真空環境下的高溫微納米壓痕測試裝置與方法與流程

本發明涉及一種真空環境下的高溫微納米壓痕測試裝置與方法，屬于機電一體化精密儀器領域。測試裝置集精密驅動、溫度加載、信號檢測技術為一體，可應用于真空環境下，防止高溫環境造成對壓頭和試件樣品的氧化，并削弱因空氣流動對被測樣品加熱效果的影響，保障被測樣品加熱溫度穩定，進而開展對試件樣品微觀力學性能的測試分析，基于微納米壓痕測試技術獲取材料的硬度、彈性模量、蠕變特性以及力熱耦合作用的特性參數等，以研究變溫和高溫環境作用對材料微觀力學行為、變形損傷機制和微觀組織結構演化的影響規律，用以指導材料及其制品設計制造、及其制品的壽命預測和可靠性評估，同時為研究材料的高溫蠕變特性提供有效的技術手段。測試裝置結構緊湊、具有模塊化的結構特點，操作簡便，測量精度高，應用范圍廣，在材料科學、裝備制造、鋼鐵冶金、生物工程、國防軍事和航空航天等領域具備廣闊的應用前景，本發明的測試方法將豐富材料微觀力學性能測試的理論與技術體系
背景技術：
：各類材料及其制品在服役期間的工作條件都十分復雜，其力學性能通常會隨物理場的復雜作用而改變。如近年來在微電子、航空航天、光電子和納米工程等領域應用日益廣泛的高溫合金、陶瓷等材料，其實際工作溫度很高，傳統的材料力學性能測試方法在測試精度和測試能力方面已經無法滿足實際要求，不僅如此，一些常規材料在高溫環境下也會有力學行為的變化，也需要在高溫環境下對其進行力學性能測試實驗，以得出溫度對其力學性能的影響規律，以此指導材料及其制品設計制造，以免造成的事故或損失將難以估量。此外，國內尚無商業化的微納米壓痕儀，所用測試儀器依賴國外進口，并且存在價格昂貴、耗時長、高端技術封鎖的現象，導致國內在相關領域的研究一直處于跟蹤狀態，原創成果很少。因此，研制一臺集精密驅動、檢測、溫度控制、信號采集與處理等技術為一體的，具備我國自主知識產權的超高溫微納米壓痕測試儀迫在眉睫。目前，國內外的高溫壓痕儀器大多數是通過加熱平臺提供溫度場的，但由于加熱平臺提供的是開放式加熱環境，而且加熱方式是接觸式加熱，這樣不僅無法給試件和壓頭提供高達1600℃這樣一個超高溫度的加熱環境，而且無法保證壓頭和試件二者之間溫差足夠小，這樣一旦二者接觸就會有熱量傳遞，由此將會引起二者膨脹和收縮，最終將造成位移和力的測量信號有漂移現象發生，這將導致測量數據不準確，需要后期對實驗數據進行校核處理，以消除熱溫漂帶來的誤差，因為高溫壓痕實驗的難點之一就在于解決壓頭和試件之間由于溫差導致的溫漂問題，所以上述問題急需解決。技術實現要素：本發明的目的在于提供一種真空環境下的高溫微納米壓痕測試裝置與方法，解決了現有技術存在的上述問題。本發明是集精密驅動、檢測、溫度控制、信號采集與處理等技術為一體的高溫微納米壓痕測試裝置。測試裝置可應用于真空環境下，防止高溫環境造成對壓頭和試件樣品的氧化，并削弱因空氣流動對被測樣品加熱效果的影響，保障被測樣品加熱溫度穩定，進而開展對試件樣品微觀力學性能的測試分析，基于微納米壓痕測試技術獲取材料的硬度、彈性模量、蠕變特性以及力熱耦合作用的特性參數等，以研究變溫和高溫環境作用對材料微觀力學行為、變形損傷機制和微觀組織結構演化的影響規律，用以指導材料及其制品設計制造、及其制品的壽命預測和可靠性評估，同時為研究材料的高溫蠕變特性提供有效的技術手段。測試裝置結構緊湊、具有模塊化的結構特點，操作簡便，測量精度高，應用范圍廣，在材料科學、裝備制造、鋼鐵冶金、生物工程、國防軍事和航空航天等領域具備廣闊的應用前景，本發明的測試方法將豐富材料微觀力學性能測試的理論與技術體系。本發明的上述目的通過以下技術方案實現：真空環境下的高溫微納米壓痕測試裝置，包括Z向宏觀調整模塊、壓痕精密加載模塊、壓痕測試模塊、加熱模塊和偏心換點機構，Z向宏觀調整模塊裝配在大理石基體5上，壓痕精密加載模塊通過柔性鉸鏈連接架19安裝在Z向宏觀調整模塊上，由壓電疊堆21推動柔性鉸鏈20使其下部結構產生精密位移，從而實現壓痕的精密加載；壓痕測試模塊中，電容式位移傳感器測量端7通過微動平臺10固定在宏觀調整平臺18上，并通過位移測量板23的位移來實現位移信號的檢測；力傳感器22串聯在柔性鉸鏈20與水冷桿24之間，實現載荷信號的檢測；加熱模塊由加熱爐4、溫度控制系統50以及熱電偶51組成，通過在溫度控制系統50中設定溫度加載模式來實現加熱爐內爐溫的加載，并通過加熱爐中的熱電偶實時將測量的爐溫反饋給溫度控制系統從而實現爐溫的閉環控制，加熱爐4通過加熱爐支板3固定在加熱爐左、右支腿32、2上，加熱爐左、右支腿32、2通過螺釘連接在大理石底座1上；熱電偶51的測量端放置在加熱爐4爐腔中，另一端通過導線與溫度控制系統50相連，實時進行溫度反饋，溫度控制系統50與加熱爐4之間通過導線傳輸溫控信號；所述偏心換點機構的偏心換點機構電機39通過傳動軸軸承端蓋47固定在偏心換點機構支撐板31上，其產生的動力經偏心換點機構傳動軸38、小齒輪36、大齒輪29傳遞給偏心換點機構冷卻軸28，進而帶動氧化鋁耐熱平臺27、氧化鋁耐熱載物臺26實現壓痕測試過程中不同壓入位置點的更換；偏心換點機構冷卻軸28下部通過旋轉接頭連接法蘭33與旋轉接頭34轉子相連，旋轉接頭34定子經旋轉接頭固定架35固定在加熱爐左支腿32上。所述的加熱模塊是：加熱爐4通過加熱爐支板3固定在加熱爐左、右支腿32、2上，加熱爐左、右支腿32、2通過螺釘連接在大理石底座1上；熱電偶51的測量端放置在加熱爐4爐腔中，另一端通過導線與溫度控制系統50相連，實時進行溫度反饋，溫度控制系統50與加熱爐4之間通過導線傳輸溫控信號。所述的偏心換點機構是：偏心換點機構電機39通過螺紋連接固定在傳動軸軸承端蓋47上，并通過鍵連接在偏心換點機構傳動軸38上，小齒輪36通過鍵連接在偏心換點機構傳動軸38上，所述偏心換點機構傳動軸38上安裝在傳動軸軸承45上，所述傳動軸軸承45安裝在偏心換點機構支承板31上，并用小齒輪軸套37、傳動軸圓螺母46、傳動軸軸承端蓋47進行定位，大齒輪29與小齒輪36嚙合，并通過鍵連接在偏心換點機構冷卻軸28上，氧化鋁耐熱平臺27通過頂絲安裝在偏心換點機構冷卻軸28上；氧化鋁耐熱載物臺26通過螺紋連接在氧化鋁耐熱平臺27，其上表面通過高溫膠固定試件；偏心換點機構冷卻軸28安裝在冷卻軸軸承42上，并通過大齒輪軸套30、冷卻軸圓螺母43、冷卻軸軸承端蓋44進行定位，所述冷卻軸軸承42安裝在偏心換點機構支承板31上，所述冷卻軸軸承端蓋44和傳動軸軸承端蓋47用螺釘連接在偏心換點機構支承板31上，所述偏心換點機構支承板31通過螺釘連接在加熱爐左、右支腿32、2上；旋轉接頭連接法蘭33通過銷連接在偏心換點機構冷卻軸28上，旋轉接頭34轉子通過螺釘連接在旋轉接頭連接法蘭33上，旋轉接頭34定子用螺釘固定在旋轉接頭固定架35上，所述旋轉接頭固定架35用螺釘連接在加熱爐左支腿32上；O型圈48安裝在偏心換點機構冷卻軸28的O型槽中并夾在偏心換點機構冷卻軸28的下端面與旋轉接頭34轉子上端面之間，以實現流道的密封。所述的真空環境下的高溫微納米壓痕測試裝置的主體通過大理石底座1固定在真空室系統49內。本發明的另一目的在于提供一種真空環境下的高溫微納米壓痕測試方法，步驟如下：a)初始化設置，通過計算機設置擬定實驗加載條件，包括加載溫度、載荷或位移加載函數、壓頭與試樣材料參數、初始接觸力值、泊松比參數的設定；并對真空室系統進行抽真空，并保持；通過泵給水冷桿、加熱爐側壁水冷系統以及旋轉接頭提供循環冷卻水，以保證裝置電器元件處于正常工作溫度范圍內，保證實驗測量精度；b)A/D數據采集卡采集加載過程中載荷和位移傳感器信號，并換算成載荷和位移值，呈現在計算機軟件界面上；c)由計算機向溫度控制系統發指令，溫度控制系統開始按照計算機給的溫度加載函數對加熱爐輸出電壓信號，從而實現對壓頭和試件的溫度加載；d)利用熱電偶采集加熱爐內的實時溫度并將其反饋到溫度控制系統和計算機，通過計算機軟件將實時溫度和預設加載溫度進行比對，并調節溫度控制系統輸出電壓信號對爐溫進行閉環控制，直至達到預設值；e)通過計算機實時判斷反饋回來的溫度信號是否達到實驗預設溫度值；f)當計算機顯示爐溫已經達到預設溫度時，先保載在這個溫度1h，以消除壓頭和試件之間的溫差；由計算機對宏觀電機發出位移驅動指令，控制Z向宏觀調整模塊進行機械加載，使壓頭靠近試件；g)當壓頭接近試件的時候，調整計算機對宏觀電機發出位移驅動指令，減小壓頭靠近試件的速度；當壓頭與試件接觸后，即力值反饋信號開始增長，計算機會實時判斷接觸力值是否達到實驗預設初始接觸力值，直至達到實驗預設初始接觸力值，計算機根據此反饋信號控制Z向宏觀調整模塊停止進給；h)由計算機對宏觀電機發出另一個位移驅動指令，使壓頭向背離試件表面方向運動，根據預設初始接觸力值大小選擇位移量，使壓頭剛剛退出試樣表面；以此方法判斷接觸零點；i)再由計算機控制偏心換點機構，使試件繞壓頭所在的Z軸旋轉指定角度，完成試件換點，準備開始壓痕試驗；j)重復步驟e)；若爐溫達到實驗預設溫度值，則進行步驟k)；否則，等待爐溫達到實驗預設溫度值，再進行步驟k)；k)由計算機對壓電疊堆發出驅動指令，使壓頭按照預設載荷或位移加載函數對試件進行壓痕加載實驗；實驗過程中，計算機軟件自動將實驗數據進行命名保存；l)實驗結束后，由計算機對壓電疊堆發出驅動指令，調整壓頭回到實驗前的位置；若需要在同一溫度做多組重復實驗，則重復步驟i)；否則，進行步驟m)；m)若需要改變實驗溫度、位移或載荷加載函數，然后進行實驗的話，則在計算機軟件上進行更改，然后重復步驟i)；否則進行步驟n)；n)在數據處理軟件中，按照壓痕試驗力學模型對采集的載荷值和位移值進行處理，對比不同溫度條件下的載荷-位移關系曲線，得出各個溫度條件下試件材料的硬度、彈性模量力學性能參數參數，并進行比較分析，輸出實驗結果，完成測試過程；運用Oliver&Pharr測試法求得相應的力學性能參數硬度(H)和彈性模量(E)的過程如下：試件的硬度和彈性模量可從卸載過程中的最大壓力Pmax、最大壓入深度hmax、卸載后的殘余深度hf以及卸載曲線的頂端斜率S＝dp/dh接觸剛度參數中得到，其中前三個參數可直接從加卸載載荷-深度曲線中獲得，接觸剛度S則通過計算得到；載荷-深度曲線的卸載部分可用如下函數表示：P＝α(h-hf)m(1)接觸剛度S：由式(1)經微分接觸深度hc：接觸深度hc總小于壓入深度hmax，有接觸面積A：由壓針形狀函數A＝f(hc)確定；對于玻氏壓針的理論面積函數為由于使用磨損和加工技術的局限，壓針的理論面積函數和真實面積函數之間存在很大差異，可用下式對面積函數進行修正：定義硬度H：折合模量Er：由于由此，彈性模量：通過以下公式的得出加熱爐內不同的保載溫度，對應著所需的不同的最小循環冷卻水的流速，從而保證將壓頭和試件傳遞過來的多余的熱量帶走，針對不同的加熱爐內溫度，水冷管和冷卻軸內的水流量分別為Q1和Q2；首先認為加熱爐4是加熱溫度為T的均勻加熱環境，并把壓痕儀中各個熱傳導環節看作圓柱體，并分析熱平衡過程中的熱傳遞過程；水冷桿24的長度為L1+L2，直徑為D1，其材料的導熱系數為λ1；其中，L1段認為是等溫段，L2段為熱傳導段，其溫度線性分布；水冷桿中的Z字型流道直徑為d01，中間段長度為l01；水冷桿連接件25的長度為L3+L4，直徑為D2，其材料的導熱系數為λ2；L3段為加熱時處于加熱爐外端的一段，溫度分布為線性，L4段為加熱時處于加熱爐里端的一段，是等溫區；壓頭41及其耐熱連接桿40為L5，直徑為D3，其等效的材料的導熱系數為λ3，其溫度各處相同，設L4段和L5段溫度相等，為T3；假設力傳感器22的工作溫度為T1，水冷桿24和水冷桿連接件25連接面溫度為T2；過程中的熱流量Φ全部為L4和L5段吸收的加熱爐輻射能量，壓頭41及耐熱連接桿40為漫灰體，其表面積分別為Ay1和Ay2，表面發射率分別為ε01和ε02，則Φ值可按以下公式計算：式中，σ為黑體輻射常數，其值為5.67×10-8W/(m2·K4)；因此，T2可求；對于水冷桿(24)的傳熱過程，可以簡化為在L2段傳遞熱流量Φ，L1段冷卻水通過熱對流把熱流量Φ帶走；測得冷卻水的溫升為Δt1，在一定時間t0內，冷卻水吸收的熱量為：Φt0＝cmΔt1，m＝ρQ1t0式中c為水的比熱容，其值為4.2J/(kg·℃)，ρ為水的密度，其值為1000kg/m3，冷卻水的流量應為：試件尺寸為ΦD4×L6，其傳熱系數為λ4，其溫度為T4；氧化鋁耐熱臺27的直徑為D5，長度為L7+L8，其傳熱系數為λ5；L7段為加熱爐4內部的一段，為等溫段，溫度為T4；L8段為加熱爐4外部的一段，其溫度分布為線性；偏心換點機構冷卻軸28直徑為D5，傳熱系數為λ6，其中它流道位置距其上表面為L9，L9段溫度分布為線性，L9段以下為等溫區，為大齒輪29的工作溫度，即為T6；與上文同理，L6和L7段接收來自于加熱爐4輻射的熱流量Φ1，它通過熱傳導依次經過L8和L9段，并最終被冷卻水帶走，因此可以得到下列公式：其中，氧化鋁耐熱臺27和偏心換點機構冷卻軸28的表面積分別為Ay3和Ay4，表面發射率分別為ε03和ε04；設冷卻水溫度為tw2且在冷卻過程中幾乎不變，求得單位1實際容積V2為的冷卻水帶走的熱流量：Φ′1＝2πhDd02(T4-tw2)實驗過程中測得的溫差為Δt2，冷卻水流量應為：在進行高溫壓痕試驗時，試件和壓頭均會受熱膨脹，如果進行實驗之前，二者之間距離太小，將會引起二者在做實驗之前就接觸上了，為了避免上述現象發生，要計算出不同爐溫時二者在豎直方向的膨脹長度，從而在實驗前調整二者之間的間距，以免在加熱過程中二者碰撞，具體過程如下：水冷桿24、水冷桿連接件25和壓頭41在Z向的膨脹系數分別為α1、α2和α3；水冷桿24上表面為0點；則壓痕精密加載模塊在Z向相對于室溫的膨脹長度如下，其中室溫為ts，z處的溫度為tz，T與t01相等其中，可以求出壓痕精密加載模塊在Z向相對于室溫的膨脹長度為：試件、氧化鋁耐熱臺27和偏心換點機構冷卻軸28在Z方向上的膨脹系數分別為α4、α5和α6；同理可以得出偏心換點機構在Z向相對于室溫的膨脹長度為：其中，因此，壓頭41和試件表面的初始距離大于ΔL+ΔL’。本發明的有益效果在于：本測試裝置采用的是加熱爐對壓頭和試件進行同步非接觸式加熱，使兩者溫差趨近于0，加熱溫度準確、穩定、可控，可以形成一個恒溫區，極大的減小由溫度梯度引起的實驗誤差以及外界因素的干擾，減少了溫漂對實驗數據采集的影響，并且具有變溫范圍大、升溫快的優點，這些優點是市場上大部分高溫壓痕儀器存在的不足，本測試裝置將這類問題有效克服，為進行準確高效的高溫壓痕實驗提供了可靠的設備。本測試裝置為了兼容高溫爐，和大部分壓痕儀器的直線平移換點方式不同，采用的是偏心換點方式，利用旋轉接頭和齒輪傳動的偏心換點機構有效地避免了偏心換點電機直接驅動偏心換點機構冷卻軸換點時水冷管纏繞的現象。由于本測試裝置可以進行高達1600℃的高溫環境下的壓痕實驗，為了避免由于熱傳導引起的電器元件損壞，本測試裝置在力傳感器與耐熱壓桿之間通過水冷桿相連，在偏心換點機構的主軸內部預設水冷通道，當進行高溫實驗時，給水冷桿和主軸內部水冷通道通入循環冷卻水，從而將壓頭和試件傳遞過來的熱量帶走，保證力傳感器、電機等電器元件正常工作。改進的電容式位移傳感器夾持裝置，可用墊片調整電容式位移傳感器測量端與位移測量板的平行度，減小測量誤差。測試裝置同時兼容于真空室系統，可應用于真空環境，防止高溫環境造成對壓頭和試件樣品的氧化，并削弱因空氣流動對被測樣品加熱效果的影響，保障被測樣品加熱溫度穩定，進而開展對試件樣品微觀力學性能的測試分析，基于微納米壓痕測試技術獲得材料的硬度、彈性模量、蠕變特性以及力熱耦合作用的特性參數等，以研究變溫和高溫環境作用對材料微觀力學行為、變形損傷機制和微觀組織結構的演化的影響規律，用以指導材料及其制品設計制造、及其制品的壽命預測和可靠性評估，同時為研究材料的高溫蠕變特性提供有效的技術手段。測試裝置結構緊湊、具有模塊化的結構特點、操作簡便，測試精度高，應用范圍廣，在材料科學、裝備制造、鋼鐵冶金、生物工程、國防軍事和航空航天等領域具備廣闊的應用前景，本發明的測試方法將豐富材料微觀力學性能測試的理論和技術體系。附圖說明此處所說明的附圖用來提供對本發明的進一步理解，構成本申請的一部分，本發明的示意性實例及其說明用于解釋本發明，并不構成對本發明的不當限定。圖1為本發明的整體結構示意圖；圖2為為本發明的整體結構集成在真空室系統中的示意圖；圖3為本發明的Z向宏觀調整模塊示意圖；圖4為本發明的壓痕精密加載模塊和壓痕測試模塊示意圖；圖5為本發明的偏心換點機構示意圖；圖6為本發明的偏心換點機構局部放大示意圖；圖7為本發明的加熱模塊示意圖；圖8、圖9為典型的壓入測試的載荷-壓深曲線；圖10為本發明的Oliver-Pharr分析法分析流程圖；圖11為本發明的壓痕測試方法流程圖；圖12為本發明的溫度閉環控制流程圖；圖13為本發明的壓痕實驗示意圖；圖14為本發明的壓痕精密加載模塊傳熱示意圖；圖15為本發明換點機構的傳熱示意圖。圖中：1、大理石底座；2、加熱爐右支腿；3、加熱爐支板；4、加熱爐；5、大理石基體；6、位移傳感器夾持板；7、電容式位移傳感器測量端；8、位移傳感器夾持架；9、位移傳感器連接板；10、微動平臺；11、導軌滑塊；12、絲杠螺母副；13、導軌架；14、絲杠支撐塊；15、聯軸器；16、宏觀電機連接法蘭；17、宏觀電機；18、宏觀調整平臺；19、柔性鉸鏈連接架；20、柔性鉸鏈；21、壓電疊堆；22、力傳感器；23、位移測量板；24、水冷桿；25、水冷桿連接件；26、氧化鋁耐熱載物臺；27、氧化鋁耐熱平臺；28、偏心換點機構冷卻軸；29、大齒輪；30、大齒輪軸套；31、偏心換點機構支承板；32、加熱爐左支腿；33、旋轉接頭連接法蘭；34、旋轉接頭；35、旋轉接頭固定架；36、小齒輪；37、小齒輪軸套；38、偏心換點機構傳動軸；39、偏心換點機構電機；40、耐熱壓桿；41、壓頭；42、冷卻軸軸承；43、冷卻軸圓螺母；44、冷卻軸軸承端蓋；45、傳動軸軸承；46、傳動軸圓螺母；47、傳動軸軸承端蓋；48、O型圈；49、真空室系統；50、溫度控制系統；51、熱電偶。具體實施方式下面結合附圖進一步說明本發明的詳細內容及其具體實施方式。參見圖1及圖2所示，本發明的真空環境下的高溫微納米壓痕測試裝置，主要由機架、Z向宏觀調整模塊、壓痕精密加載模塊、壓痕測試模塊、加熱模塊和偏心換點機構六部分組成。裝置體積小，易于集成在真空室系統，防止壓頭和試件氧化，從而提高測試溫度。裝置主體通過大理石底座1固定在真空室系統49內。Z向宏觀調整模塊裝配在大理石基體5上。壓痕精密加載模塊通過柔性鉸鏈連接架19安裝在Z向宏觀調整模塊上，主要由壓電疊堆21推動柔性鉸鏈20使其下部結構產生精密位移，從而實現壓痕的精密加載；壓痕測試模塊中，電容式位移傳感器測量端7通過微動平臺10固定在宏觀調整平臺18上，并通過測量與位移測量板23之間的相對位移來實現位移信號的檢測；力傳感器22串聯在柔性鉸鏈20與水冷桿24之間，實現載荷信號的檢測。加熱模塊由加熱爐4、溫度控制系統50以及熱電偶51組成，通過在溫度控制系統中設定溫度加載模式來實現加熱爐內爐溫的加載，并通過加熱爐中的熱電偶實時將測量的爐溫反饋給溫度控制系統從而實現爐溫的閉環控制，加熱爐4通過加熱爐支板3固定在加熱爐左右支腿32、2，加熱爐左右支腿32、2通過螺釘連接在大理石底座1上。熱電偶51的測量端放置在加熱爐4爐腔中，另一端通過導線與溫度控制系統50相連，實時進行溫度反饋，溫度控制系統50與加熱爐4之間通過導線傳輸溫控信號。偏心換點機構電機39通過傳動軸軸承端蓋47固定在偏心換點機構支撐板31上，其產生的動力經偏心換點機構傳動軸38、小齒輪36、大齒輪29傳遞給偏心換點機構冷卻軸28，進而帶動氧化鋁耐熱平臺27、氧化鋁耐熱載物臺26實現壓痕測試過程中不同壓入位置點的更換。偏心換點機構冷卻軸28下部通過旋轉接頭連接法蘭33與旋轉接頭34轉子相連，旋轉接頭34定子經旋轉接頭固定架35固定在加熱爐左支腿32上。參見圖1所示，測試裝置主體通過大理石底座1固定在真空室系統49內，真空室系統49為其他加載模塊提供防護性真空氛圍，防止高溫環境造成對壓頭和試件樣品的氧化，并削弱因空氣流動對被測樣品加熱效果的影響，保障被測樣品加熱溫度穩定，進而開展對試件樣品微觀力學性能的測試分析，基于微納米壓痕測試技術獲得材料的硬度、彈性模量、蠕變特性以及力熱耦合作用的特性參數等，以研究變溫和高溫環境作用對材料微觀力學行為、變形損傷機制和微觀組織結構的演化的影響規律，用以指導材料及其制品設計制造、及其制品的壽命預測和可靠性評估，同時為研究材料的高溫蠕變特性提供有效的技術手段。參見圖3所示，Z向宏觀調整模塊包括宏觀電機17、宏觀電機連接法蘭16、聯軸器15、絲杠支撐塊14、絲杠螺母副12、導軌滑塊11、導軌架13和宏觀調整平臺18、柔性鉸鏈連接架19。宏觀電機17通過螺釘固定在宏觀電機連接法蘭16上，并通過聯軸器15與絲杠螺母副12連接，絲杠螺母副12安裝在絲杠支撐塊14上，絲杠支撐塊14、導軌滑塊11和宏觀電機連接法蘭16通過螺釘連接在導軌架13上，宏觀調整平臺18通過螺釘連接在導軌滑塊11和絲杠螺母副12上，柔性鉸鏈連接架19通過螺釘連接在宏觀調整平臺18上。宏觀電機17產生的動力經聯軸器15和絲杠螺母副12傳遞給宏觀調整平臺18并經由導軌滑塊11導向，實現宏觀調整平臺18和柔性鉸鏈連接架19Z向的宏觀運動，從而宏觀調整壓頭41的初始位置。Z向宏觀調整模塊通過螺釘裝配在大理石基體5上。參見圖4所示，壓痕精密加載模塊通過柔性鉸鏈連接架19用螺釘安裝在Z向宏觀調整模塊上，其包括柔性鉸鏈20、壓電疊堆21、力傳感器22、水冷桿24、水冷桿連接件25、耐熱壓桿40、壓頭41，柔性鉸鏈20通過螺釘固定在柔性鉸鏈連接架19上，其凹槽內嵌入壓電疊堆21，力傳感器22通過螺紋連接在柔性鉸鏈20下端和水冷桿24上端，水冷桿分體設計，包括水冷桿24和水冷桿連接件25，兩部分用螺紋連接，便于安裝和更換,對力傳感器有保護作用；當需要更換壓頭的時候，只需要將水冷桿連接件拆卸下來即可，不需要拆卸與力傳感器相連的水冷桿，可以減少力傳感器損壞的概率。水冷桿24內部通冷卻水，防止傳感器內工作溫度過高，保證其測量精度。冷桿連接件25和耐熱壓桿40采用高溫膠膠粘固連的方法，避免溫度過高時材料因熱膨脹造成水冷桿連接件25與耐熱壓桿40的連接松動，壓頭41通過高溫膠粘接在耐熱壓桿40下端。壓電疊堆21在電壓信號的激勵下輸出位移，帶動柔性鉸鏈20和其下方的力傳感器22、水冷桿24、水冷桿連接件25、耐熱壓桿40和壓頭41，實現壓痕測試中z向的精密驅動加載。參見圖4所示，壓痕測試模塊的測試部分包括位移信號檢測單元和載荷信號檢測單元。位移信號檢測單元包括位移傳感器夾持板6、電容式位移傳感器測量端7、測量板23、位移傳感器夾持架8、位移傳感器連接板9和微動平臺10。微動平臺10通過螺釘固定在宏觀調整平臺18上，位移傳感器連接板9通過螺釘連接在微動平臺10和位移傳感器夾持架8之間，位移傳感器夾持板6用螺釘連接在位移傳感器夾持架8上并夾緊電容式位移傳感器測量端7，測量板23夾緊在力傳感器22和水冷桿24之間。位移信號檢測單元通過測量電容式位移傳感器測量端7與位移測量板23之間的相對位移來實現位移信號的檢測。改進位移傳感器夾持裝置，在位移傳感器夾持架8和位移傳感器連接板9之間放入調整墊片保證電容式位移傳感器測量端7與其測量板23平行，減小測量誤差。載荷信號檢測單元包括力傳感器22，所述的力傳感器22串聯在柔性鉸鏈20與水冷桿24之間，上下端均通過螺紋連接，實現載荷信號的實時檢測。參見圖7所示，加熱模塊由加熱爐4、溫度控制系統50以及熱電偶51組成。通過在溫度控制系統中設定溫度加載模式來實現加熱爐內爐溫的加載，并通過加熱爐中的熱電偶實時將測量的爐溫反饋給溫度控制系統從而實現爐溫的閉環控制；加熱爐4通過加熱爐支板3固定在加熱爐左右支腿32、2上，加熱爐左右支腿32、2通過螺釘連接在大理石底座1上。熱電偶51的測量端放置在加熱爐4爐腔中，另一端通過導線與溫度控制系統50相連，實時進行溫度反饋，溫度控制系統50與加熱爐4之間通過導線傳輸溫控信號。目前，國內外的高溫壓痕儀器大多數是通過加熱平臺提供溫度場的，但由于加熱平臺提供的是開放式加熱環境，而且加熱方式是接觸式加熱，這樣不僅無法給試件和壓頭提供高達1600℃這樣一個超高溫度的加熱環境，而且無法保證壓頭和試件二者之間溫差足夠小，這樣一旦二者接觸就會有熱量傳遞，由此將會引起二者膨脹和收縮，最終將造成位移和力的測量信號有漂移現象發生，這將導致測量數據不準確，需要后期對實驗數據進行校核處理，以消除熱溫漂帶來的誤差，因為高溫壓痕實驗的難點之一就在于解決壓頭和試件之間由于溫差導致的溫漂問題，所以上述問題很難急需解決；本裝置采用的是加熱爐4可對壓頭41和試件進行同步非接觸式加熱，使兩者溫差趨近于0，極大的減小由溫度梯度引起的實驗誤差以及外界因素的干擾，加熱溫度準確、穩定、可控，可以形成一個恒溫區，并且具有變溫范圍大、升溫快的優點，這些優點是市場上大部分高溫壓痕儀器存在的不足，本裝置將這類問題有效克服，為進行準確高效的高溫壓痕實驗提供了可靠的設備。參見圖5、圖6所示，偏心換點機構包括氧化鋁耐熱載物臺26、氧化鋁耐熱平臺27、偏心換點機構冷卻軸28、大齒輪29、大齒輪軸套30、偏心換點機構支承板31、旋轉接頭連接法蘭33、旋轉接頭34、小齒輪36、小齒輪軸套37、偏心換點機構傳動軸38、偏心換點機構電機39、冷卻軸軸承42、冷卻軸圓螺母43、冷卻軸軸承端蓋44、傳動軸軸承45、傳動軸圓螺母46、傳動軸軸承端蓋47和O型圈48。偏心換點機構電機39通過螺紋連接固定在傳動軸軸承端蓋47上，并通過鍵連接在偏心換點機構傳動軸38上，小齒輪36也通過鍵連接在偏心換點機構傳動軸38上，所述偏心換點機構傳動軸38上安裝在傳動軸軸承45上，所述的傳動軸軸承45安裝在偏心換點機構支承板31上，并用小齒輪軸套37、傳動軸圓螺母46、傳動軸軸承端蓋47進行定位，大齒輪29與小齒輪36嚙合，并通過鍵連接在偏心換點機構冷卻軸28上，氧化鋁耐熱平臺27通過頂絲安裝在偏心換點機構冷卻軸28上。氧化鋁耐熱載物臺26通過螺紋連接在氧化鋁耐熱平臺27，其上表面可通過高溫膠固定試件。偏心換點機構冷卻軸28安裝在冷卻軸軸承42上，并通過大齒輪軸套30、冷卻軸圓螺母43、冷卻軸軸承端蓋44進行定位，所述冷卻軸軸承42安裝在偏心換點機構支承板31上，所述冷卻軸軸承端蓋44和傳動軸軸承端蓋47用螺釘連接在偏心換點機構支承板31上，所述偏心換點機構支承板31通過螺釘連接在加熱爐左右支腿32、2上。旋轉接頭連接法蘭33通過銷連接在偏心換點機構冷卻軸28上，旋轉接頭34轉子通過螺釘連接在旋轉接頭連接法蘭33上，旋轉接頭34定子用螺釘固定在旋轉接頭固定架35上，所述的旋轉接頭固定架35用螺釘連接在加熱爐左支腿32上。O型圈安裝在偏心換點機構冷卻軸28O型槽中并夾在偏心換點機構冷卻軸28的下端面與旋轉接頭34轉子上端面之間，以實現流道的密封。所述旋轉接頭34有效的避免了換點時水冷管纏繞現象的產生。由于壓頭和試件都處于密閉高溫爐艙內，而且相應的連接件和承接件也和高溫爐有固定的相對位置關系，所以無法實現類似傳統的X、Y方向直線換點，于是本文設計了偏心換點機構，同時由于此裝置最高加熱溫度高達1600℃，為了防止氧化鋁耐熱載物臺26將熱量傳遞給其下部的軸承以及電機等元器件，本裝置在偏心換點機構冷卻軸28內部加工出流道，在進行高溫試驗時，在流道里面通入循環水，以便將由高溫爐內傳遞下來的多余熱量帶走，保證各元器件處于理想工作溫度范圍內；偏心換點機構電機39產生的動力經偏心換點機構傳動軸38、小齒輪36、大齒輪29傳遞給偏心換點機構冷卻軸28，進而帶動氧化鋁耐熱平臺27、氧化鋁耐熱載物臺26實現壓痕測試過程中不同壓入位置點的更換。為了防止由于旋轉換點導致水冷管子纏繞現象發生，本裝置在冷卻軸28下端串聯了旋轉接頭機構，冷卻水管的入口和出口分別與旋轉接頭34定子流道入口和出口相連，旋轉接頭34轉子和冷卻軸28端面相接，而且流道相通，轉子隨著冷卻軸轉動的同時又能給其提供循環冷卻水，避免了管子纏繞現象。整個偏心換點機構采用了偏心換點的方式進行換點，操作簡易，換點過程中，試件受熱均勻。測試裝置兼容真空室系統，測試裝置主體通過大理石底座1固定在真空室系統49內，可應用于真空環境，防止高溫環境造成對壓頭和試件樣品的氧化，并削弱因空氣流動對被測樣品加熱效果的影響，保障被測樣品加熱溫度穩定，進而開展對試件樣品微觀力學性能的測試分析，基于微納米壓痕測試技術獲得材料的硬度、彈性模量、蠕變特性以及力熱耦合作用的特性參數等，以研究變溫和高溫環境作用對材料微觀力學行為、變形損傷機制和微觀組織結構的演化的影響規律，用以指導材料及其制品設計制造、及其制品的壽命預測和可靠性評估，同時為研究材料的高溫蠕變特性提供有效的技術手段。此外，本發明提出了一種可用于真空環境下高溫微納米壓痕測試方法，溫度、載荷和位移大小的控制，都是由計算機產生相應的驅動信號，通過功率放大器放大實現的，溫度、載荷和位移信號均由相應的傳感器測量并輸出，經A/D數據采集卡采集，然后利用上位機(計算機)進行數據運算；首先通過真空室系統49給裝置提供一個真空環境，接著通過Z向宏觀調整模塊和壓痕精密加載模塊將壓頭調整到理想位置，接下來通過加熱模塊給壓頭和試件提供一個穩定的溫度場，然后通過壓痕精密加載模塊驅動壓頭和試件接觸，接觸一段時間以進一步保證二者之間溫差接近零，接下來通過協調壓痕精密加載模塊和偏心換點機構之間的運動次序，來實現對試件不同位置的高溫壓痕加載實驗，最后通過相應后處理軟件將壓痕測試模塊所采集的位移和力信號進行后期處理，從而得到壓痕載荷-位移曲線和相應的力學性能參數，比如彈性模量、表面硬度、斷裂韌性等，進而得出溫度對各種材料力學性能的影響規律。所述的具有真空防護性的變溫微納米壓痕測試方法步驟如下(實驗過程的簡要流程圖參見圖11)：a)初始化設置，通過計算機設置擬定實驗加載條件，包括加載溫度、載荷或位移加載函數、壓頭與試樣材料參數、初始接觸力值、泊松比等參數的設定；并對真空室系統進行抽真空，達到指定真空度范圍，并保持；通過泵給水冷桿、爐子側壁水冷系統以及旋轉接頭提供循環冷卻水，以保證裝置電器元件處于正常工作溫度范圍內，保證實驗測量精度。b)A/D數據采集卡采集加載過程中載荷和位移傳感器信號，并換算成載荷和位移值，呈現在計算機軟件界面上；c)由計算機向溫度控制系統發指令，溫度控制系統開始按照計算機給的溫度加載函數對加熱爐輸出電壓信號，從而實現對壓頭和試件的溫度加載；d)利用熱電偶采集加熱爐內的實時溫度并將其反饋到溫度控制系統和計算機，通過計算機軟件將實時溫度和預設加載溫度進行比對，并調節溫度控制系統輸出電壓信號對爐溫進行閉環控制，直至達到預設值；e)通過計算機實時判斷反饋回來的溫度信號是否達到實驗預設溫度值(整個溫度閉環控制流程圖見圖12)；f)當計算機顯示爐溫已經達到預設溫度時，先保載在這個溫度1h，以消除壓頭和試件之間的溫差；由計算機對宏觀電機發出位移驅動指令，控制Z向宏觀調整模塊進行機械加載，使壓頭以一定的速度靠近試件；g)當壓頭與試件之間距離很近的時候，調整計算機對宏觀電機發出位移驅動指令，減小壓頭靠近試件的速度；當壓頭與試件接觸后(即力值反饋信號開始增長)，計算機會實時判斷接觸力值是否達到實驗預設初始接觸力值，直至達到實驗預設初始接觸力值，計算機根據此反饋信號控制Z向宏觀調整模塊停止進給；h)由計算機對宏觀電機發出另一個位移驅動指令，使壓頭向背離試件表面方向運動，根據預設初始接觸力值大小，選擇合適的位移量，使壓頭剛剛退出試樣表面。以此方法判斷接觸零點；i)再由計算機控制偏心換點機構，使試件繞壓頭所在的Z軸旋轉指定角度，完成試件換點，準備開始壓痕試驗；j)重復步驟e)；若爐溫達到實驗預設溫度值，則進行步驟k)；否則，等待爐溫達到實驗預設溫度值，再進行步驟k)。k)由計算機對壓電疊堆發出驅動指令，使壓頭按照預設載荷或位移加載函數對試件進行壓痕加載實驗(壓痕實驗示意圖見圖13)；實驗過程中，計算機軟件自動將實驗數據進行命名保存。l)實驗結束后，由計算機對壓電疊堆發出驅動指令，調整壓頭回到實驗前的位置。若需要在同一溫度做多組重復實驗，則重復步驟i)。否則，進行步驟m)。m)若需要改變實驗溫度、位移或載荷加載函數，然后進行實驗的話，則在計算機軟件上進行更改，然后重復步驟i；否則進行步驟n)。n)在數據處理軟件中，按照壓痕試驗力學模型對采集的載荷值和位移值進行處理，對比不同溫度條件下的載荷-位移關系曲線，得出各個溫度條件下試件材料的硬度、彈性模量等力學性能參數參數，并進行比較分析，輸出實驗結果，完成測試過程。運用Oliver&Pharr測試法求得相應的力學性能參數硬度(H)和彈性模量(E)(見圖10)的計算過程如下：試件的硬度和彈性模量可從卸載過程中的最大壓力Pmax、最大壓入深度hmax、卸載后的殘余深度hf以及卸載曲線的頂端斜率S＝dp/dh(接觸剛度)等參數中得到，其中前三個參數可直接從加卸載載荷-深度曲線中獲得，接觸剛度S則通過計算得到。載荷-深度曲線的卸載部分可用如下函數表示：P＝α(h-hf)m(1)接觸剛度S：由式(1)經微分接觸深度hc：接觸深度hc總小于壓入深度hmax，有接觸面積A：由壓針形狀函數A＝f(hc)確定。對于玻氏壓針的理論面積函數為由于使用磨損和加工技術的局限，壓針的理論面積函數和真實面積函數之間存在很大差異，可用下式對面積函數進行修正：定義硬度H：折合模量Er：由于由此，彈性模量：上述的測試方法可以在真空條件下，進行不同溫度條件下的，同一載荷或位移加載函數的壓痕加載實驗；也可以在相同溫度條件下，進行不同載荷或位移加載函數的壓痕加載實驗，從而可以得到不同溫度對試件材料的力學性能參數的影響規律以及相同溫度條件下，不同載荷或位移加載函數對試件材料的力學性能參數的影響規律。上述的測試方法在進行高溫壓痕實驗時，加熱爐內溫度最高可達1600℃，為了防止力傳感器、位移傳感器、電機、軸承等電器元器件和傳動承接件受高溫損壞，本文在水冷桿和冷卻軸內設置循環冷卻水流道，以將由試件和壓頭傳導過來的熱量帶走，提供一個穩定的室溫環境邊界，保證各電器元件和傳動軸承處于理想的工作溫度范圍內。通過以下理論公式的計算可以推算出加熱爐內不同的保載溫度，對應著所需的不同的最小循環冷卻水的流速，從而保證將壓頭和試件傳遞過來的多余的熱量帶走，針對不同的加熱爐內溫度，水冷管和冷卻軸內的水流量分別為Q1和Q2。首先認為加熱爐4是加熱溫度為T的均勻加熱環境，并把壓痕儀中各個熱傳導環節看作圓柱體，并分析熱平衡過程中的熱傳遞過程。如圖14所示，水冷桿24的長度為L1+L2，直徑為D1，其材料的導熱系數為λ1；其中，L1段認為是等溫段，L2段為熱傳導段，其溫度線性分布；水冷桿中的Z字型流道直徑為d01，中間段長度為l01；水冷桿連接件25的長度為L3+L4，直徑為D2，其材料的導熱系數為λ2；L3段為加熱時處于加熱爐4外端的一段，溫度分布為線性，L4段為加熱時處于加熱爐里端的一段，是等溫區；壓頭及其連接桿總長度為L5，直徑為D3，其等效的材料的導熱系數為λ3，其溫度各處相同，設L4段和L5段溫度相等，為T3。假設力傳感器的工作溫度為T1，水冷桿24和水冷桿連接件25連接面溫度為T2(忽略掉傳熱過程中的熱輻射)。過程中的熱流量Φ假設全部為L4和L5段吸收的加熱爐輻射能量，并假設壓頭及氧化鋁耐熱連接桿為漫灰體，其表面積分別為Ay1和Ay2，表面發射率分別為ε01和ε02，則Φ值可按以下公式計算：式中，σ為黑體輻射常數，其值為5.67×10-8W/(m2·K4)。因此，T2可求。對于水冷桿24的傳熱過程，可以簡化為在L2段傳遞熱流量Φ，L1段冷卻水通過熱對流把熱流量Φ帶走(忽略過程中的熱傳導)。通過做實驗，可以測得冷卻水的溫升為Δt1，在一定時間t0內，冷卻水吸收的熱量為：Φt0＝cmΔt1，m＝ρQ1t0式中c為水的比熱容，其值為4.2J/(kg·℃)，ρ為水的密度，其值為1000kg/m3，冷卻水的流量應為：如圖15所示，試件尺寸為ΦD4×L6，其傳熱系數為λ4，其溫度為T4；氧化鋁耐熱臺27的直徑為D5，長度為L7+L8，其傳熱系數為λ5；L7段為加熱爐4內部的一段，為等溫段，溫度為T4；L8段為加熱爐4外部的一段，其溫度分布為線性；偏心換點機構冷卻軸28直徑為D5，傳熱系數為λ6，其中它流道位置距其上表面為L9，L9段溫度分布為線性，L9段以下為等溫區，為大齒輪29的工作溫度，即為T6。與上文同理，L6和L7段接收來自于加熱爐4輻射的熱流量Φ1，它通過熱傳導依次經過L8和L9段，并最終被冷卻水帶走，因此可以得到下列公式：其中，氧化鋁耐熱臺27和偏心換點機構冷卻軸28的表面積分別為Ay3和Ay4，表面發射率分別為ε03和ε04。設冷卻水溫度為tw2且在冷卻過程中幾乎不變，求得單位1(實際容積V2為)的冷卻水帶走的熱流量：Φ′1＝2πhDd02(T4-tw2)實驗過程中測得的溫差為Δt2，冷卻水流量應為：在進行高溫壓痕試驗時，試件和壓頭均會受熱膨脹，如果進行實驗之前，二者之間距離太小的話，將會引起二者在做實驗之前就接觸上了，為了避免上述現象發生，有必要計算出不同爐溫時二者在豎直方向的膨脹長度，從而在實驗前可以將二者間距調到理想位置，以免在加熱過程中二者碰撞，具體計算過程如下：假設水冷桿24、水冷桿連接件25和壓頭41在Z向的膨脹系數分別為α1、α2和α3。并假設水冷桿24上表面為0點。則壓痕精密加載模塊在Z向相對于室溫的膨脹長度為(設室溫為ts，z處的溫度為tz，T與t01幾乎相等)：其中，可以求出壓痕精密加載模塊在Z向相對于室溫的膨脹長度為：假設試件、氧化鋁耐熱臺27和偏心換點機構冷卻軸28在Z方向上的膨脹系數分別為α4、α5和α6。同理可以得出偏心換點機構在Z向相對于室溫的膨脹長度為：其中，因此，壓頭41和試件表面的初始距離應大于ΔL+ΔL’。參見圖1至圖7，壓痕精密加載模塊安裝在Z向宏觀調整模塊上，二者相互配合實現壓頭41在Z軸方向上的粗調整和精密壓入與壓出，配合帶溫度檢測模塊的加熱爐4，實現高溫環境材料微納米力學性能測試。壓頭41與耐熱壓桿40等通過水冷桿24、力傳感器22連接到壓痕精密加載模塊上，力傳感器22在測試過程中完成對載荷信號的檢測，載荷信號作為反饋信號實現對壓痕測試的閉環控制。下面精密壓痕測試實驗為例對測試過程進行簡述，首先，利用加熱爐4對試樣與壓頭41部分加熱到指定溫度氛圍，并在水冷桿24中通入循環冷卻水進行降溫隔熱，然后利用Z向宏觀調整模塊間接帶動壓頭41快速接近試樣表面，當即將接觸時停止宏動調整，給壓電疊堆21供電，并不斷增大驅動電壓直至力傳感器22示數發生變化，此時保持電壓，并利用上位機控制軟件將力信號和位移信號清零，選擇合適的電壓步長給壓電疊堆21繼續供電，利用力傳感器22信號作為反饋信號實現對壓電疊堆電源的控制，達到閉環控制的目的，與此同時通過采集卡對力傳感器22和電容式位移位移傳感器的輸出信號進行同步條理和采集，并送至上位機通過軟件進行處理，結合Oliver-Pharr的相關理論得到被測試樣的相關力學參數，用以表征材料在高溫環境下的力學性能。下面對通過測量壓頭壓入壓出過程中的作用力和位移，經計算得出被測試樣的硬度、彈性模量等力學性能參數的Oliver&Pharr測試法做簡要介紹：圖8為使用玻氏壓針獲得的典型加卸載載荷-深度曲線。圖9為加卸載過程中等效圓錐的壓痕剖面示意圖。加載過程中，試件發生彈塑性變形，產生同金剛石壓頭外形相同的接觸深度hc和接觸半徑a。而試件的硬度和彈性模量可從卸載過程中的最大壓力Pmax、最大壓入深度hmax、卸載后的殘余深度hf以及卸載曲線的頂端斜率S＝dp/dh(接觸剛度)等參數中得到，其中前三個參數可直接從圖8中獲得，接觸剛度S則需通過計算得到。載荷-深度曲線的卸載部分可用如下函數表示：P＝α(h-hf)m(1)通常，式(1)是利用最小二乘法對卸載曲線頂端的25％～50％數據進行擬合而得到的，α和m為曲線擬合參數。接觸剛度S：由式(1)經微分接觸深度hc：接觸深度hc總小于壓入深度hmax，有式中，ε為常數，與壓針的外形有關。對于拋物形，ε＝0.75；圓錐形，ε＝0.72；圓柱形，ε＝1.00。式(3)對彈性、塑性變形都適用，但不能應用于凸起的塑性現象。根據經驗，玻氏壓針可取拋物形的解ε＝0.75和m＝1.5(1.2≤m≤1.6)，而不同于該類型壓針的理論值ε＝0.72、m＝2。這個問題可通過等效壓針形狀的概念予以解釋。表1為玻氏壓針作用下，得到的幾種典型材料的α值。表1玻氏壓針作用下得到的幾種典型材料的α值材料石英鈉鈣玻璃藍寶石熔融硅鎢鋁α(mN/nmm)0.02150.02790.04350.05000.14100.2650接觸面積A：由壓針形狀函數A＝f(hc)確定。表2為幾種常用壓針的幾何參數。表2常用壓針的幾何參數由上表可知，玻氏壓針的理論面積函數為由于使用磨損和加工技術的局限，壓針的理論面積函數和真實面積函數之間存在很大差異，可用下式對面積函數進行修正：式中，Cn為曲線擬合常數，需要仔細校準(方法從略)，它對應的不同項可以分別描述不同幾何形狀壓針的解。另外，此修正函數擬合數據的深度范圍很寬，因而得到廣泛應用。定義硬度H：折合模量Er：式中，β為常數，與壓針的外形有關。圓柱壓針，β＝1.000；維氏壓針，β＝1.012；玻氏壓針，β＝1.034。由于式中，ν、E分別為被測試樣的泊松比和彈性模量；νi、Ei分別為壓針的泊松比和彈性模量。金剛石壓頭的Ei＝1141GPa，νi＝0.07。工程材料的泊松比多處在0.15～0.35范圍內，因此被測試樣的泊松比可取中間值ν＝0.25。由此，彈性模量：以上即得出了被測試樣的硬度和彈性模量值。具體測試流程見圖10。此外，結合本發明能夠實時反饋載荷和位移信號的特點，若在試驗過程中增加保載時間，結合溫度場加載，能夠實現對材料蠕變行為的研究。本發明結構緊湊、具有模塊化的結構特點，操作簡便，測量精度高，應用范圍廣，加熱均勻穩定，在材料科學、裝備制造、鋼鐵冶金、生物工程、國防軍事和航空航天等領域具備廣闊的應用前景，本發明的測試方法將豐富材料微觀力學性能測試的理論與技術體系。以上所述僅為本發明的優選實例而已，并不用于限制本發明，對于本領域的技術人員來說，本發明可以有各種更改和變化。凡對本發明所作的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發明的保護范圍之內。當前第1頁1 2 3