CN104596873A - 具有真空防护性的变温微纳米压痕测试系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种具有真空防护性的变温微纳米压痕测试系统及方法，属于光机电一体化精密科学仪器领域。该系统包括真空室系统、Z轴方向宏动调整机构、Z轴大行程精密压入驱动单元、Z轴小行程精密压入驱动单元、压入位移信号检测单元、压入载荷力信号检测单元、温度加载及检测单元和X-Y精密定位平台。合理集成了高温加热模块与压痕加载模块，实现温度场条件下微纳米压痕测试；并提供真空环境，避免了在加热过程中试件表面被氧化对测试结果的影响；采用电机驱动与压电驱动两种驱动方式，既能保证小行程压痕试验时的加载精度，也满足了特殊材料的大加载行程压痕要求。在材料科学、航空航天和国防军工等领域具有广阔的发展前景和应用价值。

Description

具有真空防护性的变温微纳米压痕测试系统及方法

技术领域

本发明涉及光机电一体化精密科学仪器领域，特别涉及一种具有真空防护性的变温微纳米压痕测试系统及方法。在钢铁冶金、有色金属、半导体技术、先进材料与材料科学、航空航天和国防军工等领域具有十分重要的科学意义和广泛的应用前景，并将丰富现有材料微观力学性能测试的技术体系。

背景技术

传统的金属材料，其力学性能通常会随外界温度场和应力场复杂作用发生改变，特别是近年来随着航空航天、国防军事、信息通讯、光电子和纳米工程等高技术产业的迅猛发展，工业界对于结构材料和功能材料的性能要求日益严苛，如热障涂层，高温合金高温玻璃等材料的的机热耦合特性等。针对此类材料的力学性能测试，传统测试技术在测试条件，测试能力方面已经无法满足现实的需求。对于材料在高温环境下的力学性能的研究，扩大了纳米压痕测试技术的应用范围，很大程度上指导了此类材料的研制与生产。

目前，国内外对材料力学性能原位测试的研究还处于开发探索阶段，但是由于发达国家的起步较早，研究相对比较深入，领先于国内该领域的研究。国外主流的商业化纳米压痕仪生产厂家，均配备有相应的温度场加载模块，如美国Hysitron公司的Triboindenter、英国MML公司的Nanotest测试系统等等。然而这种商业化的测试仪动辄上百万元人民币，许多高端技术更是对我国采取禁运禁售政策，严重限制了我过在材料微纳米尺度力学性能测试的研究。所以，研制能在高温条件下使用、高精度、操作简便、低成本的微纳米压痕测试装置依然具有广泛的需求。

发明内容

本发明的目的在于提供一种具有真空防护性的变温微纳米压痕测试系统及方法，解决了现有技术存在的上述问题，填补国内在变温度场环境下材料压痕硬度测试仪器的空白，提供真空环境，避免了在加热过程中试件表面被氧化对测试结果的影响，为更好的研究新兴高温材料在服役条件下的弹性模量和硬度等力学性能以及蠕变机制等提供可靠手段。本发明采用电机驱动与压电驱动两种驱动方式，既能保证小行程压痕试验时的加载精度，也满足了特殊材料的大加载行程压痕要求。本发明合理兼容温度加载模块与机械加载模块，实现在变温条件下对材料的压痕测试，利用高分辨率的载荷位移检测单元检测测试过程中的载荷位移数据，生成载荷-压入深度曲线，用以表征材料的力学参数。对于材料科学、航空航天和国防军工等领域的发展具有较为显著的促进作用。

本发明的上述目的通过以下技术方案实现：

具有真空防护性的变温微纳米压痕测试系统及方法，包括真空室系统、Z轴方向宏动调整机构、Z轴大行程精密压入驱动单元、Z轴小行程精密压入驱动单元、位移信号检测单元、载荷信号检测单元、温度加载及检测单元和X-Y精密定位平台，其中所述真空室系统48为机械加载部分提供真空氛围，Z轴方向宏动调整机构装配在大理石支撑座1上；Z轴大行程精密压入驱动单元安装在Z轴方向宏动调整机构上，由伺服电机Ⅱ19、蜗杆Ⅰ、Ⅱ22、29、蜗轮Ⅰ、Ⅱ23、28及丝杠螺母Ⅱ35组成；Z轴小行程精密压入驱动单元装配在Z轴大行程精密压入驱动单元上，由压电叠堆38带动柔性铰链37推动其下部结构实现精密位移；位移信号检测单元通过精密微动平台39安装在底板Ⅱ34上，载荷信号检测单元串联在柔性铰链37与冷却管46之间，温度加载及检测单元固定在X-Y精密定位平台上，X-Y精密定位平台连接在大理石基座2上。

所述的真空室系统48为其他加载模块提供防护性真空氛围，将测试装置置于真空环境中，保证在高温下压头不会因为被氧化尖端钝化，降低使用寿命，同时也防止试样材料表面因氧化而变质，而发生力学性能变化，将环境中气体抽出，同样能够防止热对流的产生，影响实验结果，大大提高了测试的温度上限。

所述的Z轴方向宏动调整机构包括伺服电机Ⅰ27、电机法兰Ⅰ30、联轴器Ⅰ49、丝杠支座Ⅰ53、导轨滑块组Ⅰ52、丝杠螺母Ⅰ51、工作平台Ⅰ50和底板Ⅰ54，其中，伺服电机Ⅰ27固定在电机法兰Ⅰ30上，通过联轴器Ⅰ49与丝杠螺母Ⅰ51相连接，带动工作平台Ⅰ50实现Z轴方向运动，所述Z轴大行程精密压入驱动单元安装在工作平台Ⅰ50上，实现压痕模块的宏动调整。

所述的Z轴大行程精密压入驱动单元包括伺服电机Ⅱ19、电机法兰Ⅱ21、蜗杆Ⅰ、Ⅱ22、29、蜗轮Ⅰ、Ⅱ23、28、蜗杆轴26、轴承座Ⅰ、Ⅱ25、31、轴承Ⅰ、Ⅱ24、32、丝杠支座Ⅱ33、丝杠螺母Ⅱ35、导轨滑块组Ⅱ20、工作平台Ⅱ36和底板Ⅱ34，伺服电机Ⅱ19通过两级蜗轮蜗杆传动机构，带动丝杠螺母Ⅱ35，实现大减速比，带动工作平台Ⅱ36实现Z轴精密压入驱动。

所述的Z轴小行程精密压入驱动单元包括柔性铰链37、压电叠堆38，柔性铰链37安装在工作平台Ⅱ36上，压电叠堆38安装于柔性铰链37内部的凹槽中，压电叠堆38在电压信号控制下输出位移，带动柔性铰链37运动，实现Z轴方向上小行程精密压入驱动。

所述的位移信号检测单元包括位移测量臂45、位移传感器43、位移传感器夹持器42、连接件Ⅰ、Ⅱ40、41和精密微动平台39，其中，精密微动平台39安装在底板Ⅱ34上，用以调整位移传感器43和位移测量臂45的间距。

所述的载荷信号检测单元包括力传感器44，其串联在冷却管46和柔性铰链37之间，实现压入载荷的检测。

所述的温度加载及检测单元包括加热台底座15、供电线缆16、热电偶17、加热台55、隔热套56和盖板18，实现温度场加载、温度检测与冷却隔热。

所述的X-Y精密定位平台包括伺服电机Ⅲ、Ⅳ12、59、床头座Ⅰ、Ⅱ10、57、电机法兰Ⅲ、Ⅳ13、60、丝杠支座Ⅲ、Ⅳ14、61、联轴器Ⅱ、Ⅲ11、58、底板Ⅲ、Ⅳ3、6、丝杠螺母Ⅲ、Ⅳ5、8，导轨滑块组Ⅲ、Ⅳ4、7、工作平台Ⅲ9，其中，伺服电机Ⅲ、Ⅳ12、59通过螺钉连接到电机法兰Ⅲ、Ⅳ13、60上，进而通过床头座Ⅰ、Ⅱ10、57与底板Ⅲ、Ⅳ3、6连接，伺服电机Ⅲ、Ⅳ12、59通过联轴器Ⅱ、Ⅲ11、58带动丝杠螺母Ⅲ、Ⅳ5、8运动，将旋转运动转化为直线位移进给，两部分交叉垂直布置，最终实现工作平台Ⅲ9的X-Y向精密定位。

本发明的另一目的在于提供一种具有真空防护性的变温微纳米压痕测试方法，温度、载荷或位移大小，都是由相应控制器产生驱动信号，经由功率放大器放大，温度、载荷和位移信号均由相应的传感器测量并输出，再经A/D数据采集卡采集，然后进行数据运算，具体步骤如下：

a)通过计算机设置拟定实验加载条件，包括加载温度、载荷或位移加载函数、压头与试样材料参数、初始接触力值、泊松比的设定；并对真空室系统进行抽真空，达到指定真空度范围，并保持；

b)由计算机向信号发生模块发指令，产生温度加载驱动信号，并经信号放大器放大，向温度加载模块输出电流信号；

c)通过热电偶采集温度加载模块实时温度并将其输出到A/D数据采集卡；

d)判断温度信号是否达到实验预设温度值；进行闭环控制，直至达到预设值；

e)由计算机控制信号发生器产生位移驱动信号，控制驱动单元进行机械加载，使压头靠近试样运动；

f)当压头与试样接触之后，即力值反馈信号开始增长，判断接触力值是否达到实验预设初始接触力值，根据载荷信号检测单元的反馈信号进行闭环控制，直至达到实验预设初始接触力值；计算机根据此反馈信号控制驱动单元停止进给；

g)由计算机控制信号发生器产生位移驱动信号，控制压头向背离试样表面方向运动，根据预设初始接触力值大小，选择合适的位移量，使压头刚刚退出试样表面；以此方法判断接触零点；

h)再由计算机控制X-Y精密定位平台，在X方向或Y方向运动指定距离，准备开始压痕试验；

i)重复步骤e)

j)A/D数据采集卡采集加载过程中载荷和位移传感器信号，并换算成载荷和位移值；

k)判断载荷或位移值是否达到实验前预设载荷或位移值，若判断为是，则进入步骤l)；若判断为否，则重复步骤i)；

l)在数据处理软件中，按照压痕试验力学模型对采集的载荷值和位移值进行处理，得出在此对应温度条件下试样材料的硬度、弹性模量参数，对比不同温度条件下的载荷-位移关系曲线，输出计算结果，完成测试过程。

由各种传感器测量实验过程中的物理量，并用A/D数据采集卡对数据进行采集，最终得到在真空环境防护下某一特定温度时的载荷-位移曲线，根据压痕试验力学模型即可计算硬度与弹性模量参数。

本发明的有益效果在于：合理集成了高温加热模块与压痕加载模块，实现温度场条件下微纳米压痕测试；并提供真空环境，避免了在加热过程中试件表面被氧化对测试结果的影响，为更好的研究新兴高温材料在服役条件下的弹性模量和硬度等力学性能以及蠕变机制等提供可靠手段；采用电机驱动与压电驱动两种驱动方式，既能保证小行程压痕试验时的加载精度，也满足了特殊材料的大加载行程压痕要求。本发明将在材料科学、航空航天和国防军工等领域具有广阔的发展前景和应用价值。

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为本发明的整体结构示意图；

图2为本发明的力热耦合加载部分结构示意图；

图3为本发明的Z轴方向宏动调整单元结构示意图；

图4为本发明的精密压入驱动单元结构示意图；

图5为本发明的高温加热平台结构示意图；

图6为本发明的X-Y精密定位平台结构示意图；

图7为本发明的具有真空防护性的变温微纳米压痕测试方法流程图；

图8、图9为典型的压入测试的载荷-压深曲线；

图10为本发明的压痕数据分析流程图。

图中：1.大理石支撑座；2.大理石基座；3.底板Ⅲ；4.导轨滑块组Ⅲ；5.丝杠螺母Ⅲ；6.底板Ⅳ；7.导轨滑块组Ⅳ；8.丝杠螺母Ⅳ；9.工作平台Ⅲ；10.床头座Ⅰ；11.联轴器Ⅱ；12.伺服电机Ⅲ；13.电机法兰Ⅲ；14.丝杠支座Ⅲ；15.加热台底座；16.供电线缆；17.热电偶；18.盖板；19.伺服电机Ⅱ；20.导轨滑块组Ⅱ；21.电机法兰Ⅱ；22.蜗杆Ⅰ；23.蜗轮Ⅰ；24.轴承Ⅰ；25.轴承座Ⅰ；26.蜗杆轴；27.伺服电机Ⅰ；28.蜗轮Ⅱ；29.蜗杆Ⅱ；30.电机法兰Ⅰ；31.轴承座Ⅱ；32.轴承Ⅱ；33.丝杠支座Ⅱ；34.底板Ⅱ；35.丝杠螺母Ⅱ；36.工作平台Ⅱ；37.柔性铰链；38.压电叠堆；39.精密微动平台；40.连接件Ⅰ；41.连接件Ⅱ；42.位移传感器夹持器；43.位移传感器；44.力传感器；45.位移测量臂；46.冷却管；47.压头；48.真空室系统；49.联轴器Ⅰ；50.工作平台Ⅰ；51.丝杠螺母Ⅰ；52.导轨滑块组Ⅰ；53.丝杠支座Ⅰ；54.底板Ⅰ；55.加热台；56.隔热套；57.床头座Ⅱ；58.联轴器Ⅲ；59.伺服电机Ⅳ；60.电机法兰Ⅳ；61.丝杠支座Ⅳ。

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及图2所示，本发明的具有真空防护性的变温微纳米压痕测试系统及方法，包括真空室系统、Z轴方向宏动调整机构、Z轴大行程精密压入驱动单元、Z轴小行程精密压入驱动单元、位移信号检测单元、载荷信号检测单元、温度加载及检测单元和X-Y精密定位平台。其中所述真空室系统48为机械加载部分提供真空氛围；Z轴方向宏动调整机构装配大理石支撑座1上。Z轴大行程精密压入驱动单元安装在宏动调整机构上，主要由伺服电机Ⅰ19，蜗杆Ⅰ、Ⅱ22、29，蜗轮Ⅰ、Ⅱ23、28以及丝杠螺母Ⅱ35等机构组成。Z轴小行程精密压入驱动单元装配在大行程精密压入驱动单元上，主要由压电叠堆38带动柔性铰链37推动其下部结构实现精密位移。位移信号检测单元通过精密微动平台39安装在底板Ⅱ34上，载荷信号检测单元串联在柔性铰链37与冷却管46之间，温度加载单元固定在X-Y精密定位平台上，X-Y精密定位平台连接在大理石基座2上。

所述的真空室系统48为其他加载模块提供防护性真空氛围，防止在加热过程中试样及压头表面氧化，影响实验结果。

参见图3所示，所述的Z轴方向宏动调整机构，包括伺服电机Ⅰ27、电机法兰Ⅰ30、联轴器Ⅰ49、丝杠支座Ⅰ53、导轨滑块组Ⅰ52、丝杠螺母Ⅰ51、工作平台Ⅰ50和底板Ⅰ54。其中，伺服电机Ⅰ27固定在电机法兰Ⅰ30上，通过联轴器Ⅰ49带动丝杠转动，通过丝杠螺母Ⅰ51将回转运动转换为直线运动，带动工作平台Ⅰ50沿Z轴方向运动，由于伺服电机Ⅰ27调速范围较宽，故能够迅速调整其上部压入驱动单元沿Z轴方向上的位置，实现压痕模块的宏动调整，便于安装试样的安装调整。

参见图4所示，所述的Z轴大行程精密压入驱动单元包括伺服电机Ⅱ19、电机法兰Ⅱ21、蜗杆Ⅰ、Ⅱ22、29，蜗轮Ⅰ、Ⅱ23、28、蜗杆轴26、轴承座Ⅰ、Ⅱ25、31、轴承Ⅰ、Ⅱ24、32、丝杠支座Ⅱ33、丝杠螺母Ⅱ35、导轨滑块组Ⅱ20、工作平台Ⅱ36和底板Ⅱ34。控制伺服电机Ⅱ19转动，通过两级蜗轮蜗杆传动机构，大减速比使传递到丝杠的转速较小并且更加平稳，通过丝杠螺母组Ⅱ35将运动形式转化为直线运动，带动末端压头实现大行程精密压入驱动。

所述的Z轴小行程精密压入驱动单元包括柔性铰链37、压电叠堆38，柔性铰链37安装在工作平台Ⅱ36上，压电叠堆38安装于柔性铰链37内部的凹槽中，通过计算机给压电驱动电源发命令，压电驱动电源向压电叠堆38发送电压信号使其输出位移，直接推动柔性铰链37运动，带动压头实现Z轴方向上小行程精密压入驱动。

所述的压入位移信号检测单元包括位移测量臂45、位移传感器43、位移传感器夹持器42、连接件Ⅰ、Ⅱ40、41和微动平台39，微动平台39安装在底板Ⅱ34上。在装置的调试和校准阶段，通过手动旋转微动平台旋钮，通过连接件Ⅰ、Ⅱ40、41和位移传感器夹持器42，调整位移传感器43和位移测量臂45的间距。使其距离调整在位移传感器量程范围之内，用以检测压痕试验时压头与底板Ⅱ34的相对位移，即压痕深度。

所述的压入载荷信号检测单元包括力传感器44，其串联在冷却管46和柔性铰链37之间，实现压入载荷的检测并将检测到的载荷信号作为反馈信号对压电叠堆驱动电源和伺服电机控制器进行控制，实现闭环控制。

参见图5所示，所述的温度加载及检测单元包括加热台底座15、供电线缆16、热电偶17、加热台55、隔热套56和盖板18，其中，加热台55通过隔热套56安装在加热台底座15中，加热台55上的盖板18起到在真空条件下减小辐射到传感器上的作用，实现温度场加载、温度检测与隔热。采用电阻丝加热，升温速度快，自身采用热电偶测温，实现反馈控温，温控精度高，通过在冷却管46中通入冷却液，实现冷却隔热。

参见图6所示，所述的X-Y定位平台包括伺服电机Ⅲ、Ⅳ12、59、床头座Ⅰ、Ⅱ10、57、电机法兰Ⅲ、Ⅳ13、60、丝杠支座Ⅲ、Ⅳ14、61、联轴器Ⅱ、Ⅲ11、58、底板Ⅲ、Ⅳ3、6、丝杠螺母Ⅲ、Ⅳ5、8，导轨滑块组Ⅲ、Ⅳ4、7、工作平台Ⅲ9，其中，伺服电机Ⅲ、Ⅳ12、59通过螺钉连接到电机法兰Ⅲ、Ⅳ13、60上，进而通过床头座Ⅰ、Ⅱ10、57与底板Ⅲ、Ⅳ3、6连接，伺服电机Ⅲ、Ⅳ12、59通过联轴器Ⅱ、Ⅲ11、58带动丝杠螺母Ⅲ、Ⅳ5、8运动，将旋转运动转化为直线位移进给，两部分交叉垂直布置。X-Y两个方向上均是采用伺服电机带动丝杠螺母副，运动精度高，转动平稳，进而实现实现工作平台Ⅲ9的X-Y平面内精密定位。

参见图7所示，本发明的具有真空防护性的变温微纳米压痕测试方法，温度、载荷或位移大小，都是由相应控制器产生驱动信号，经由功率放大器放大，温度、载荷和位移信号均由相应的传感器测量并输出，再经A/D数据采集卡采集，然后进行数据运算；所述的具有真空防护性的变温微纳米压痕测试方法步骤如下：

a)通过计算机设置拟定实验加载条件，包括加载温度、载荷或位移加载函数、压头与试样材料参数、初始接触力值、泊松比等参数的设定；并对真空室系统进行抽真空，达到指定真空度范围，并保持。

b)由计算机向信号发生模块发指令，产生温度加载驱动信号，并经信号放大器放大，向温度加载模块输出电流信号；

c)通过热电偶采集温度加载模块实时温度并将其输出到A/D数据采集卡；

d)判断温度信号是否达到实验预设温度值；进行闭环控制，直至达到预设值；

e)由计算机控制信号发生器产生位移驱动信号，控制驱动单元进行机械加载，使压头靠近试样运动；

f)当压头与试样接触之后(即力值反馈信号开始增长)，判断接触力值是否达到实验预设初始接触力值，根据载荷信号检测单元的反馈信号进行闭环控制，直至达到实验预设初始接触力值。计算机根据此反馈信号控制驱动单元停止进给；

g)由计算机控制信号发生器产生位移驱动信号，控制压头向背离试样表面方向运动，根据预设初始接触力值大小，选择合适的位移量，使压头刚刚退出试样表面。以此方法判断接触零点；

h)再由计算机控制X-Y精密定位平台，在X方向或Y方向运动指定距离，准备开始压痕试验；

i)重复步骤e)

j)A/D数据采集卡采集加载过程中载荷和位移传感器信号，并换算成载荷和位移值；

k)判断载荷或位移值是否达到实验前预设载荷或位移值，若判断为是，则进入步骤l)；若判断为否，则重复步骤i)

l)在数据处理软件中，按照压痕试验力学模型对采集的载荷值和位移值进行处理，得出在此对应温度条件下试样材料的硬度、弹性模量等参数，对比不同温度条件下的载荷-位移关系曲线，输出计算结果，完成测试过程。

所述的具有真空防护性的变温微纳米压痕测试方法中，由各种传感器测量实验过程中的物理量，并用A/D数据采集卡对数据进行采集，最终得到在真空环境防护下某一特定温度时的载荷-位移曲线，根据压痕试验力学模型即可计算硬度与弹性模量等参数。

实施例：

参见图1和图2所示，本发明提供一种具有真空防护性的变温微纳米压痕测试系统，由真空室系统、Z轴方向宏动调整机构、Z轴大行程精密压入驱动单元、Z轴小行程精密压入驱动单元、位移信号检测单元、载荷信号检测单元、温度加载及检测单元和X-Y精密定位平台组成。其中所述真空室系统48为机械加载部分提供真空氛围；Z轴方向宏动调整机构装配大理石支撑座1上。Z轴大行程精密压入驱动单元安装在宏动调整机构上，主要由伺服电机Ⅰ19，蜗杆Ⅰ、Ⅱ22、29，蜗轮Ⅰ、Ⅱ23、28以及丝杠螺母Ⅱ35等机构组成。Z轴小行程精密压入驱动单元装配在较大行程精密压入驱动单元上，主要由压电叠堆38带动柔性铰链37推动其下部结构实现精密位移。位移信号检测单元通过精密微动平台39安装在底板Ⅱ34上，载荷信号检测单元串联在柔性铰链37与冷却管46之间，温度加载单元固定在X-Y精密定位平台上，X-Y精密定位平台连接在大理石基座2上，进而实现在压痕测试过程中不同压入位置点的切换。

本发明提出的测试系统，通过控制施加于加热台55上的电流大小，加热台55的温度变化，并以热传导的方式将热量传递到与其接触的试样材料上，利用热电偶17的反馈温度，实现对温度的闭环控制；在进行压痕测试过程中，通过实时采集压头47压入试样材料的位移与载荷力值，并生成相应的载荷-压入深度关系曲线，结合Oliver和Pharr提出的经典压痕理论模型与力热耦合相关知识，对载荷-压深曲线进行分析，最终得出材料的压入硬度、弹性模量、蠕变等参数，对研究温度变化对于材料微观力学性能参数和力学行为的影响规律等。该系统的优点在于：合理集成温度模块，既可以实现小行程压痕试验，也能够实现较大行程加载。兼容真空室系统，提供真空环境对压头等组件进行防护，保证在高温下压头不会因为被氧化尖端钝化，降低使用寿命，同时也防止试样材料表面因氧化而变质，而发生力学性能变化，将环境中气体抽出，同样能够防止热对流的产生，大大提高了测试的温度上限，进而实现高温环境时材料的力学性能测试，更准确的去指导高温材料的研制与生产。位移分辨率达到纳米级，加载力分辨率达到微牛级。本发明对材料科学、航空航天和国防军工等领域等领域将起到推动促进作用。

参见图1，真空室系统48为其他加载模块提供防护性真空氛围，防止在加热过程中试样及压头表面氧化，影响实验结果。

参见图3，Z轴方向宏动调整机构由伺服电机Ⅰ27、电机法兰Ⅰ30、联轴器Ⅰ49、丝杠支座Ⅰ53、导轨滑块组Ⅰ52、丝杠螺母Ⅰ51、工作平台Ⅰ50和底板Ⅰ54组成。伺服电机Ⅰ27固定在电机法兰Ⅰ30上，通过联轴器49带动丝杠转动，通过丝杠螺母Ⅰ51将回转运动转换为直线运动，带动工作平台Ⅰ50沿Z轴方向运动，由于伺服电机Ⅰ27调速范围较宽，故能够迅速调整其上部压入驱动单元沿Z轴方向上的位置，实现压痕模块的宏动调整，便于安装试样的安装调整。

参见图4，Z轴较大行程精密压入驱动单元，包括伺服电机Ⅱ19、电机法兰Ⅱ21、蜗杆Ⅰ、Ⅱ22、29，蜗轮Ⅰ、Ⅱ23、28、蜗杆轴26、轴承座Ⅰ、Ⅱ25、31、轴承Ⅰ、Ⅱ24、32、丝杠支座Ⅱ33、丝杠螺母Ⅱ35、导轨滑块组Ⅱ20、工作平台Ⅱ36和底板Ⅱ34，控制伺服电机Ⅱ19转动，通过两级蜗轮蜗杆传动机构，既达到了减速增扭的作用，又改变了运动传递方向，致使整体结构不致过大，大减速比使传递到丝杠的转速较小并且更加平稳，通过丝杠螺母组Ⅱ35将运动形式转化为直线运动，带动末端压头实现大行程精密压入驱动；Z轴小行程精密压入驱动单元包括柔性铰链37、压电叠堆38，柔性铰链37安装在工作平台Ⅱ36上，压电叠堆38安装于柔性铰链37内部的凹槽中，通过计算机给压电驱动电源发命令，压电驱动电源向压电叠堆38发送电压信号使其输出位移，直接推动柔性铰链37运动，带动压头实现Z轴方向上小行程精密压入驱动；位移信号检测单元包括位移测量臂45、位移传感器43、位移传感器夹持器42、连接件Ⅰ、Ⅱ40、41和微动平台39，微动平台39安装在底板Ⅱ34上。在装置的调试和校准阶段，通过手动旋转微动平台旋钮，通过连接件Ⅰ、Ⅱ40、41和位移传感器夹持器42，调整位移传感器43和位移测量臂45的间距。使其距离调整在位移传感器量程范围之内，用以检测压痕试验时压头与底板Ⅱ34的相对位移，即压痕深度；载荷信号检测单元包括力传感器44，串联在冷却管46和柔性铰链37之间，实现压入载荷的检测并将检测到的载荷信号作为反馈信号对压电叠堆驱动电源和伺服电机控制器进行控制，实现闭环控制。

参见图5，温度加载及检测单元由加热台底座15、供电线缆16、热电偶17、加热台55、隔热套56和盖板18组成，加热台55通过隔热套56安装在加热台底座15中，加热台盖板起到在真空条件下减小辐射到传感器上的作用，实现温度场加载、温度检测与隔热。采用电阻丝加热，升温速度快，自身采用热电偶测温，实现反馈控温，温控精度高，通过在冷却管46中通入冷却液，实现冷却隔热。

参见图6，X-Y定位平台由伺服电机Ⅲ、Ⅳ12、59、床头座Ⅰ、Ⅱ10、57、电机法兰Ⅲ、Ⅳ13、60、丝杠支座Ⅲ、Ⅳ14、60、联轴器Ⅱ、Ⅲ11、58、底板Ⅲ、Ⅳ3、6、丝杠螺母Ⅲ、Ⅳ5、8，导轨滑块组Ⅲ、Ⅳ4、7、工作平台Ⅲ9组成，伺服电机Ⅲ、Ⅳ12、59通过螺钉连接到电机法兰Ⅲ、Ⅳ13、60上，进而通过床头座Ⅰ、Ⅱ10、57与底板Ⅲ、Ⅳ3、6连接，伺服电机Ⅲ、Ⅳ12、59通过联轴器Ⅱ、Ⅲ11、58带动丝杠螺母Ⅲ、Ⅳ5、8运动，将旋转运动转化为直线位移进给，两部分交叉垂直布置。X-Y两个方向上均是采用伺服电机带动丝杠螺母副，运动精度高，转动平稳，进而实现实现工作平台Ⅲ9的X-Y平面内精密定位。

参见图1至图4，Z轴小行程精密压入驱动单元与Z轴大行程精密压入驱动单元安装在Z轴宏动调整单元上，三者相互配合实现压头47在Z轴方向上的粗调整和大、小行程精密压入与压出，配合带温度检测模块的高温加热平台，配合真空室系统，在真空环境的防护作用下，实现高温环境材料微纳米力学性能测试。

参见图7，本发明提供的具有真空防护性的变温微纳米压痕测试系统对材料在温度场加载条件下的力学性能进行测试的方法，温度、载荷或位移大小，都是由相应控制器产生驱动信号，经由功率放大器放大，温度、载荷和位移信号均由相应的传感器测量并输出，再经A/D数据采集卡采集，然后进行数据运算；具体步骤如下：

a)通过计算机设置拟定实验加载条件，包括加载温度、载荷或位移加载函数、压头与试样材料参数、初始接触力值、泊松比等参数的设定；并对真空室系统进行抽真空，达到指定真空度范围，并保持。

b)由计算机向信号发生模块发指令，产生温度加载驱动信号，并经信号放大器放大，向温度加载模块输出电流信号；

c)通过热电偶采集温度加载模块实时温度将其输出到A/D数据采集卡并换算成温度值；

d)判断温度信号是否达到实验预设温度值；进行闭环控制，直至达到预设值；

e)由计算机控制信号发生器产生位移驱动信号，控制驱动单元进行机械加载，使压头靠近试样运动；

f)当压头与试样接触之后(即力值反馈信号开始增长)，判断接触力值是否达到实验预设初始接触力值，根据载荷信号检测单元的反馈信号进行闭环控制，直至达到实验预设初始接触力值。计算机根据此反馈信号控制驱动单元停止进给；

g)由计算机控制信号发生器产生位移驱动信号，控制压头向背离试样表面方向运动，根据预设初始接触力值大小，选择合适的位移量，使压头刚刚退出试样表面。以此方法判断接触零点；

h)再由计算机控制X-Y精密定位平台，在X方向或Y方向运动指定距离，准备开始压痕试验；

i)重复步骤d)

j)A/D数据采集卡采集加载过程中载荷和位移传感器信号，并换算成载荷和位移值；

k)判断载荷或位移值是否达到实验前预设载荷或位移值，若判断为是，则进入步骤k)；若判断为否，则重复步骤h)

l)在数据处理软件中，按照压痕试验力学模型对采集的载荷值和位移值进行处理，得出在此对应温度条件下试样材料的硬度、弹性模量等参数，对比不同温度条件下的载荷-位移关系曲线，输出计算结果，完成测试过程。

所述的具有真空防护性的变温微纳米压痕测试方法中，由各种传感器测量实验过程中的物理量，并用A/D数据采集卡对数据进行采集，最终得到在真空环境防护下某一特定温度时的载荷-位移曲线，根据Oliver和Pharr基于弹性接触理论的经典力学模型即可计算硬度与弹性模量等参数，下面进行详细说明。

参见图8至图10所示，A/D数据采集卡采集实验过程中载荷位移信号并换算成对应载荷值和位移值，并得出加载卸载全过程的载荷-位移曲线(即P-h曲线见图8)，并简化出如图9所示的高温下压痕模型。

根据弹性接触理论的经典力学模型，接触刚度S定义为卸载曲线顶部斜率，即

$S={\left(\frac{\mathrm{dP}}{\mathrm{dh}}\right)}_{P\max }---\left(1\right)$

压痕测试曲线压入载荷-深度曲线的卸载部分近似满足以下幂函数关系式

P＝α(h-h_f)^m  (2)

式中P是压入载荷，h是压入深度，h_f是残余压入深度，α和m为幂函数拟合参数。通常对卸载曲线顶部的25％～50％部分进行最小二乘法拟合，得到α和m值。

压头与试件之间的接触深度可以表示为

$h_c=h_{\max }-\mathrm{\ϵ}\frac{P_{\max }}{S}---\left(3\right)$

式中，ε为与压头几何形状有关的常数。对于圆锥形压头，ε＝0.72；抛物形压头，ε＝0.75；平头压头，ε＝1.00。

接触面积函数

A＝f(h_c)  (4)

对于理想玻氏压头维氏压头压头形状往往偏离理想情况,这时需要对面积函数进行修正和校准,方法详见GB/T22458一2008。

压头几何形状是随温度变化的，热膨胀也可以影响压头的几何形状，热膨胀系数的各向异性会引起轻微的宽高比的变化或同等的锥角变化。

玻氏压头面积函数近似使用分段函数拟合

$A=\left\{\begin{array}{c}\mathrm{\π}({2\mathrm{Rh}}_c-h_c^2),h_c\≤R-R\sin \left(\mathrm{\θ}\right)\\ \mathrm{\π}{\left[(h_c+h_x)\tan \left(\mathrm{\θ}\right)\right]}^2,h_c>R-R\sin \left(\mathrm{\θ}\right)\end{array}\right.---\left(5\right)$

其中，R是压头尖端半径，h_c是接触深度，h_x是球形尖端理想锥切附加伸长长度，θ是锥角，玻氏压头为70.32°

h_x＝R/sin(θ)-R  (6)

在高温条件下，要考虑压头材料的机热耦合热漂移，根据以下公式对其进行修正和校准。

$\frac{\mathrm{\ΔL}}{q}=L\frac{C_p{\mathrm{\α}}_L}{\mathrm{\ρV}}---\left(7\right)$

其中，L是压头轴向长度，q是传递的热量，C_p是比热，α_L是热膨胀系数，ρ是密度，V是压杆的体积。

表1 室温下不同压头材料温度特性参数

接触刚度S和接触面积A存在以下关系

$S=\mathrm{\β}\frac{2}{\sqrt{\mathrm{\π}}}{E}_r\sqrt{A}---\left(8\right)$

式中，β为与压头形状有关的常数(对应于玻氏压头、维氏压头和平头压头，β的取值分别为1.034，1.012和1.000)。

Er为折合模量,其与试件和压头的弹性模量、泊松比之间存在以下关系

$\frac{1}{E_r}=\frac{1-v^2}{E}+\frac{1-v_i^2}{E_i}---\left(9\right)$

式中，E、E_i分别为高温条件下试件和压头材料的弹性模量；ν、ν_i分别为试件材料和压头材料的泊松比。

其中高温条件下压头材料的弹性模量通过以下公式推算

$E=E_0-\mathrm{CTexp}\left(\frac{-T_0}{T}\right)---\left(10\right)$

E₀是0K条件下材料的弹性模量，C为拟合参数，T₀是与温度相关的参数，T为特定高温，E为压头材料在特定高温条件下的弹性模量。针对常见的压头材料其对应值见表2

表2 常用压头材料相关参数值

选择相应的压头材料，可以根据表1中所列参数和公式(10)推算出高温条件下压头的弹性模量E。即公式(9)中的E_i。

材料的压入硬度H可表示为

$H=\frac{P_{\max }}{A}---\left(11\right)$

结合以上理论，可以对载荷位移曲线进行分析，得到材料弹性模量和硬度等参数，进而结合温度场得到温度对于材料性能参数的影响。

此外，结合本发明能够实时反馈载荷和位移信号的特点，若在试验过程中增加保载时间，结合温度场加载，能够实现对材料蠕变行为的研究。

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 (10)

1.一种具有真空防护性的变温微纳米压痕测试系统，其特征在于：包括真空室系统、Z轴方向宏动调整机构、Z轴大行程精密压入驱动单元、Z轴小行程精密压入驱动单元、位移信号检测单元、载荷信号检测单元、温度加载及检测单元和X-Y精密定位平台，其中所述真空室系统（48）为机械加载部分提供真空氛围，Z轴方向宏动调整机构装配在大理石支撑座（1）上；Z轴大行程精密压入驱动单元安装在Z轴方向宏动调整机构上，由伺服电机Ⅱ（19）、蜗杆Ⅰ、Ⅱ（22、29）、蜗轮Ⅰ、Ⅱ（23、28）及丝杠螺母Ⅱ（35）组成；Z轴小行程精密压入驱动单元装配在Z轴大行程精密压入驱动单元上，由压电叠堆（38）带动柔性铰链（37）推动其下部结构实现精密位移；位移信号检测单元通过精密微动平台（39）安装在底板Ⅱ（34）上，载荷信号检测单元串联在柔性铰链（37）与冷却管（46）之间，温度加载及检测单元固定在X-Y精密定位平台上，X-Y精密定位平台连接在大理石基座（2）上。

2.根据权利要求1所述的具有真空防护性的变温微纳米压痕测试系统，其特征在于：所述的Z轴方向宏动调整机构包括伺服电机Ⅰ（27）、电机法兰Ⅰ（30）、联轴器Ⅰ（49）、丝杠支座Ⅰ（53）、导轨滑块组Ⅰ（52）、丝杠螺母Ⅰ（51）、工作平台Ⅰ（50）和底板Ⅰ（54），其中，伺服电机Ⅰ（27）固定在电机法兰Ⅰ（30）上，通过联轴器（49）与丝杠螺母Ⅰ（51）相连接，带动工作平台Ⅰ（50）实现Z轴方向运动，所述Z轴大行程精密压入驱动单元安装在工作平台Ⅰ（50）上，实现压痕模块的宏动调整。

3.根据权利要求1所述的具有真空防护性的变温微纳米压痕测试系统，其特征在于：所述的Z轴大行程精密压入驱动单元包括伺服电机Ⅱ（19）、电机法兰Ⅱ（21）、蜗杆Ⅰ、Ⅱ（22、29）、蜗轮Ⅰ、Ⅱ（23、28）、蜗杆轴（26）、轴承座Ⅰ、Ⅱ（25、31）、轴承Ⅰ、Ⅱ（24、32）、丝杠支座Ⅱ（33）、丝杠螺母Ⅱ（35）、导轨滑块组Ⅱ（20）、工作平台Ⅱ（36）和底板Ⅱ（34），伺服电机Ⅱ（19）通过两级蜗轮蜗杆传动机构，带动丝杠螺母Ⅱ（35），实现大减速比，带动工作平台Ⅱ（36）实现Z轴精密压入驱动。

4.根据权利要求1所述的具有真空防护性的变温微纳米压痕测试系统，其特征在于：所述的Z轴小行程精密压入驱动单元包括柔性铰链（37）、压电叠堆（38），柔性铰链（37）安装在工作平台Ⅱ（36）上，压电叠堆（38）安装于柔性铰链（37）内部的凹槽中，压电叠堆（38）在电压信号控制下输出位移，带动柔性铰链（37）运动，实现Z轴方向上小行程精密压入驱动。

5.根据权利要求1所述的具有真空防护性的变温微纳米压痕测试系统，其特征在于：所述的位移信号检测单元包括位移测量臂（45）、位移传感器（43）、位移传感器夹持器（42）、连接件Ⅰ、Ⅱ（40、41）和精密微动平台（39），其中，精密微动平台（39）安装在底板Ⅱ（34）上，用以调整位移传感器（43）和位移测量臂（45）的间距。

6.根据权利要求1所述的具有真空防护性的变温微纳米压痕测试系统，其特征在于：所述的载荷信号检测单元包括力传感器（44），其串联在冷却管（46）和柔性铰链（37）之间，实现压入载荷的检测。

7.根据权利要求1所述的具有真空防护性的变温微纳米压痕测试系统，其特征在于：所述的温度加载及检测单元包括加热台底座（15）、供电线缆（16）、热电偶（17）、加热台（55）、隔热套（56）和盖板（18），实现温度场加载、温度检测与冷却隔热。

8.根据权利要求1所述的具有真空防护性的变温微纳米压痕测试系统，其特征在于：所述的X-Y精密定位平台包括伺服电机Ⅲ、Ⅳ（12、59）、床头座Ⅰ、Ⅱ（10、57）、电机法兰Ⅲ、Ⅳ（13、60）、丝杠支座Ⅲ、Ⅳ（14、61）、联轴器Ⅱ、Ⅲ（11、58）、底板Ⅲ、Ⅳ（3、6）、丝杠螺母Ⅲ、Ⅳ（5、8），导轨滑块组Ⅲ、Ⅳ（4、7）、工作平台Ⅲ（9），其中，伺服电机Ⅲ、Ⅳ（12、59）通过螺钉连接到电机法兰Ⅲ、Ⅳ（13、60）上，进而通过床头座Ⅰ、Ⅱ（10、57）与底板Ⅲ、Ⅳ（3、6）连接，伺服电机Ⅲ、Ⅳ（12、59）通过联轴器Ⅱ、Ⅲ（11、58）带动丝杠螺母Ⅲ、Ⅳ（5、8）运动，将旋转运动转化为直线位移进给，两部分交叉垂直布置，最终实现工作平台Ⅲ（9）的X-Y向精密定位。

9.一种具有真空防护性的变温微纳米压痕测试方法，其特征在于：温度、载荷或位移大小，都是由相应控制器产生驱动信号，经由功率放大器放大，温度、载荷和位移信号均由相应的传感器测量并输出，再经A/D数据采集卡采集，然后进行数据运算，具体步骤如下：

a）通过计算机设置拟定实验加载条件，包括加载温度、载荷或位移加载函数、压头与试样材料参数、初始接触力值、泊松比的设定；并对真空室系统进行抽真空，达到指定真空度范围，并保持；

b）由计算机向信号发生模块发指令，产生温度加载驱动信号，并经信号放大器放大，向温度加载模块输出电流信号；

c）通过热电偶采集温度加载模块实时温度并将其输出到A/D数据采集卡；

d）判断温度信号是否达到实验预设温度值；进行闭环控制，直至达到预设值；

e）由计算机控制信号发生器产生位移驱动信号，控制驱动单元进行机械加载，使压头靠近试样运动；

f）当压头与试样接触之后，即力值反馈信号开始增长，判断接触力值是否达到实验预设初始接触力值，根据载荷信号检测单元的反馈信号进行闭环控制，直至达到实验预设初始接触力值；计算机根据此反馈信号控制驱动单元停止进给；

g）由计算机控制信号发生器产生位移驱动信号，控制压头向背离试样表面方向运动，根据预设初始接触力值大小，选择合适的位移量，使压头刚刚退出试样表面；以此方法判断接触零点；

h）再由计算机控制X-Y精密定位平台，在X方向或Y方向运动指定距离，准备开始压痕试验；

i）重复步骤e）

j）A/D数据采集卡采集加载过程中载荷和位移传感器信号，并换算成载荷和位移值；

k）判断载荷或位移值是否达到实验前预设载荷或位移值，若判断为是，则进入步骤l）；若判断为否，则重复步骤i）；

l）在数据处理软件中，按照压痕试验力学模型对采集的载荷值和位移值进行处理，得出在此对应温度条件下试样材料的硬度、弹性模量参数，对比不同温度条件下的载荷-位移关系曲线，输出计算结果，完成测试过程。

10.根据权利要求9所述的具有真空防护性的变温微纳米压痕测试方法，其特征在于：由各种传感器测量实验过程中的物理量，并用A/D数据采集卡对数据进行采集，最终得到在真空环境防护下某一特定温度时的载荷-位移曲线，根据压痕试验力学模型即可计算硬度与弹性模量参数。