CN110736670B - 适于复杂曲面表面的微纳米压痕试验测试方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种适于复杂曲面表面的微纳米压痕试验测试方法，属于材料微观力学性能测试技术领域。本发明基于三维轮廓仪对具有复杂曲面表面的材料进行表面形貌扫描，获取其表面形貌信息，通过调整试件所在平面倾角快速找到适合进行压痕实验的区域后对该区域进行压痕测试，从而无需对材料进行原有流程的切割、打磨、抛光过程。解决现有微纳米压痕试验试件的平整加工处理中对试件表面预制的加工硬化缺陷、试件制备繁琐复杂等问题。相比现有测试技术，本发明具备节省测试时间和材料表面性能保持性好等优势，同时操作简单、易于控制，在多个领域具有广泛的应用前景。

Description

适于复杂曲面表面的微纳米压痕试验测试方法
技术领域
本发明涉及材料微观力学性能测试技术领域，特别涉及一种适于复杂曲面表面的微纳米压痕试验测试方法，用于对具有复杂曲面表面结构的试样材料的微纳米压痕响应的试验测试。
背景技术
微纳米压痕测试技术通过并行测量具有特定尖端几何结构的硬质压头压入被测试件表面的压入载荷值与压入变形量，进而测得材料的硬度、弹性模量和蠕变特性等基本力学性能参量，是材料表面力学性能测试的主流方法。然而，目前的微纳米压痕测试技术大都仅针对具备平整表面的试件进行测试，为得到平整测试表面需对材料进行切割、打磨、抛光等加工处理，该过程增加了微纳米压痕试样制备繁琐程度，不利于材料力学性能的快速测量，同时也为试件表面预制了加工硬化、应力集中等缺陷，严重损害其原始状态，影响测试结果。如能够对具有任意复杂曲面表面的材料进行微纳米压痕响应测试，而无需对其进行表面加工处理，将大幅节省测试时间，提高测试效率，增加微纳米压痕测试的适用范围与灵活性，因此研究适合于具有复杂曲面表面材料的微纳米压痕测试方法的工作具有重大意义。
发明内容
本发明的目的在于提供一种适于复杂曲面表面的微纳米压痕试验测试方法，解决了现有技术存在的微纳米压痕试验试件的平整加工处理中对试件表面预制的加工硬化缺陷、试件制备繁琐复杂、测试效率低、灵活性差等问题。本发明通过微纳米压痕仪与三维轮廓仪的结合，能够在不对材料表面进行加工处理的情况下，快速进行压痕实验，得到其准确的力学性能参数。
本发明的上述目的通过以下技术方案实现：
适于复杂曲面表面的微纳米压痕试验测试方法，水平纵向后侧为x轴正方向，水平横向右侧为y轴正方向，垂直于x、y轴向上方向为z轴正方向，倾角台3可绕x、y轴旋转，旋转角度分别定义为β与α，三维轮廓仪1、微纳米压痕仪4放置于倾角台3上方且位于同一yz平面，可同时沿x轴、y轴正负方向运动，当三维轮廓仪1位于倾角台3正上方时可对台面上的试件2进行三维形貌扫描，当微纳米压痕仪4位于倾角台3正上方时可对台面上的试件2进行微纳米压痕测试；测试方法包括如下步骤：
步骤一、将待测的试件2表面清洗洁净，并将其固定于倾角台3上；
步骤二、沿y轴移动三维轮廓仪1，使其位于试件2正上方，对试件2表面进行扫描，获取其三维形貌信息；
步骤三、对步骤二获取的三维形貌信息进行处理，通过计算判断试件在该倾角台倾角状态下是否存在设定误差允许范围内的平面或曲面，若存在，则进行步骤五；若不存在，则调整倾角台，使其分别绕x轴、y轴旋转，旋转角为β、α，进行步骤四；
步骤四、利用三维轮廓仪1对角度调整后的试件2表面进行扫描，获取其三维形貌信息，并重复步骤三；
步骤五、沿y轴将微纳米压痕仪4移至在设定误差允许范围内的平面或曲面正上方，进行压痕测试。
步骤二、步骤四中的三维轮廓仪1与微纳米压痕仪4同时运动。
步骤三中，在获取的三维形貌信息中通过设定沿z轴视图方向的区域边长，手动选取矩形区域、设定误差允许范围。
步骤五中，压痕测试区域仅为经判断其误差在允许范围内的平面或曲面部分。
本发明的有益效果在于：本发明通过利用三维轮廓仪对试样表面的探测结果，能够快速找到适合进行压痕实验的区域，即使材料表面为任意复杂曲面，也无需对材料进行原有流程的切割、打磨、抛光过程，只需保证材料表面的清洁即可直接进行压痕实验，并可保证不对材料表面原有力学状态进行破坏，具备快速测量以及保持材料原有表面力学性能的两大突出优势。相比现有测试技术，本发明节省测试时间，材料表面性能保持性好，同时操作简单、易于控制，在多个领域具有广泛的应用前景。实用性强。
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为本发明的所使用的测试装置的结构示意图；
图2为本发明的利用三维轮廓仪获取曲面表面信息过程的示意图；
图3为本发明的试件表面三维形貌与测量选区的示意图；
图4为本发明的调整试件倾斜角度过程示意图；
图5为本发明的测试方法以图3中A点为中心所选取矩形虚线框区域中A点所在沿x、y轴方向截面曲线的示意图；
图6为本发明的测试方法以图3中B点为中心所选取矩形虚线框区域中B点所在沿x、y轴方向截面曲线的示意图；
图7为本发明的测试方法的流程图。
图中：1、三维轮廓仪；2、试件；3、倾角台；4、微纳米压痕仪。
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，本发明的适于复杂曲面表面的微纳米压痕试验测试方法，针对具有复杂曲面表面材料的压痕响应试验测试。本发明基于三维轮廓仪对具有复杂曲面表面的材料进行表面形貌扫描，获取其表面形貌信息，通过调整试件所在平面倾角快速找到适合进行压痕实验的区域后对该区域进行压痕测试，从而无需对材料进行原有流程的切割、打磨、抛光过程。本发明中，水平纵向后侧为x轴正方向，水平横向右侧为y轴正方向，垂直于x、y轴向上方向为z轴正方向，倾角台3可绕x、y轴旋转，旋转角度分别定义为β与α，三维轮廓仪1与微纳米压痕仪4位于倾角台3上方且位于同一yz平面，可同时沿x轴与y轴正负方向运动，当三维轮廓仪1位于倾角台3正上方时可对台面上的试件2进行三维形貌扫描，当微纳米压痕仪4位于倾角台3正上方时可对台面上的试件2进行微纳米压痕测试，该方法包括如下步骤：
步骤一、如图1所示，将待测的试件2表面清洗洁净，并将其固定于倾角台3上；
步骤二、沿y轴移动三维轮廓仪1，使其位于试件2正上方，如图2所示，使其沿y轴以恒定速度v移动，对试件2表面进行扫描，获取其三维形貌信息；
步骤三、对获取的三维形貌信息进行处理，得到以图3为例的试件表面形貌信息，通过计算判断试件2在该倾角台3倾角状态下是否存在设定误差允许范围内的平面或曲面，一般要求该平面或曲面在z轴视图方向上边长超过1 mm，若存在，则进行步骤五；若不存在，则调整倾角台3，使其分别绕x轴与y轴旋转β角与α角，该过程在yz视图下如图4所示，并进行步骤四；
步骤四、利用三维轮廓仪1对角度调整后的试件2表面进行扫描，获取其三维形貌信息，并重复步骤三；
步骤五、沿y轴将微纳米压痕仪4移至在设定误差允许范围内的平面或曲面正上方，进行压痕测试。
进一步地，步骤二及后续步骤中三维轮廓仪1与微纳米压痕仪4同时运动；
步骤三中，可在获取的三维形貌信息中通过设定沿z轴视图方向的区域边长，手动选取矩形区域与设定误差允许范围，计算与判定过程可通过如下方式：
选取z方向视图中矩形区域，两边分别沿x与y轴方向，长度分别为a与b，该区域内由三维轮廓仪获取沿x轴方向m个、沿y轴方向n个数据点，形成由m × n个数据点形成的三维形貌数据，定义沿x轴负方向最远端的点为x轴方向第1个点，沿y轴负方向最远端的点为y轴方向第1个点，位于x轴方向第i个、y轴方向第j个数据点坐标为（x i , y j , z ij ），对该点分别沿x轴与y轴方向所在截面曲线进行多项式拟合，拟合范围限定在矩形区域内，两方向的截面曲线函数分别为，
z = f i (x)
z = f j (y)
对两函数进行求导，
dz = df i (x)
dz = df i (y)
将计算结果中导数值的绝对值| dfi (x)/dx|与| dfi (y)/dy|，与误差允许范围ξ进行比较，若在1≤i≤m，1≤j≤n条件下，任意点
| df i (x)/dx| < ξ
| df i (y)/dy| < ξ
则该矩形区域可判定为设定误差允许范围内的平面或曲面，其中，误差允许范围ξ的值可根据情况设定，但一般不超过0.07，即该曲面的最大倾角的切面倾角不超过4o；
测得的设定误差允许范围内的平面或曲面是否存在足够的面积实施压痕实验，该面积与后续压痕测试中的压痕深度直接正相关，但一般可将该面积定义为在z轴视图方向上a≥1mm，b≥1mm。
步骤五中测试区域应仅为步骤三中经判断误差在允许范围内的平面或曲面部分。
实施例：
下面结合具体的实例对本方法做进一步说明：
本实例试件表面如图3所示，为具备A点凸点和B点凹点的复杂曲面，其底面为平面，现针对该试件进行压痕测试，具体步骤如下：
步骤一、如图1所示将待测的试件2表面清洗洁净，并将底面与倾角台3以石蜡粘接；
步骤二、沿y轴移动三维轮廓仪1，使其位于试件2正上方，如图2所示使其沿y轴以恒定速度v移动，对试件2表面进行扫描，获取其三维形貌信息；
步骤三、对获取的三维形貌信息进行处理，得到如图3所示的试件表面形貌信息，
选取以A点为中心的虚线框范围内的曲面信息，该区域x方向长度a=1mm，y方向长度b=1mm，其中该区域靠近x轴负方向边缘与A点所在x轴方向截面曲线DE交于P点，图5所示为以A点为中心，在虚线框范围内沿x与y方向的拟合截面曲线，其中上方曲线为图3中A点所在x轴方向截面曲线DE曲线截取部分，下方曲线为图3中A点所在y轴方向截面曲线FG曲线截取部分，两曲线最高处均为A点，由于A点为该连续曲面的凸点，故其
| dfA (x)/dx| = 0 < 0.07
| dfA (y)/dy| = 0 < 0.07
由此可判定A点为误差在允许范围ξ内的点，但通过对图5中P点处斜率进行计算可得：
| dfP (x)/dx | > 0.07
即以A点为中心的虚线框区域内存在超出误差在允许范围ξ内的点，该区域不适合进行压痕实验。
选取以B点为中心的虚线框范围内的曲面信息，该区域x方向长度a=1mm，y方向长度b=1mm，其中该区域靠近x轴正方向边缘与B点所在x轴方向截面曲线HI交于R点，图6所示为以B点为中心，在虚线框范围内沿x与y方向的拟合截面曲线，其中上方曲线为图3中B点所在x轴方向截面曲线HI曲线截取部分，下方曲线为图3中B点所在y轴方向截面曲线JK曲线截取部分，两曲线最高处均为B点，由于B点为该连续曲面的凸点，故其
| dfB (x)/dx| = 0 < 0.07
| dfB (y)/dy| = 0 < 0.07
由此可判定B点为误差在允许范围ξ内的点，但通过对图6中两条曲线边缘处斜率进行计算可得
| dfR (x)/dx | > 0.07
即以B点为中心的虚线框区域内存在超出误差在允许范围ξ内的点，该区域不适合进行压痕实验。
经观察，以C点为中心的部分面积可能存在设定误差允许范围内的平面或曲面，调整倾角台，使其绕x轴旋转β角，绕y轴旋转α角，使以C点为中心的切面与水平面平行。
步骤四、再次利用三维轮廓仪1对试件表面进行扫描，获取表面信息，选取以C点为中心的虚线框范围，其x方向长度a=5mm，y方向长度b=5mm，并采用步骤三中的方式对以C点为中心的虚线框范围内全部点进行判断，该区域内任意一点均有
| df (x)/dx| < 0.07
| df (y)/dy| < 0.07
即以C点为中心的虚线框区域条件均在设定误差允许范围内，且其两边长均超过1mm，故可进行压痕测试。
步骤五、沿y轴将微纳米压痕仪4移至在设定误差允许范围内的平面或曲面上方，进行压痕测试。
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。

Claims (3)

1.一种适于复杂曲面表面的微纳米压痕试验测试方法，其特征在于：水平纵向后侧为x轴正方向，水平横向右侧为y轴正方向，垂直于x、y轴向上方向为z轴正方向，倾角台（3）可绕x、y轴旋转，旋转角度分别定义为β与α，三维轮廓仪（1）、微纳米压痕仪（4）放置于倾角台（3）上方且位于同一yz平面，可同时沿x轴、y轴正负方向运动，当三维轮廓仪（1）位于倾角台（3）正上方时可对台面上的试件（2）进行三维形貌扫描，当微纳米压痕仪（4）位于倾角台（3）正上方时可对台面上的试件（2）进行微纳米压痕测试；测试方法包括如下步骤：
步骤一、将待测的试件（2）表面清洗洁净，并将其固定于倾角台（3）上；
步骤二、沿y轴移动三维轮廓仪（1），使其位于试件（2）正上方，对试件（2）表面进行扫描，获取其三维形貌信息；
步骤三、对步骤二获取的三维形貌信息进行处理，通过计算判断试件（2）在倾角台（3）倾角状态下是否存在设定误差允许范围内的平面或曲面，要求该平面或曲面在z轴视图方向上边长超过1 mm，若存在，则进行步骤五；若不存在，则调整倾角台，使其分别绕x轴、y轴旋转，旋转角为β、α，进行步骤四；
步骤四、利用三维轮廓仪（1）对角度调整后的试件（2）表面进行扫描，获取其三维形貌信息，并重复步骤三；
步骤五、沿y轴将微纳米压痕仪（4）移至在设定误差允许范围内的平面或曲面正上方，进行压痕测试；
步骤三中，可在获取的三维形貌信息中通过设定沿z轴视图方向的区域边长，手动选取矩形区域与设定误差允许范围，计算与判定过程可通过如下方式：
选取z方向视图中矩形区域，两边分别沿x与y轴方向，长度分别为a与b，该区域内由三维轮廓仪获取沿x轴方向m个、沿y轴方向n个数据点，形成由m × n个数据点形成的三维形貌数据，定义沿x轴负方向最远端的点为x轴方向第1个点，沿y轴负方向最远端的点为y轴方向第1个点，位于x轴方向第i个、y轴方向第j个数据点坐标为（x i , y j , z ij ），对该点分别沿x轴与y轴方向所在截面曲线进行多项式拟合，拟合范围限定在矩形区域内，两方向的截面曲线函数分别为，
z = f i (x)
z = f j (y)
对两函数进行求导，
dz = df i (x)
dz= df i (y)
将计算结果中导数值的绝对值| dfi (x)/dx|与| dfi (y)/dy|，与误差允许范围ξ进行比较，若在1≤i≤m，1≤j≤n条件下，任意点
| df i (x)/dx| < ξ
| df i (y)/dy| < ξ
则该矩形区域可判定为设定误差允许范围内的平面或曲面，其中，误差允许范围ξ的值不超过0.07，即该曲面的最大倾角的切面倾角不超过4o。
2.根据权利要求1所述的适于复杂曲面表面的微纳米压痕试验测试方法，其特征在于：步骤二、步骤四中的三维轮廓仪（1）与微纳米压痕仪（4）同时运动。
3.根据权利要求1所述的适于复杂曲面表面的微纳米压痕试验测试方法，其特征在于：步骤五中，压痕测试区域仅为经判断其误差在允许范围内的平面或曲面部分。
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