[发明专利]基于载荷和变形场测量的压痕实验装置及方法

说明书

本发明公开了一种基于载荷和变形场测量的压痕实验装置和方法，其中，装置包括：载荷检测模块，用于检测压痕施加在测试材料上的载荷信息；变形场检测模块，在压痕施加在所述测试材料上时，用于检测所述测试材料的变形场信息；以及后处理系统，用于根据所述变形场信息和所述载荷信息获取所述测试材料的力学参数，以得到压痕实验分析结果。该装置可以增加压痕实验得到的有效信息量，从而扩充压痕方法的适用范围并提高测量精度。

技术领域

本发明涉及压痕实验技术领域，特别涉及一种基于载荷和变形场测量的压痕实验装置及方法。

背景技术

压痕方法是通过提取硬物压入材料的载荷—位移曲线并对其进行分析从而反演材料力学性质的方法，如图1所示。压痕方法具有操作简单方便，仪器容易设计和实现等诸多优点。该方法自提出以来便受到了力学研究工作者的广泛关注，文献中发展了针对不同材料力学属性(如弹性、粘弹性、弹塑性)的压痕方法，并将该方法推广到微纳尺度的材料表征领域。其中很多研究成果已经成功转化为产品(例如纳米压痕仪等)，在工业界、科研仪器方面获得广泛应用。

超声弹性成像方法通过对物体的B超图像进行分析，可以比较精确地获得物体内部的变形场。变形场与特定的激励形式(如声辐射力)相结合，可以对材料的力学性质进行定量测量。该方法具有非侵入、非破坏的特点，因而在基于人体组织力学性质测量的疾病诊断方面展现了良好的应用前景。目前，已有基于超声弹性成像方法的仪器用于临床研究。

现有技术中，有关压痕方法还停留在获取载荷—位移曲线并对其进行分析以反演材料力学性质的层面，对现代测量技术能够获取的材料内部变形场并未善加利用；另一方面，静态超声弹性成像仅通过变形场来粗略地获得不同部分之间力学参数的相对关系，而没有用到载荷的有关信息，因而难以进行力学性质的定量表征。可以看到，压痕方法与超声弹性成像方法能够有机地结合起来，从而极大地扩展材料力学性质表征的空间，进而在材料质量监控、人体疾病诊断等领域发挥重要作用。

现有技术中，发展了针对不同尺度(宏观到微观)、不同材料类型(弹性、粘弹性、弹塑性等)的压痕方法；其中一些相对成熟的方法已经实现成果转化。这些方法都是通过对压痕得到的载荷—位移曲线进行后处理来反演材料的力学性质，但是尚未发现将压痕方法与材料变形场测量结合的相关技术。

现有的压痕方法由于分析的数据来源是压痕得到的载荷—位移曲线，因而存在一定的局限性。具体如下：由于载荷—位移曲线反映的是材料整体对于压痕所施加载荷的响应，故压痕方法往往难以对材料的不均匀程度进行定量描述。受制于用载荷—位移曲线来反演材料力学性质的理论基础，针对特定材料的压痕方法往往对于压头形状、加载方式有很严苛的要求。例如某些压痕方法要求平压头和阶跃载荷的条件。但在某些应用场景下，该要求难以满足(如表征人体组织)。由于载荷—位移曲线所包含的信息相对较少，容错率很低，故这类反方法往往条件数较大，在实际使用中反演结果的相对误差较大，亟待解决。

发明内容

本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。

为此，本发明的一个目的在于提出一种基于载荷和变形场测量的压痕实验装置，该装置具有增加压痕实验得到的有效信息量，从而扩充压痕方法的适用范围并提高测量精度的优点。

本发明的另一个目的在于提出一种基于载荷和变形场测量的压痕实验方法。

为达到上述目的，本发明一方面实施例提出了一种基于载荷和变形场测量的压痕实验装置，包括：载荷检测模块，用于检测压痕施加在测试材料上的载荷信息；变形场检测模块，在压痕施加在所述测试材料上时，用于检测所述测试材料的变形场信息；以及后处理系统，用于根据所述变形场信息和所述载荷信息获取所述测试材料的力学参数，以得到压痕实验分析结果。

本发明实施例的基于载荷和变形场测量的压痕实验装置，通过将压痕方法与获取材料变形场信息的方法结合起来，增加压痕实验得到的有效信息量，从而扩充压痕方法的适用范围并提高测量精度。