接。压痕制造装置103固定在定位装置101的十字滑台10上，十字滑台10上设置有紧固螺孔15，压痕制造装置103通过紧固螺孔15以及L型连接板102固定在十字滑台10上。本实施例中紧固螺孔15的数量为8个。使用时压痕制造装置103利用定位装置101定位并在被测材料表面形成压痕；压痕制造装置103与被测试材料接触的端部设置有压头212和位移传感器211，位移传感器211在竖直方向与压头212紧贴固定，用于测定压头212压入被测材料表面的位移大小。随着压头212的上下运动，位移传感器211采集压头212压入材料的深度数据；压痕制造装置103具有步进电机25，该步进电机25连接电气控制部分内的电机驱动器并通过电机驱动器驱动，步进电机25的丝杠28通过一滑块连接头29连接一滑块21，压头212上端部固定连接一载荷传感器210，载荷传感器210固定在所述滑块21内部，用于测定施加于所述压头212的力的大小，采集施加在压头212上的载荷数据。 

电气控制部分2包括可编程序控制器、触摸屏204、电机驱动器。其中可编程序控制器的输出端连接电机驱动器的输入端，机械部分1的载荷传感器210与位移传感器211分别通过A/D数模转化模块与可编程序控制器的输入端相连；触摸屏通过信号传输线与所述可编程序控制器连接。 

如图2所示，定位装置101主要由十字滑台10和固定底座18组成，其中定位装置101通过固定底座18固定到待测材料表面，如果待测材料为磁性材料，则固定底座18可以采用磁性表座，如果待测材料为非磁性材料，固定底座18还可以采用支架座固定，采用支架座则可通过快干胶粘贴于待测材料表面，本实施例采用磁力达120kg的强力磁性表座，磁性表座的为尺寸120×50×55mm，磁性表座为两个，分别通过螺钉连接安装在十字滑台10底部两侧；十字滑台10中间为通透的结构，以便于压痕制造装置103的压头212与待测材料表面接触。十字滑台10由内、中、外层高强铝板构 成，高强铝板材料采用2219商用铝铜合金，其中内层高强铝板作为Y向滑台13，中层高强铝板作为X向滑台11，外层高强铝板与所述固定底座18通过螺钉固定连接，外层高强铝板具有两个相对的侧面，X向旋进把手17穿过外层高强铝板的一侧面与内层高强铝板的侧面上连接，中层高强铝板没有被外层高强铝板包裹的一侧面上安装有可旋进Y向旋进把手16，Y向旋进把手16带动Y向滑台13沿两根Y向不锈钢滑柱在y向移动，X向旋进把手17带动X向滑台11沿两根Y向不锈钢滑柱在y方向的移动。通过拧动X向旋进把手和Y向旋进把手带动压痕制造装置在x和y方向移动寻找测试点。本实施例中十字滑台10上端面设计有紧固螺栓，其中Y向滑台紧固螺栓14数目为4个分别安装在Y向滑台13即内层高强铝板上用于固定两根Y向不锈钢滑柱，保证两根Y向不锈钢滑柱之间间隙固定不变，X向滑台紧固螺栓12数目为4个分别安装在X向滑台11上，用于固定两根X向不锈钢滑柱，保证两根X向不锈钢滑柱之间间隙固定不变。本发明实施例中所设置的紧固螺栓模式可以有效地防止在加卸载过程中滑柱间隙造成的测量误差。十字滑台10的内部高强铝板上设置有紧固螺孔15，用于将压痕制造装置103固定在十字滑台10上。 

如图3所示，压痕制造装置103主要包括：滑块21、接近开关22、导向柱23、电机下固定板24、步进电机25、电机上固定板26、风扇27、丝杠28、滑块连接头29、底座板30、载荷传感器210、位移传感器211、压头212等，压痕制造装置103由步进电机25带动压头212的上下运动，本实施例中步进电机25采用两相混合式直线型步进电机，该步进电机25内含滚珠丝杠副，该滚珠丝杠副内部丝母的旋转运动转化为所述丝杠28的直线运动，本实施例中内置螺距1mm的内旋丝杆副，最小步进角为0.014°，进给分辨率为1μm，行程为50mm，最高速度为10mm/s，最大推力达到1600N，该步进电机25具有2N·M扭矩，本实施例中步进电机25的步进驱动器采用细分驱动器，步进电机25的下端的电机下固定板24的四边角分别通过螺母固定有导向柱23，导向柱23的另一端连接在形状大小与电机下固定板24相对应的底座板30的四个边角上，该底座板30为中间通透结构，便于压头212以及位移传感器211的通过，导向柱23套有一滑块21，该滑块21的上端面通过滑动连接头29与丝杠28连接，随着丝杠28的上下运动沿着导向柱23上下滑动，载荷传感器210位于压头212的上端部、滑块连接头29和压头212之间，载荷传感器210通过螺纹与压头212的上端部连接固定，载荷传感器210位于滑块21内部、与滑块21固定在一起，载荷传感器210采集施加在压头212上的载荷数据。本实施例中载荷传感器210采用盘型载荷传感器，具有结构小巧，高度低，抗偏载性能好，全不锈钢材质，最高载荷200Kg，非线性度≤±0.03，分辨率10g，本实施例中压头212采用直径为0.5mm的金刚石材质的球形压头，压深小于100μm。滑块21上端面边缘处安装有突出于滑块21上端面的电磁式接近开关22， 该接近开关22与步进电机25的电机下固定板24上的磁铁位置相对应。压痕制造装置103中的滑块21随着丝杠28上下运动，其上设置的接近开关22作为安全措施，防止压头212卸载过程中一直向上运动，即当接近开关22与电机下固定板24上的磁铁接近至2mm范围时，电源自行断开，丝杠28立刻停止向上运动。电子内窥镜可以采用手持式电子内窥镜，也可以固定在压头212附近，本实施例中电子内窥镜采用直径为7mm，最大视场角为88°，放大倍数为5倍的光导探头，手持式的电子内窥镜可直接放置在压头212旁，通过信号线连接触摸屏204的输入端。本实施例中位移传感器211采用回弹型LVDT位移传感器，具有精度高、误差小、移动舒畅和平滑等优点，最大量程5mm，综合精度0.05％。使用时电子内窥镜始终紧贴固定在压头212旁边。步进电机25的电机上固定板26的另一面上还安装有风扇27，防止电机过热和传感器产生温漂。 

为了实现本发明对电气控制方面的要求，如图4所示的电气原理框图。可编程序控制器里编制好预定程序，本发明实施例中所编制的预定程序为梯形图语言编程编制的程序，包括：模拟量输入、模拟量标定、手动模式脉冲输出、速度处理、曲线显示处理、数据采集、数据处理、零点校准与自动模式。通过触摸屏204往可编程序控制器中输入参数，控制可编程序控制器按照设定频率发出的脉冲信号给电机驱动器，该电机驱动器依据脉冲信号指令提供电流驱动步进电机25动作，使步进电机25以一定的转速转动，经过步进电机25内部的转换，步进电机25驱动丝杠28以一定速度带动压头212沿电机轴作直线运动，达到对材料表面加卸载的目的。在压头212直线运动过程中，通过载荷传感器210和位移传感器211测得施加于压头212的力的大小以及压头212压入材料表面的位移大小。由载荷传感器210和位移传感器211测得的是模拟信号，经过模数转换(A/D)输入至可编程序控制器内。放置于压头212附近的电子内窥镜，通过信号线连接触摸屏204的输入端。工作时电子内窥镜将被测部位的图像传至触摸屏204中的人机界面，操作者可以通过此人机界面观察测试对象。触摸屏204与可编程序控制器之间连接有信号线，可实现与可编程序控制器之间信息的相互传送。 

本发明中电气控制部分2还包括有一开关电源，用于提供给电子内窥镜和驱动器的供电，本实施例中开关电源采用5-24V开关电源。为了保证可编程序控制器、传感器等器件的工作稳定和抗干扰性，位移传感器211和载荷传感器210可选用线性电源，信号线使用屏蔽线并且与动力线相隔一段距离，本实施例中位移传感器211和载荷传感器210均采用外接线性电源供电。 

如图5所示，按照本发明对材料的测试要求，本实施例中触摸屏204的人机界面操作画面主要包括视频调节画面、设定画面、测试画面。通过触摸屏的人机界面操作画面上的按键写入参数数据输入至可编程序控制器 操作步进电机25运行。本发明通过触摸屏204的人机界面可设置加载脉冲频率、卸载脉冲频率、驱动器细分数、载荷上下限、位移上下限、压力设定值、位移设定值等，这些设定值都可以传送至可编程序控制器，并能保存在触摸屏204所携带的CF卡中。 

本发明在测试材料表面的力学性能时，首先对待测材料进行表面处理，磨光或者电解抛光，根据材料的性质选择固定底座，并将机械部分1与待测材料初步定位并固定在所测区域，通过拧动定位装置101上的十字滑台10的Y向旋进把手16和X向旋进把手17带动压痕制造装置103在y、x方向移动寻找测试点，配合电子内窥镜和人机界面画面观察测试对象，调节压头212的定位状况，实现对被测材料微区部位如焊接接头热影响区的定位。如图6(a)所示的定位画面可对定位画面实现实时监测。通过人机界面操作画面输入所需的参数，并通过触摸屏204传至可编程序控制器中并保存在CF卡中，可编程序控制器控制电机驱动器驱动步进电机25的运作，步进电机25通过丝杠28带动压头212沿电机轴作直线运动，实现对材料表面加卸载。在压头直线运动过程中，通过载荷传感器210和位移传感器211测得施加于压头28的力的大小以及压头28压入材料表面的位移大小，并通过可编程序控制器输出至触摸屏204携带的CF卡中。测试结果可在触摸屏204的人机界面中显示，图6(b)为一种检测结果图。测量完毕后，将CF卡中的数据导出至力学性能计算软件中处理，得到材料微区的力学性能，本实施例中采用Delphi 7.0软件编制力学性能计算软件，将储存卡CF卡中储存的数据导入到计算软件便可对载荷、位移数据进行处理，从而得出材料微区的力学性能。 

本发明采用小直径金刚石材料球形压头，几乎不会对材料表面产生破坏，可看作无损检测。本发明的机械部分尺寸小，重量轻，单人便可携带至测试现场。通过采用不同的固定底座形式可对不同性质的材料检测区域进行测试。通过选择适当的计算方法，能够测试出材料的压痕硬度、弹性模量、屈服强度、抗拉强度、应***化指数等。可以方便地进行操作，获得理想的P-h曲线，可连续测量，整个操作过程不超过2min。适用于现场测量使用。 

Claims (10)

1.一种测定金属材料载荷-位移曲线的压痕装置，包括机械部分和电气控制部分，该机械部分与该电气控制部分通过数据传输线连接，其特征在于：

所述机械部分为压痕制造装置和定位装置上、下设置结构，定位装置与压痕制造装置通过L型连接板连接固定；

所述压痕制造装置的一端部设置有压头和位移传感器，所述位移传感器在竖直方向与所述压头紧贴固定，用于测定压头压入被测材料表面的位移大小；所述压痕制造装置另一端安装有步进电机，所述步进电机的丝杠通过一滑块连接接头连接一滑块，所述压头上端部固定连接一载荷传感器，所述载荷传感器固定在所述滑块内部，用于测定施加于所述压头的力的大小；

所述电气控制部分包括可编程序控制器、触摸屏、电机驱动器，其中该可编程序控制器的输出端连接所述电机驱动器的输入端，所述触摸屏与所述可编程序控制器通过信号线连接并互通信号；所述电机驱动器的输出端与所述机械部分的步进电机输入端连接，驱动所述步进电机的运行；

所述机械部分的载荷传感器与位移传感器分别通过A/D数模转化模块与所述可编程序控制器的输入端相连，并将所测的数据输入至所述可编程序控制器内。

2.按权利要求1所述的测定金属材料载荷-位移曲线的压痕装置，其特征在于所述步进电机采用两相混合式直线型步进电机。

3.按权利要求1所述的测定金属材料载荷-位移曲线的压痕装置，其特征在于所述压头为金刚石材料的直径为不大于1mm的球形压头。

4.按权利要求1所述的测定金属材料载荷-位移曲线的压痕装置，其特征在于所述定位装置包括十字滑台和固定底座，其中所述十字滑台为具有内层高强铝板、中层高强铝板、外层高强铝板构成的中间通透结构，所述外层高强铝板与所述固定底座固定连接，所述内层高强铝板上端面设置有两对X向滑台紧固螺栓，所述中层高强铝板上端面设置有两对Y向滑台紧固螺栓。

5.按权利要求4所述的测定金属材料载荷-位移曲线的压痕装置，其特征在于两对Y向滑台紧固螺栓用于固定两根Y向不锈钢滑柱，两对X向滑台紧固螺栓用于固定两根X向不锈钢滑柱。

6.按权利要求1所述的测定金属材料载荷-位移曲线的压痕装置，其特征在于所述滑块套在所述步进电机下端面均匀分布固定的导向柱上，所述丝杠的上下运动带动所述滑块沿着所述导向柱上下滑动；其中所述滑块上端面边缘处安装有电磁接近开关，电磁接近开关与所述步进电机下固定板上的磁铁位置相对应。

7.按权利要求2所述的测定金属材料载荷-位移曲线的压痕装置，其特征在于所述两相混合式直线型步进电机内含滚珠丝杠副，该滚珠丝杠副内部丝母的旋转运动转化为所述丝杠的直线运动，所述滚珠丝杠副的螺距为1mm，采用细分驱动器驱动，最小步进角为0.014°，进给分辨率为1μm，行程为50mm，最高速度为10mm/s，最大推力达到1600N。

8.按权利要求1所述的测定金属材料载荷-位移曲线的压痕装置，其特征在于所述压头旁固定有一电子内窥镜，其中所述电子内窥镜采用直径为7mm，最大视场角为88°，放大倍数为5倍的光导探头。

9.按权利要求4所述的测定金属材料载荷-位移曲线的压痕装置，其特征在于所述固定底座采用磁性表座或支架座。

10.按权利要求1所述的测定金属材料载荷-位移曲线的压痕装置，其特征在于所述位移传感器和所述载荷传感器均采用线性电源供电。

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