[发明专利]具有凸形支撑面的连续式或测量式压痕装置及其用途，尤其用于板材压痕

说明书

技术领域

本发明涉及一种“连续式”或“测量式(instrumented)”压痕装置。本发明还涉及该装置用于对板材，尤其是对薄板材或片材进行压痕。

背景技术

“连续式”或“测量式”压痕需要在压头压入待测材料的过程中对压头承受的力度及压头位移情况进行测量。

请参见图1a，其中压头尖端(半径为R的滚珠)标注为1，被测材料标注为2。尖端1压入后，材料2产生变形，表面留下深度为h的印记20。

图1b中给出了一个压痕曲线F(h)示例，体现了作用力F根据压头在材料中压入深度h的变化而变化的情况。该曲线包括了一个加力阶段和一个卸力阶段，这两个阶段取决于多个试验参数以及被测材料的机械特性。

一旦掌握并确定了试验参数，压痕曲线即为材料特性曲线(见图1c)，可被用来确定材料的特性定律参数。后者通常需要通过对材料试件进行拉伸试验获得，而此类试验具有破坏性，且需要准备一定数量的原料以制成专用的合格试件。

但是，压痕测试不是破坏性的，只需要少量原料，并且无需准备专用试件。

压痕试验为局部测试，尤其在用于纳米级的极薄层测试时；且这项试验不妨碍接受过测试的试件在今后的继续使用。

然而，由于测得的压入值不够精确，使得无法准确确定一般情况下应从压痕曲线图中提取的材料参数。

例如，我们根据负荷最大时的压入情况来确定材料的硬度H，我们也可以依照奥利弗和法尔法(Oliver and Pharr method)，通过解读卸力阶段之初的曲线F(h)的坡度来确定折合模数E*。

还有好几种方法可用来确定材料的弹性限度及一到两个加工硬化参数。这些方法利用从压痕曲线中获取的某些量值，如曲率、弹性能、塑性能、总能、或塑性能与总能之比等。而所有量值直接取决于压头在试验过程中压入深度h的变化情况。

因此，只有在正确评估压入深度时，才能根据压痕曲线准确推断出材料参数。

图2和图3非常简明地描述了已广为人知的不同压痕装置的结构状况。

图中有一刚性框架4，其支撑着放置待测材料2的面板40。

图2显示的测试方式中，压头10垂直固定在支架100的末端。因配有马达101，支架100在垂直方向上可运动。位移传感器3被固定在框架4的上部与支架100之间，其测量压头10尖端在材料内的移动状况。

图3显示的另一种方法中，压头10是固定的，放置有待测材料的支架40配有马达400，由待测材料在垂直方向上向压头移动。

无论采用哪种方法，评估压入深度时误差产生的第一个原因是在实践中，对应于压头10最低点的位移情况的压入深度不能直接测得，而是根据测得的位移推算得出。最佳状况下，测得的位移介于压头10和试件2之间。

为了克服这种困难，已找到多种基本令人满意的解决办法。

大多数解决办法在考虑测得的数值时，纳入了与框架某些构件产生的变形或因测试台的几何缺陷而产生的位移相关的位移。

误差的第二个来源在于使用了市场上销售的压头，这些压头最初是准备用来在先加力后卸力的情况下，根据材料上遗留的印记来确定材料硬度的。压头带有一个钻石或碳化钨尖端，压头按照由硬度试验类型决定的几何形状进行切削，压接并/或粘接在一个钢制的圆柱形支架上，其末端状况取决于在测试台上的固定方式。

压接使得两个从来不能完全贴合的表面进行接触，以避免压头尖端及支架之间的接触面产生变形，从而干扰对压入深度的测量。

变形情况一般不是太明显，但从压痕测试过程中采用的量值角度来说，也从来不可忽视。

由于使用者不了解接触在一起的表面的几何特性(包括光洁度)，因此无法制模以确定试验过程中使压头尖端接近压头支架的变形。

以上两种误差来源使得无法将测得的位移与要求的压入深度进行比较。

此外，在有保护层的情况下，压痕测试通常应用于根据可用原料数量或待测层厚度而定的范围内。这就意味着人们根据物件的厚度或待定保护层的厚度来调整负荷。

因此，当金属板材的厚度为0.3-2毫米时，应采用微米级甚至是纳米级压痕测试。

不过，金属材料的显微结构由多种不同性质、不同大小的粒子组成，这些粒子使得金属材料在微观层面成为异质材料。

对于此类材料，得到的弱负荷或极弱负荷(低于1牛顿)压痕曲线很难复制，原因在于这些曲线取决于测试是在什么位置进行的。

当负荷较大时(直到100或200牛顿)，根据粒子的大小，塑性变形量会非常大，以便能体现材料状况。这样一来，借助宏观规模的压痕测试，可以追溯材料的宏观特性。