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1．中國農(nóng)業(yè)大學；2．西安交通大學，陜西西安
�。壅∫荨〔捎酶倪M劃痕法原理及切向力檢測臨界載荷方法，研制了一種新型多功能膜／基結(jié)合力測定儀。該儀器結(jié)構(gòu)新穎，實用簡便，不僅能測定金屬膜層與基體的結(jié)合強度，還能對金屬膜層進行模擬單顆粒磨損試驗。試驗表明，該儀器具有較高的可靠性。
［關鍵詞］ 儀器；膜／基結(jié)合力；測定
1 引 言
膜層與基體的良好結(jié)合是膜層得以發(fā)揮其作用的基本條件。由于膜層非常薄，如果膜／基結(jié)合力不足夠強，則在應用環(huán)境下就容易脫落，無法保持持續(xù)使用。所以，足夠強的膜／基結(jié)合力是保證膜層經(jīng)久耐用的重要前提。
劃痕法［1］是當前應用最多的使膜層發(fā)生局部變形的結(jié)合力測量方法。它是將一具有很小曲率半徑、圓錐形端頭的硬質(zhì)材料針，立在膜層表面，施加一定的法向力，并使針沿著膜層表面進行刻劃，通過劃傷膜層來測量膜層對基體的結(jié)合力［2］。
進行劃痕法測量時，逐步增加測量針的法向載荷，并重復進行刻劃動作以恰好能使膜層與基體間發(fā)生剝離的載荷作為膜層與基體間結(jié)合力的度量。該載荷被稱為使膜層剝離的臨界載荷Lc。
2 結(jié)合力測定儀的原理
結(jié)合力測定儀的原理采用改進劃痕法。早期的劃痕法在應用過程中，存在一些問題，諸如在測量中需要逐級變動載荷，為測一個數(shù)據(jù)需要進行多次劃痕；難以準確判定膜層與基體間是否發(fā)生了分離而使臨界載荷意義不明確。劃痕法的發(fā)展和完善，主要集中在兩個方面：一是加載方式由原來的分段加載［3］、［4］改為連續(xù)加載［5］、［6］；二是改進對臨界載荷的確定方式［7］。
切向力檢測法的根據(jù)是，在劃痕過程中，劃針所受切向力與膜層的破壞之間存在一定的關系［8］。隨著劃痕加深，在其邊緣開始出現(xiàn)突變皺折，與第一個皺折波紋相對應的法向力即為臨界載荷。此時，切向力顯示陡降變化。研究表明，通過同時測量劃痕過程中的切向力和法向力的變化，可以改善在韌性膜層上用劃痕法確定臨界載荷的可靠性和精度［9］。切向力檢測法避免了聲發(fā)射信號的多重來源性對測量結(jié)果的影響，簡化了測量裝置的結(jié)構(gòu)，既可用于脆性的硬膜也可用于韌性的軟膜的結(jié)合力測量。
結(jié)合力測定儀臨界載荷的確定方式采用切向力檢測法。
3 結(jié)合力測定儀的組成
研制實用簡便的膜／基結(jié)合力測定儀，是定量評價膜/基結(jié)合強度的基礎。為了在結(jié)合力測定儀上能模擬單顆粒磨損試驗，實現(xiàn)一機多用的目標，結(jié)合力測定儀設計采用多功能組合方案。
結(jié)合力測定儀組成框圖如圖3—1所示。
3．1 機械部分
機械部分是結(jié)合力測定儀的核心部分。其結(jié)構(gòu)如圖3—2所示。
測力桿6是測量法向力P和切向力Q的傳感元件。劃針8用緊定螺釘7緊固其上。測力桿6結(jié)構(gòu)示意如圖3—3所示。
在測力桿上，設計了兩段相對較薄的部分，作為測力的彈性元件。它們之間相互垂直，分別用于測量法向力和切向力。在較薄部分的兩側(cè)對稱地粘貼著電阻應變片，各自組成測量電橋的兩個橋臂。測量時，法向力和切向力同時作用于劃針，使之分別被兩組應變片的變形來檢測。理論分析及實驗表明，由于測力桿上兩個較薄部分相互垂直，法向力和切向力又分別垂直于各自測量電橋所在的平面，加之兩側(cè)的應變片是相互對稱的，則該結(jié)構(gòu)的測力傳感器不僅可以同時測量法向力和切向力，而且它們是相互獨立的。
加載電機通過加載螺桿及滑塊，將電機的旋轉(zhuǎn)運動變成直線運動，使劃針壓入和遠離試塊，完成加載和卸載；與此同時，移動電機驅(qū)動滑移螺桿及偏轉(zhuǎn)支座，使固夾其上的試塊相對劃針水平往復運動。如此，兩個相對運動的復合，就實現(xiàn)了劃針對試塊的加載劃拭。
3．2 計算機數(shù)據(jù)采集與處理部分
結(jié)合力測定儀配置了以PC機為核心的數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)。由傳感元件從劃針得到的應變信號，經(jīng)兩個獨立的信號通道接入動態(tài)電阻應變儀；模擬信號經(jīng)應變儀放大、濾波，進入DATATAKER數(shù)據(jù)采集器，由其完成A／D轉(zhuǎn)換后輸入微機。微機通過程序控制DATATAKER進行數(shù)據(jù)采集，并完成數(shù)據(jù)處理。處理后的數(shù)據(jù)可繪制多種圖形。數(shù)據(jù)和圖形最終可打印輸出或通過顯示器拍照留存。
4 結(jié)合力測定儀的標定
結(jié)合力測定儀的標定分兩部分：法向力P的標定及切向力Q的標定。
為了考慮傳感器上兩路信號間的相互干擾，標定法向力P時，必須同時記錄兩個通道上的信號VPP及VPQ。其中VPQ表示法向力P對切向力Q通道信號的干擾。同理，標定切向力Q時，也必須同時記錄兩個通道上的信號VQQ及VQP，VQP表示切向力Q對法向力P通道信號的干擾。兩種載荷的標定方程如下：
1）法向力P的標定方程
2）切向力Q的標定方程
其中，VPP和VQQ為主標定信號，而VPQ及VQP分別為傳感器通道的干擾信號。
標定程序采用Quick BASIC語言編制，處理數(shù)據(jù)十分方便。同時由式（4—3）可以看到，法向力P對切向力Q通道干擾很�。↘PQ／KPP＝0．0625），而切向力Q對法向力P通道的干擾較大（KQP／KQQ＝0．211）。但是這種線性干擾可以在數(shù)據(jù)處理程序中通過解線性方程組來予以消除。
5 結(jié)束語
結(jié)合力測定儀屬小型多功能試驗儀器，首次將膜層結(jié)合力測試及模擬單顆粒磨損試驗功能組合于一體。試驗表明：它不僅可對膜層試塊進行結(jié)合力測試，還能對膜層及整體材料模擬單顆粒磨損試驗。其具備的功能如下：
1）測試各種膜層膜／基復合體系的結(jié)合力；測試膜／基復合體系參數(shù)（如膜厚、表面硬度、彈性模量等）對臨界載荷LC的影響；2）對膜層及整體材料模擬單顆粒磨損實驗；測試多種因素（如攻角、速度、載荷等）對膜層及整體材料單顆粒磨損特性的影響。
結(jié)合力測定儀具有如下特點：1）構(gòu)思新穎、結(jié)構(gòu)簡單、集多種功能于一體、實用方便；2）加載傾角可調(diào)，可實現(xiàn)自動遞增加載；數(shù)據(jù)采集與處理計算機化，測試結(jié)果可靠性高；3）可在原始數(shù)據(jù)的基礎上，繪制多種實驗報告曲線；4）兩種信號采樣頻率可調(diào)，響應頻率快，可精確捕捉加載開始及結(jié)束的全程信號。
綜上所述，結(jié)合力測定儀是測試膜／基復合體系結(jié)合力及模擬單顆粒磨損試驗的簡便實用的良好工具。
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摘自 北極星電技術(shù)網(wǎng)
