一种高温连续逐次压痕试验机

1.本实用新型涉及力学性能测试仪器领域，尤其涉及一种高温连续逐次压痕试验机。


背景技术：

2.材料的力学性能主要是研究在受载过程中材料变形和断裂的规律，根据受载条件的不同，主要包括：(1)在静载下的弹性变形、塑性变形、断裂及断裂韧性、硬度、扭转、弯曲、压缩性能；(2)在动态下的冲击韧性、疲劳性能和摩擦磨损性能；(3)在高温条件下的力学性能及应力腐蚀等。
3.材料的高温力学性能指标包括：蠕变极限、持久强度、热疲劳强度、以及高温硬度等。高温力学性能在多种情况下都非常必要，如工具钢材料、耐磨涂层、阀座和应用模具等，它们都在高温下使用。材料的硬度以及断裂韧性等力学性能在温度显著变化时会发生一定变化，如：回火、磨损、腐蚀和热侵蚀等过程。因此，高温蠕变断裂性能问题、高温滑动磨损、高温软化等问题都有待于用研究材料高温力学性能来解决。而高温下的压痕试验具有方便、简捷、试验时间短、试验成本低等优点，因而常被人们用来验证或初步估计在高温下的材料力学性能，同时也是衡量材料在高温下力学性能的一种基本试验方法。
4.授权公告号为cn106198280a的发明专利中公开了一种高温维氏硬度计，解决了材料在高温下的氧化问题、高温下的实时观测问题、以及加热方式与高温硬度测试方法。然而，由于其加载方式为固定载荷的一次性加载，因此无法实时采集高温下加载及卸载过程中的载荷大小，也就不能获得材料在高温下的力——位移曲线。此外，其压痕图像采集装置只能采集试样表面的压痕图像，而不能进行高温下压痕深度的实时测量。


技术实现要素：

5.本实用新型提供了一种高温连续逐次压痕试验机，其克服了背景技术中所存在的不足。
6.本实用新型解决其技术问题的所采用的技术方案是：一种高温连续逐次压痕试验机，包括内成惰性环境的气氛室(1)；该气氛室(1)内设用于加热样品的高温炉(2)和用于带动高温炉(2)沿x向y向水平移动的二维滑台(3)；该气氛室(1)内设能转动的转塔台(11)，该转塔台(11)上设沿周向间隔布置的加载卸载装置、用于采集压痕表面图像的采集装置(8)和用于测量压痕深度的扫描测量装置(9)；该加载卸载装置包括带循环水冷却功能的夹具装置(6)、装接在夹具装置(6)的压杆(7)、装接在压杆(7)和夹具装置(6)间的测力仪(5)和信号连接测力仪(5)的直线电机(4)，该直线电机(4)传动连接夹具装置(6)且带动夹具装置(6)及压杆(7)在竖直方向上移动，该夹具装置(6)设位于夹具装置(6)内部的空心流道及接通空心流道的入水口(601)和出水口(602)。
7.一实施例之中：该直线电机(4)设竖直布置的滑台面，该夹具装置(6)呈l形且具有竖直部和固接在竖直部下端的横向部，该竖直部滑接在滑台面，该入水口(601)和出水口
(602)分别设在横向部末端面和竖直部末端面，该压杆(7)装接在横向部。
8.一实施例之中：该气氛室(1)包括有手套箱(101)、外置的氩气瓶(102)及测定气氛室(1)内氧含量、水含量的控制系统，该氩气瓶(102)接通手套箱(101)。
9.一实施例之中：该高温炉(2)设样品加热腔室和包围样品加热腔室的外围水冷系统，且，该高温炉(2)顶面凹设通至样品加热腔室的孔洞。
10.一实施例之中：该该气氛室(1)内设两循环水冷却盘(10)，该两循环水冷却盘(10)分别相对固定布置在采集装置(8)之下和扫描测量装置(9)之下。
11.一实施例之中：该采集装置(8)和一循环水冷却盘(10)上下相对固定间隔布置，该扫描测量装置(9)和另一循环水冷却盘(10)上下相对固定间隔布置。
12.一实施例之中：该循环水冷却盘(10)呈圆形中空盘体，该圆形中空盘体设观察口，该观察口处密封固设隔热镜片，该采集装置(8)和一循环水冷却盘(10)的隔热镜片上下正对布置，该扫描测量装置(9)和另一循环水冷却盘(10)的隔热镜片上下正对布置。
13.本技术方案与背景技术相比，它具有如下优点：
14.转塔台上设加载卸载装置、用于采集压痕表面图像的采集装置和用于测量压痕深度的扫描测量装置，集表征材料在高温下的硬度、断裂韧性、力——位移曲线等力学性能于一起，且，结构紧凑；加载卸载装置包括测力仪和直线电机，可获得材料在高温压痕下的力——位移曲线；通过压痕表面图像采集装置可实现高温下压痕表面形貌的观测，以及测量高温下压痕尺寸、裂纹长度等信息，可计算被测材料在高温下的硬度与断裂韧性；通过压痕深度扫描测量装置可实现高温下压痕深度的实时测量。
附图说明
15.下面结合附图和具体实施方式对本实用新型作进一步说明。
16.图1为具体实施方式压痕试验机结构示意图。
17.图2为具体实施方式压痕试验机高温连续逐次压痕试验的力值变化曲线。
18.图3为具体实施方式压痕试验机高温连续逐次压痕试验的力——位移曲线。
19.图4为具体实施方式压痕试验机高温压痕深度测量。
20.图5为具体实施方式高温炉的结构示意图。
21.图6为图5的a-a剖面示意图。
22.图7为具体实施方式压痕试验机夹具装置的剖面示意图。
23.标号说明：1-惰性环境气氛室；101-手套箱；102-氩气瓶；2-高温炉；3-xy二维滑台；4-高精度直线电机；5-高精度测力仪；6-循环水冷却夹具装置；7-压杆；8-压痕表面图像采集装置；9-压痕深度扫描测量装置；10-循环水冷却盘；11-转塔台。
具体实施方式
24.请查阅图1至图7，一种高温连续逐次压痕试验机，包括一内成惰性环境的气氛室1；该气氛室1包括有一提供无氧、无水、惰性环境的手套箱101和一个安置在手套箱101外部的氩气瓶102，该氩气瓶102通过气管将氩气输到手套箱101内部，使手套箱101内部成充满惰性气体(氩气)的气氛环境，防止被测样品在高温下发生氧化。根据需要，还包括一测定气氛室1内氧含量、水含量的控制系统。
25.该手套箱101内设用于加热样品的高温炉2和用于带动高温炉2沿x向y向水平移动的二维滑台3；该二维滑台3包括一固接在手套箱101内的x向导轨、一能沿x向导轨滑动的x滑座、一固设在x滑座上的y向导轨和一能沿y向导轨滑动的y滑座，该高温炉2固设在y滑座上，另设两驱动机构连接x滑座和y滑座，该驱动机构如电机配合丝杆螺母机构；该高温炉2设样品加热腔室和包围样品加热腔室的外围水冷系统，该样品装接在样品加热腔室内，且高温炉2顶面凹设通至样品加热腔室的孔洞，设样品加热腔室和外围水冷系统则既保证了样品腔内温度的一致性和稳定性，又起到了保温隔热的效果。该高温炉2包括一具有开口朝上的内腔的炉体21、一加热器和一冷却水循环机，该炉体具有侧壁和底壁，该炉体内腔的侧壁、底壁处贴设有炉衬，该炉体开口处盖设有炉盖22，该炉盖和炉衬间形成有上述的样品加热腔室，该炉盖处凹设有上述孔洞23，该加热器伸入样品加热腔室内以加热样品加热腔室；该炉体采用耐热钢制成，该炉衬、炉盖采用多晶莫来石制成，该加热器采用u型硅钼棒；该炉体内设有水冷槽24，该水冷槽呈s形布置，该水冷槽两端分别设有进口和出口，该冷却水循环机接通进口和出口，该水冷槽构成上述的外围水冷系统。
26.该气氛室1内设能转动的转塔台11，该转塔台11上设沿周向间隔布置的三个转向座，三个转向座上分别固设加载卸载装置、用于采集压痕表面图像的采集装置8和用于测量压痕深度的扫描测量装置9，且通过转动能使加载卸载装置、采集装置8和扫描测量装置9分别配合高温炉2。具体结构中：该转塔台11包括一固设在手套箱101内的底座和一能转动连接在底座之上的圆形台，该底座顶面中心凸设有转轴，该圆形台底面中心凹设枢孔，该枢孔适配连接在转轴，从而使圆形台能相对转轴实现转动，根据需要，该圆形台和底座间设轴承；三个转向座周向均匀间隔固设在圆形台顶面。该采集装置8如选用带有显微镜的工业相机(ccd电荷耦合器件或cmos金属氧化物-半导体器件)，显微镜安装在cmos工业相机感光元件一侧。该扫描测量装置9如ccl白光扫描干涉仪。
27.该加载卸载装置包括带循环水冷却功能的夹具装置6、装接在夹具装置6的压杆7、装接在压杆7和夹具装置6间的测力仪5和信号连接测力仪5的直线电机4，该直线电机4装接在第一转向座上，该直线电机4传动连接夹具装置6且带动夹具装置6及压杆7在竖直方向上移动，该直线电机4为高精度直线电机，它具有优于0.5μm的重复定位精度，可提供不同范围的加载卸载速率以及产生推力，通过控制高精度直线电机4的位移进给，以实现压杆在竖直方向上的连续逐次加载及卸载。该测力仪5为高精度测力仪，它优选kistler9119aa2,量程0～4000n，优选量程0～200n，测力精度0.001n，最高可达27khz的采样频率，可测量动态和准静态的拉伸及压缩载荷信号，通过控制高精度直线电机4的位移进给，同时配合高精度测力仪5实时采集载荷大小，因此可获得材料在高温压痕下的力——位移曲线。该压杆7的材质选用硬质合金，下部尖端采用高品质的金刚石或cbn材质压头，控制了高温软化，保证了测试结果的精度和机器的使用寿命。
28.该夹具装置6设位于夹具装置6内部的空心流道及接通空心流道603的入水口601和出水口602。进一步，该直线电机4设竖直布置的滑台面，该夹具装置6呈l形且具有竖直部和固接在竖直部下端的横向部，该竖直部滑接在滑台面，该滑台面如竖向固设在第一转向座上的z向导轨，该直线电机4驱动竖直部以带动夹具装置6上下移动；该压杆7装接在横向部，该夹具装置6的横向部如设有夹紧部，该夹紧部夹紧压杆7，该夹紧部如包括一固部和一能相近或远离固部的夹部，通过固部和夹部的相近实现压杆7的夹紧。该入水口601和出水
口602分别设在横向部末端面和竖直部末端面，循环冷水由入水口601引入，经热交换后将热水从出水口602引出。循环水冷却夹具装置6的作用，一方面，在于可对高精度直线电机4的滑台面进行降温冷却，防止高温加热时产生的热流传导至高精度直线电机4而对其造成影响，另一方面，可对高精度测力仪5进行降温冷却，防止高温加热时产生的热流传导至高精度测力仪5而对其造成影响。
29.该压痕表面图像的采集装置8安装在转塔台11的第二转向座上，通过调节光学显微镜头聚焦在被测样品表面，从而实现高温下压痕表面形貌的观测，同时也可测量高温下压痕尺寸、裂纹长度等信息，用来计算被测材料在高温下的硬度与断裂韧性。
30.该压痕深度的扫描测量装置9安装在转塔台11的第三转向座上，通过调节干涉条纹在竖直方向上逐层多次扫描压痕轮廓，从而实现高温下压痕深度的测量。
31.该手套箱101内设两循环水冷却盘10，该两循环水冷却盘10分别固设在第二转向座和第三转向座上，且分别相对固定地布置在采集装置8之下和扫描测量装置9之下。进一步的，该循环水冷却盘10呈圆形中空盘体，该圆形中空盘体设观察口，该观察口处密封固设隔热镜片；该每一循环水冷却盘10都设有第一口和第二口，该第一口如设在圆形中空盘体顶面右侧，则第二口设在圆形中空盘体底面左侧，另配设冷却水循环机连接第一口和第二口。该采集装置8和一循环水冷却盘10上下相对固定间隔布置，且，该采集装置8和一循环水冷却盘10的隔热镜片上下正对布置，以避免干涉采集；该扫描测量装置9和另一循环水冷却盘10上下相对固定间隔布置，且，该扫描测量装置9和另一循环水冷却盘10的隔热镜片上下正对布置，以避免干涉扫描测量。隔热镜片可起到高温加热时阻隔热流辐射的作用，循环水冷却盘10在通入循环水冷却后，可吸收盘体所接收到的热量，配合隔热镜片的作用，从而保护了采集装置8与扫描测量装置9。
32.该高温连续逐次压痕试验机的测试方法如下：检查调整气氛室1内的氧含量、水含量浓度，确认其浓度都小于0.1ppm；将被测样品tialsin涂层刀具固定放置在高温炉2的样品加热腔室内；启动高精度直线电机4与高精度测力仪5的驱动控制系统，通过控制高精度直线电机4带动压杆7以较小的位移向下连续逐次进给，同时高精度测力仪5实时进行力值的采集，当压杆7的下部压头尖端与被测样品临界接触时(即临界接触载荷fcrit＝0.01n)，则暂停高精度直线电机4的位移移动，认定此时压杆7的下部压头尖端与被测样品刚好临界接触；启动循环水冷却控制系统，开始向循环水冷却夹具装置6与循环水冷却盘10引入循环冷水；开启高温炉2，使其开始对被测样品tialsin涂层刀具加热，设定加热温度为800℃，达到预设温度值后，对样品保温10分钟；再次启动高精度直线电机4与高精度测力仪5的驱动控制系统，并设定高精度直线电机4的逐次位移进给量为1μm，总位移进给量为10μm，进给速率为50μm/s；从而带动压杆7在竖直方向上对被测样品进行连续逐次加载及卸载，逐次加载、卸载的试验力保持时间为20s，高精度测力仪5采集得到的力值变化曲线如图2所示；同时，结合高精度直线电机4的逐次位移进给大小与高精度测力仪5实时采集的载荷大小，可获得被测材料tialsin涂层刀具在800℃高温压痕下的力——位移曲线，如图3所示；驱动转塔台11切换为压痕表面图像采集装置8，调节光学显微镜头聚焦在被测样品表面，从而实现高温下压痕表面形貌的观测；测量高温下压痕尺寸、裂纹长度等信息，则可计算被测材料在高温下的硬度与断裂韧性；驱动转塔台11切换为压痕深度扫描测量装置9，调节干涉条纹在竖直方向上逐层多次扫描压痕轮廓，从而实现高温下压痕深度的测量，如图5所示。
33.以上所述，仅为本实用新型较佳实施例而已，故不能依此限定本实用新型实施的范围，即依本实用新型专利范围及说明书内容所作的等效变化与修饰，皆应仍属本实用新型涵盖的范围内。

技术特征：
1.一种高温连续逐次压痕试验机，其特征在于：包括内成惰性环境的气氛室(1)；该气氛室(1)内设用于加热样品的高温炉(2)和用于带动高温炉(2)沿x向y向水平移动的二维滑台(3)；该气氛室(1)内设能转动的转塔台(11)，该转塔台(11)上设沿周向间隔布置的加载卸载装置、用于采集压痕表面图像的采集装置(8)和用于测量压痕深度的扫描测量装置(9)；该加载卸载装置包括带循环水冷却功能的夹具装置(6)、装接在夹具装置(6)的压杆(7)、装接在压杆(7)和夹具装置(6)间的测力仪(5)和信号连接测力仪(5)的直线电机(4)，该直线电机(4)传动连接夹具装置(6)且带动夹具装置(6)及压杆(7)在竖直方向上移动，该夹具装置(6)设位于夹具装置(6)内部的空心流道及接通空心流道的入水口(601)和出水口(602)。2.根据权利要求1所述的一种高温连续逐次压痕试验机，其特征在于：该直线电机(4)设竖直布置的滑台面，该夹具装置(6)呈l形且具有竖直部和固接在竖直部下端的横向部，该竖直部滑接在滑台面，该入水口(601)和出水口(602)分别设在横向部末端面和竖直部末端面，该压杆(7)装接在横向部。3.根据权利要求1所述的一种高温连续逐次压痕试验机，其特征在于：该气氛室(1)包括有手套箱(101)、外置的氩气瓶(102)及测定气氛室(1)内氧含量、水含量的控制系统，该氩气瓶(102)接通手套箱(101)。4.根据权利要求1所述的一种高温连续逐次压痕试验机，其特征在于：该高温炉(2)设样品加热腔室和包围样品加热腔室的外围水冷系统，且，该高温炉(2)顶面凹设通至样品加热腔室的孔洞。5.根据权利要求1所述的一种高温连续逐次压痕试验机，其特征在于：该该气氛室(1)内设两循环水冷却盘(10)，该两循环水冷却盘(10)分别相对固定布置在采集装置(8)之下和扫描测量装置(9)之下。6.根据权利要求5所述的一种高温连续逐次压痕试验机，其特征在于：该采集装置(8)和一循环水冷却盘(10)上下相对固定间隔布置，该扫描测量装置(9)和另一循环水冷却盘(10)上下相对固定间隔布置。7.根据权利要求5所述的一种高温连续逐次压痕试验机，其特征在于：该循环水冷却盘(10)呈圆形中空盘体，该圆形中空盘体设观察口，该观察口处密封固设隔热镜片，该采集装置(8)和一循环水冷却盘(10)的隔热镜片上下正对布置，该扫描测量装置(9)和另一循环水冷却盘(10)的隔热镜片上下正对布置。

技术总结
本实用新型公开了一种高温连续逐次压痕试验机，包括气氛室；该气氛室内设高温炉和二维滑台；该气氛室内设能转动的转塔台，该转塔台上设沿周向间隔布置的加载卸载装置、用于采集压痕表面图像的采集装置和用于测量压痕深度的扫描测量装置；该加载卸载装置包括带循环水冷却功能的夹具装置、装接在夹具装置的压杆、装接在压杆和夹具装置间的测力仪和信号连接测力仪的直线电机，该直线电机传动连接夹具装置且带动夹具装置及压杆在竖直方向上移动，该夹具装置设位于夹具装置内部的空心流道及接通空心流道的入水口和出水口。它具有如下优点：集表征材料在高温下的硬度、断裂韧性、力——位移曲线等力学性能于一起。力——位移曲线等力学性能于一起。力——位移曲线等力学性能于一起。


技术研发人员：江安娜 李卓 查旭明 郭必成 姜峰
受保护的技术使用者：华侨大学
技术研发日：2023.01.12
技术公布日：2023/7/28