[发明专利]拉伸‑剪切预载荷原位压痕测试装置及方法

权利要求书

1.一种拉伸-剪切预载荷原位压痕测试方法，其中测试装置包括机械传动模块，任意角度拉伸剪切复合加载模块、悬臂压痕模块以及测量模块，其中机械传动模块带动任意角度拉伸剪切复合加载模块、悬臂压痕模块以及测量模块运动，测量模块对任意角度拉伸剪切复合加载模块以及悬臂压痕模块的变化进行测量；

所述机械传动模块是：一级蜗轮(23)与一级蜗杆(22)相互配合，二级蜗轮(26)与二级蜗杆(28)相互配合，二级蜗杆(28)通过二级蜗杆支撑架a(27)、二级蜗杆支撑架b(30)、辅助支撑架(25)连接在主机架(11)上；由于二级蜗轮探出过长，通过辅助支撑架(25)增加其刚度；直流伺服电机(19)通过减速机(20)固定在电机底座(21)上；将旋转运动转化为直线运动的滚珠丝杠(13)两端分别通过轴承座a(12)、轴承座b(29)安装在主机架(11)上，与滚珠丝杠(13)配套的螺母副固定在移动平台a(9)、移动平台b(33)上，分别带动移动平台a(9)、移动平台b(33)从而实现直线运动；

所述任意角度拉伸剪切复合加载模块包括：移动平台a、b(9、33)、用以确定试件夹持角度的90度标尺a、b(8、31)、夹持单元，所述90度标尺a、b(8、31)分别设置在移动平台a、b(9、33)上，所述夹持单元是压块a(6)和承载块a(34)分别通过螺钉将试件的两端压紧在压块b(7)和承载块b(32)上，两夹持单元通过螺钉与移动平台下方的辅助压板(38)相连，通过旋紧螺钉夹持单元会向辅助压板靠近，两者将分别压紧在移动平台的两侧，进而实现试件夹紧；

所述悬臂压痕模块是：压痕调板(42)固定在主机架(11)侧面，调节悬臂压痕模块的整体高度，一经调整不再改变；悬臂梁(1)通过螺钉固定在立柱(3)上，悬臂梁(1)内有两个串联的柔性凹槽，以易于实现竖直方向上的位移加载；压电叠堆(37)与顶块(36)固连，另一方向顶在悬臂梁(1)处，以易于实现竖直方向上的位移加载；

所述测量模块是：编码器(18)安装在机械传动模块的直流伺服电机(19)上；LVDT直线位移传感器(16)通过LVDT固定块(17)固定在移动平台b(33)上，LVDT挡块(15)固定在移动平台a(9)上且与LVDT直线位移传感器(16)相配合；拉压/拉伸传感器(10)安装在主机架(11)上用以测量试件所承受的拉力；挡板(2)固连于电容位移传感器(4)上，并与拉压/压痕传感器(35)不接触，留有一定间距，用于测量两者之间距离，所述的辅助支撑架(25)内部与二级蜗杆支撑架a、b(27、30)相通，均设有支撑用的滚动轴承，所述二级蜗杆支撑架a、b(27、30)通过螺钉固定在主机架(11)的侧面，所述的悬臂压痕模块动作分为两个阶段，即远离悬臂梁(1)端部的压电叠堆通电而进行的粗调与靠近悬臂梁(1)端部的压电叠堆通电而进行的细调，其中每块压电叠堆(37)右侧均与悬臂梁(1)固连，左侧则与顶块(36)固连；顶块(36)为半圆柱形状，靠母线一侧与悬臂梁(1)相接触，该接触处悬臂梁具有倾角以易于受力并防止顶块(36)从上方滑出，所述的任意角度加载模块是通过90度标尺a、b(8、31)确定试件夹持角度，通过固定在移动平台a、b(9、33)下方的辅助压板(38)、上方的压块a、b(6、7)及承载块a、b(34、32)，达到准确快速地进行定位的过程，所述的拉伸-剪切预载荷原位压痕测试装置与显微镜相互配合，在不进行压痕过程时将压痕模块卸下，将装置整体置于显微镜下对拉剪过程进行原位观测，

其特征在于，所述测试方法中，自由调整试件的固定角度0°至90°，对其进行拉伸--剪切--压痕试验，其中压痕采取悬臂方式进行，过程中利用力与位移传感器进行数据测量，具体步骤如下：

步骤1：确定装置各个模块均已组装完毕，两移动平台a、b的高度差在0.1mm以内，机械传动模块传动准确，各传感器标定完毕且能够正常工作；

步骤2：先将试件两端夹持，固定好后按照角度将两夹持单元固定在两移动平台a、b上；

步骤3：将悬臂压痕模块组装后，利用压痕调板调节压痕模块整体高度，保证压头距离试件表面0.2mm至1mm后固定压痕调板；

步骤4：通过控制器给距离端部较远的压电叠堆施加电压使其形变进行粗调，观察拉压/压痕传感器(35)反馈的数据，当其不为零时停止增大压电叠堆的电压，并将其调小，使传感器的数据回零；

步骤5：准备工作完毕，判断试验是否需要进行压痕，如需要则继续进行，如不需要则将立柱(3)从压痕调板上卸下；

步骤6：由计算机由数据采集卡输出经电机驱动器控制电机运动，两移动平台a、b运动相对远离，试件受拉同时进行剪切复合载荷施加；

步骤7：由计算机经数据采集卡输出控制压电叠堆的驱动电压，进行压痕试验；

步骤8：由A/D采集卡采集拉压/拉伸传感器(10)、拉压/压痕传感器(35)、电容位移传感器(4)以及LVDT直线位移传感器(16)的信号；

步骤9：对采集到的数据进行换算，得到试件所受拉力、变形量，压头压力、压入深度；

其中，由各种传感器与A/D采集卡记录实验过程中的各种物理量，得到在某一角度条件下的试件拉伸剪切复合试验曲线，和试验过程中的压痕曲线，根据力学计算模型，即可得到材料的弹性模量、抗拉强度、抗剪强度以及接触刚度，

对于拉剪复合，试件原长lg，宽b，厚h，夹具沿竖直方向运动，相对运动距离为ld，试件在初始固定时的角度为θ，拉伸后两种状态的中线角度呈γ，

经推导可得以下公式：

${\mathrm{\Δl}}_d=\sqrt{l_g^2+l_d^2+2l_g{l}_{d}cos\mathrm{\θ}}-l_g---\left(1\right)$

应变为

$\mathrm{\ϵ}=In({\mathrm{\Δl}}_d/l_g+1)=In(\sqrt{l_g^2+l_d^2+2l_g{l}_{d}cos\mathrm{\θ}}/l_g)---\left(2\right)$

则角度

$\mathrm{\γ}=arccos\[(l_g+l_{d}cos\mathrm{\θ})/\sqrt{l_g^2+l_d^2+2l_g{l}_{d}cos\mathrm{\θ}}\]---\left(3\right)$

若设系数

k²＝l_g/(l_g+△l_d) (4)

则拉应力与剪切应力分别为

σ_t＝F_lcos(θ-γ)/(k²bh) (5)

σ_t＝F_lsin(θ-γ)/(k²bh) (6)

由此，即可得出拉应力与拉应变、切应力与切应变的关系曲线；

对于压痕，以Oliver和Pharr提出的基于弹性接触理论的经典测试原理进行求解：

P＝a(h-h_f)^m (7)

式中P为载荷，h为位移，h_f为卸载后的残余深度，a和m是拟合参数，

结合上式可计算出接触刚度S：

S＝(dP/dh)_h＝hmax＝am(h_max-h_f)^m-1 (8)

其中，dP/dh表示P-h曲线在最大压入深的h_max处的斜率；

对于接触深度

$h_c=h_{max}-\mathrm{\ϵ}\frac{P_{max}}{S}---\left(9\right)$

其中，h_c为接触深度，ε为与压头形状有关的常数，对于圆锥形压头，ε＝0.72，P_max为最大压力；并根据面积函数A＝f(h_c)可算得接触面积，对于理想玻氏压头，

则材料的压入硬度H可表示为：

$H=\frac{P_{\max }}{A}---\left(10\right).$