[发明专利]一种材料机械性能测定装置及其压头组件和测定方法

说明书

技术领域

本发明涉及材料机械性能检测技术领域，特别是涉及一种材料机械性能测定 装置及其压头组件和测定方法。

背景技术

用压痕方法做硬度或材料机械性能测定，这是标准的硬度测量方法，在给定 压痕深度时测量压力，推测硬度和材料机械性能，目前的检测仪器多适用于实验 室或一些固定的检测地点，这导致采用压痕法进行检测时是破坏性的，需要对被 检测的物体进行抽样然后到固定地点或实验室进行检测，不能便携，所以适用的 场合的比较局限，目前这种方法已有便携的仪器化设备，由于材料机械性能不同、 受力状态不同，压痕深度对应的压痕直径是变化的，需要大量的标定工作，误差 较大。

现有的便携的仪器化设备多采用单一压头单次测量来表征材料机械性能，即 通过一个压头对被测件做一次压痕试验，再撤离这一压头，转换至光学组件对压 痕进行检测，最后根据单次得到的数据进行材料机械性能的表征，这一检测无法 实现实时的多次检测，由于压痕的形成过程中是一个弹塑性变形的过程，当压头 撤离被测件表面，不再作用在被测件上时，被测件的压痕存在回弹的现象，导致 压痕的深度、大小和面积均小于未撤离时值，这样进而导致后续光学组件只是采 集了卸载后的对压痕大小或面积、获取的数据不准确，最后导致测量的硬度不准 确，准确性不高。

所以随着科学研究的发展，越来越多压痕技术领域的科学家开始相信，材料 的弹塑性力学性不能由一个压头导致压痕的形状因子唯一决定，单一压头是不能 够唯一反推出相对应的材料机械性能的，要做到一一对应的正反推过程，必须另 外增加压痕表征因数，前辈们已经有了一些通过压痕法表征金属材料弹塑性力学 性能的研究成果，但一直没有很好解决唯一性的问题，检测方法没能成形，没有 仪器化，更没有实现便携化，这一问题到目前为止仍然是学术界讨论的热点，因 为如何制作能表征这两个因数来反映这个一一对应的正反推过程的仪器化设备 成为关键。

同时目前为了做到检测的便携化和仪器化，目前现有的检测方法多为加卸载 后用显微镜测量残余压痕，与理论面积比较，来推算硬度和材料机械性能，理论 上和精度上都较好，但无法仪器化和便携化。

要制作适用于解决这一上述唯一性的问题的便携以及可仪器化的设备，要做 到的既是单个压头测量时不脱离被检测件，同时还需保证实时数据的多次准确采 集，同时又需保证便携和仪器化。

发明内容

本发明目的在于提出一种材料机械性能测定装置及其压头组件和测定方法， 以解决上述现有技术对于唯一性问题不能形成便携化和仪器化的检测设备，以及 检测结果不准、精度不高等的技术问题。

本发明提出了一种材料机械性能测定用压头组件，包括：用于施压于被测对 象上以获取压痕的压头及压头杆，用于获取所述压头的压力和压深的传感器组 件，用于获取所述压痕的图像及被测对象变形尺寸数据的光学组件；其中，所述 压头杆为中空结构，所述光学组件设于所述压头杆上，所述压头由透明材料制成， 设于所述压头杆的端部，所述光学组件的光成像路径穿过所述压头杆与所述压头 的施压方向一致。

优选地，本发明的压头组件还可以具有如下技术特征：

所述光学组件包括设有摄像光源的摄像头和显微镜，所述摄像头和所述显微 镜同设与所述压头杆中，所述摄像头、所述显微镜和所述压头形成的光成像路径 与所述压头的施压方向一致。

所述传感器组件包括压力传感器和压深传感器，所述压力传感器设于所述压 头杆的端部，所述压深传感器设于所述压头杆外侧。

所述压头杆沿轴向开设有0.5～4mm的通孔，使压痕图像和摄像光源光线经 过通孔和透明压头与设置于所述通孔中的所述光学组件形成光学通路。

所述压头形状为圆锥形、棱锥型或半球型。

所述压头由金刚石材料制成。

所述光学组件采用具有自动对焦功能的显微镜和摄像头。

此外，本发明还提出了一种材料机械性能测定装置，包括底座、立柱和悬臂， 设于所述悬臂上的显示屏，设于所述底座上的压板试台，所述底座、立柱和悬臂 依次固定连接，还包括设于所述悬臂上的如上述任一项所述的材料机械性能测定 用压头组件。

再者，本发明还提出了一种材料机械性能测定方法，采用上述的材料机械性 能测定装置进行材料的材料机械性能测定，加载压力通过所述压头杆驱动所述压 头分多次等深度下压，包括：