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压痕测试技术是在硬度测试基础上发展起来的,它可以非破坏性的获得材料微区的力学性能。本文作者在研究材料微区力学性能的测试现状、现有的压痕测试设备及相关理论的基础上,研制了一种适用于常规金属结构条件下基于深度敏感技术的材料微区力学性能的示值压痕测试系统。采用直径为1mm的球形压头,以步进电机为动力,用载荷传感器、位移传感器连续获取载荷、位移数据；以人机界面为操作画面,用可编程序控制器(PLC)进行运动控制和数据处理,研制成功超小型的压痕性能测试系统,用它可获得材料的压痕硬度、弹性模量、屈服强度、抗拉强度及应变硬化指数等力学参数。与其他测试方法相比,该系统具有便捷、非破坏、多功能、实时在线检测的特点,尤其适用于工程现场材料微区力学性能的测试。整个系统由机械部分和电气部分组成,主要研究结果如下:
(1)压痕测试系统的机械部分分为压痕制造装置和压痕定位装置,均具有体积小,内部构造简单的特点。压痕制造装置内部安装有体积小、大推力的贯通轴式步进电机、直径1mm的球形压头和压头滑动导向装置,电气部分的载荷传感器、位移传感器、接近开关以及冷却风扇；压痕定位装置由能够在x、y方向运动的十字滑台、强力微调磁性表座(或支架座)构成。
(2)压痕测试系统的电气部分采用了高分辨率的载荷传感器和位移传感器,小型步进电机及其驱动器,高性能PLC、带视频输入单元的人机界面,另有工业电子内窥镜、接近开关以及开关电源等元件。采用PLC和人机界面构成的控制系统可实现快捷有效的通讯；编制的梯形图程序和人机界面操作画面实现了传感器模拟量数据的采集、转换、标定及显示,实现了控制PLC脉冲输出使步进电机随时响应并能进行简单的数学计算、与人机界面连接实时显示曲线等功能；采用的最大推力为1600N的贯通轴式步进电机配合最大细分数为128的步进电机驱动器并采用加减速脉冲输出实现电机的平稳运行；选购的载荷传感器、位移传感器能够达到力学性能计算需要的测试精度；工业电子内窥镜结合压痕定位装置的机械部分能够实现对待测对象的准确定位。
(3)研究表明,当脉冲频率为256Hz时,得到的载荷-位移曲线最光滑,此时压头的理论最佳运动速度为10μm/s。电机运行的最佳脉冲频率为256Hz;通过比较从PLC内存中和人机界面CF卡中两种方式采集的数据构成的载荷-位移曲线,可以确定现场测试时采用人机界面CF卡采集的数据是可靠的；通过编制的PLC梯形图控制程序并结合人机界面操作按钮,能够实现预想的载荷控制与位移控制两种控制模式要求。
(4)对厚度为20mm经过退火处理的16Mn钢板的测试结果显示,得到的载荷-位移曲线的加载段能够按照三次多项式拟合,卸载段能够按照二次多项式拟合,与有限元数值模拟规律相符,可以满足材料力学性能的计算要求。