專利名稱：一種硬度檢測方法及其用途的制作方法
技術領域：
本發明涉及硬度檢測方法和硬度檢測裝置設計技術領域，特別提供了一種硬度檢測方法，其尤其適用于多元復合材料的硬度檢測。
背景技術：
復合材料與均質材料不同，力學性能的檢測有其特殊性，對于不同增(強、韌)相的復合材料，進行力學性能檢測也有差別，增強相復合材料一般進行壓縮或抗彎檢測，增韌相復合材料一般只能進行抗拉檢測，而硬度檢測對于大多數復合材料而言一直是難點，尤其是雙連續增強(三維整體泡沫陶瓷骨架增強相復合材料)金屬基復合材料的硬度檢測，目前尚未見報道。硬度檢測基本上屬于無損檢測，檢測后一般不影響被檢件的性能和使用，一般可以對工件或材料進行100%的檢測，其操作方便、簡單、快捷，是工程材料(工件)最基礎、最常用、最普通的力學性能檢測指標之一，尤其是在摩擦副的配對選擇和磨損工況條件下的材料選配時，硬度檢測指標是最重要和必須的檢測項目之一，但是由于復合材料的非均質性， 目前廣泛使用的硬度計量方法(布、洛、維、肖、理氏等)和設備均不能適用，原因是
1.復合材料呈不連續均質性，目前使用的硬度計壓頭產生的壓痕區域不能覆蓋增強、 韌相和基體(如洛、維、肖、理及顯微硬度的壓痕)，得到的硬度值可能是基體或是增強、韌相個體的硬度值，而非復合材料的整體(宏觀)硬度。2.復合材料一般為兩種有較大性能差異的材料結合而成，其強、韌性相差較大，目前使用的硬度計壓頭產生的壓痕深度為不均勻痕跡，且有一定量的塑性形變，硬度計壓頭產生的壓痕區域或能覆蓋增強、韌相和基體，這個較大不均勻深度的壓痕形變可能會導致復合材料中硬度較高、塑性較差的一組元被壓潰，導致所得的硬度值有悖于硬度檢測的基本理念，導致試驗數據失真，試驗失敗。綜上所述，到目前為止針對上述材料尚無一個可行、有效、適用、正確的硬度檢測方法。人們期望獲得一種技術效果更好的硬度檢測方法。
發明內容
本發明的目的是提供一種技術效果更好的旨在重點針對多元復合材料的硬度檢測方法。一種硬度檢測方法，其特征在于在硬度檢測過程中，借助于一種由特殊的端部為平面形狀的檢測壓頭對被檢測對象施加載荷，在被檢測對象的檢測表面獲得對應的壓痕， 并以此和所加載荷作為硬度檢測的依據。
本發明所述硬度檢測方法，進一步優選要求保護的內容如下所述硬度檢測方法中，要求預先設定預期達到的壓痕深度，并記錄壓頭載荷和壓下位移量。本系統首次在硬度計上使用了對壓頭施加載荷大小與壓頭壓下位移量的應力應變曲線測試系統，運用該系統對試驗(加載)過程中被檢樣品任一組元是否有壓潰現象進行監測，并可以利用上述系統控制壓頭壓入深度。本系統首次采用設定壓頭壓下量的控制方式，特別適于復合材料的硬度測試。
所述硬度檢測方法中，在預先設定預期達到的壓痕深度的基礎上，記錄所施加的載荷或/和極限載荷或/和最終的穩定載荷數值。所述硬度檢測方法中，使用檢測壓頭對被檢測對象施加的載荷具體是由小變大的漸變載荷或者先小后大的至少兩次載荷。所述的檢測壓頭滿足下述要求其端部為平面的結構形狀，按照與端部的距離由近及遠的順序，壓頭具體是橫截面面積越來越大的變截面結構。所述的檢測壓頭滿足下述要求其端部的平面結構為多邊形或者圓形或者橢圓形或者曲線多邊形。所述的檢測壓頭除了端部之外的其他部分是球體的一部分或者棱錐的一部分。關鍵是其橫截面尺寸逐漸放大。
所述硬度檢測方法中，其具體所采用的試驗控制方法是使用位移傳感器，控制壓頭壓下深度；使用力值傳感器測量所加載荷大小；
試驗過程中，隨著所加載荷的逐漸增加，壓頭逐漸壓入被檢材料，要求紀錄并顯示載荷與壓頭位移量；當壓頭壓下深度達到預定值時，停止加載，并計入下此時的載荷值，然后根據所加載荷與壓頭產生的壓痕面積計算出被檢材料的硬度值。系統自動根據所加載荷與壓頭產生的壓痕面積按特定的公式，計算出被檢材料的
硬度值。本方法(系統)亦可以用于均質材料的硬度檢測，并可以通過數學模擬和比對試驗建立本方法與其他硬度檢測方法的對應關系。
借助于檢測壓頭對被檢測對象施加先小后大的至少兩次載荷或者施加由小變大的漸變載荷的一種硬度檢測方法，其所述專用的硬度檢測壓頭的端部為平面結構，壓頭的其他部分為隨著和端部平面之間距離越來越大其橫截面面積也越來越大的變截面結構；其利用設定壓頭壓下深度的控制方式，專門用于檢測復合材料的整體(宏觀)硬度。
本發明的相關原理知識說明
到目前為止，人們針對“硬度”還沒有也無法下一個包括所有硬度實驗方法的、完整的、 確切的定義。對于以靜力壓入法進行的硬度試驗而言，一般認為，硬度就是一種物體抵抗另一種較硬物體壓入的能力，也就是物體抵抗彈性變形、塑性變形的能力。據此，可以推論解決復合材料的硬度檢測的關鍵問題就是
1)壓頭的形狀、尺寸使產生的壓痕應充分覆蓋復合材料的各組元；2)使被檢復合材料產生一定深度的壓痕(彈、塑性)，且其壓痕內的任一組元不應出現裂紋或壓潰；
3)這種硬度方法同樣適用均質材料，或與其它硬度方法建立對應關系。為有效地解決上述難題，本發明所述的硬度檢測系統使用了與傳統的、現在廣泛使用的各種硬度檢測設備顯著不同的原理和硬度獲取的方式，存在顯著差別的技術手段， 其特點在于
1、本發明所使用的硬度檢測系統所使用的壓頭(形狀、尺寸)與現有的硬度計不同。目前所有硬度檢測系統使用的壓頭形狀均為點接觸加漸變截面形狀，有以下幾種典型模式
A、球形壓頭其使用的硬度計包括布氏硬度(HBS或HBW)、里氏硬度(HL)、肖氏硬度(HS)、洛氏硬度和表面洛氏硬度的一部分(HRB\HRE\HRF\HRG\HRH\HRK\HR15T\HR30T\ HR45T)。B、金剛石圓錐壓頭用于(1 °)洛氏硬度和表面洛氏硬度的一部分(HRA\HRC\ HRD\HR15N\HR30N\HR45N)。C、金剛石正四棱錐壓頭用于(136°)維氏硬度(HV)。本發明所使用的硬度檢測系統選用的壓頭的獨特之處是平面加漸變截面形狀，壓頭平面尺寸的選擇應滿足其所產生的壓痕表面積能有效覆蓋被檢材料內的任一組元(壓痕內的增強、韌相的占有率>被檢復合材料的體積分數；其漸變截面的形狀可以是球體、圓錐體或其它形狀體(只要滿足隨壓頭的壓下深度增加，被檢試樣表面壓痕面積增大。例如使用球冠形壓頭時，隨壓頭的壓下深度增加，試樣表面圓形壓痕的直徑增大)。2、本發明所使用的硬度檢測系統其所根據的試驗控制原理(壓頭位移控制)與現有的不同
現在所有硬度檢測系統的試驗控制原理均為預先選定加載載荷的定載方式，用選定的載荷將壓頭壓入試樣表面，得到壓痕深度或面積，然后計算出硬度值。即選定載荷值，而壓頭壓入深度不定，如HRC載荷150kg ；HRB載荷IOOkg ；HBlO載荷3000kg或1500kg ；HV載荷 0. ^gdkgUOkg等，壓頭的壓下深度因被檢材料的軟硬差異而不同，硬度高時壓頭壓下深度小，反之亦然。本發明所使用的硬度檢測系統的試驗控制原理為預先選定壓痕深度或面積，然后測量所加載荷大小的非定載方式，即載荷逐漸增加，直至壓頭壓到預先選定深度時，停止加載，記錄此時載荷數值一 “載荷1”，保持規定時間后，再次記錄載荷數值——“載荷2”，材料的軟硬不同，對應的載荷就不同，得到的硬度值也不同。3、本發明所使用的硬度檢測系統首次在硬度計上使用了“壓頭載荷一壓下位移” 曲線測試系統(對壓頭施加載荷大小與壓頭壓下位移量的應力應變曲線測試系統)，運用該系統對試驗(加載)過程中被檢樣品任一組元是否有壓潰現象進行監測，并可以利用上述曲線控制壓頭壓入深度。4、本發明所使用的硬度檢測系統建立了不同的壓痕面積計算方式、方法；
在硬度檢測方法中，使用的壓頭有別于現有的硬度檢測方法中通常使用的壓頭形狀， 因而其壓痕面積的計量方式亦有不同，本系統中根據所選壓頭形狀建立了計算壓痕面積的不同方法。
5、本發明所使用的硬度檢測系統的硬度值可以是“載荷1”或“載荷2”除以壓痕表面積所得的商，也可以是通過分次加載(卸載)到不同載荷值時，載荷與壓頭壓入深度的關系，利用特編軟件系統自動計算出硬度值。本方法的硬度計算公式為Hs=K*F/S (K-修正系數、F-測試過程中指定壓痕壓下深度時對應的載荷值、S-測試過程中指定壓痕壓下深度時壓痕的表面積)
6、本發明所使用的硬度檢測系統可以建立新方法與其它硬度方法的對應關系。在均質金屬材料上，使用該檢測方法，檢測其硬度指標，建立新檢驗方法取得的硬度值與現有硬度試驗方法(布、洛、維、肖、理氏等)所得硬度值之間的函數(對照)關系；使新檢測方法與傳統(現用)的硬度檢測方法可以兼容和互補，使其各方法所獲得的檢測(硬度) 值可以比照，為復合材料和均質材料的硬度比對，提供一個試驗參考體系。
下面結合附圖及實施方式對本發明作進一步詳細的說明
圖1為硬度檢測系統結構示意圖；圖1中各個數字標號含義如下位移控制系統1、加載系統2、顯示屏3、測力傳感器4、物鏡5、轉換頭6、載物臺7、支撐系統8、加載伺服系統9 ； 轉換頭6的端部安裝有檢測壓頭； 圖2為電控部分構成原理圖； 圖3為錐臺形檢測壓頭結構示意圖； 圖4為圖3的仰視圖； 圖5為球冠檢測壓頭結構示意圖； 圖6為圖5的仰視圖； 圖7為正方形棱錐檢測壓頭結構示意圖； 圖8為圖7的仰視圖
圖9為實施例1-3中不同尺寸圓錐壓頭的應變量與應力圖10為實施例2中試驗(加載)過程中測量并顯示得到的不同體積分數Al基復合材料的應力-應變曲線；
圖11為實施例3中試驗(加載)過程中測量并顯示得到的不同基體復合材料的應力-應變曲線；
圖12為實施例4中不同尺寸球冠壓頭壓入的強度值對比； 圖13為實施例4中不同尺寸正方形棱錐壓頭壓入的強度值對比。
具體實施例方式
實施例1
使用圖3、4所示錐臺形檢測壓頭對所選體積分數中最小體積分數(27. 7%)的鋁基復合材料我們使用本系統進行壓頭尺寸摸索試驗，選擇本系統獨創的平面壓頭(參見圖3、4端面為Φ6πιπι、Φ8mm, Φ 10mm, Φ 12mm圓錐)利用本系統的獨特功能(對壓頭施加載荷大小與壓頭壓下位移量的應力-應變曲線測試系統)，在試驗(加載)過程中測量并顯示應力-應變
6曲線。以此對被檢樣品在不同壓頭尺寸狀態下，產生的壓痕對復合材料內各組元是否被有效覆蓋進行檢測(確定被檢材料應選擇壓頭的最小尺寸)。圖9為采用不同尺寸的圓錐壓頭進行試驗時，不同應變量下的應力圖，從中可以看出對應于上述體積分數(27. 7%)的復合材料，當壓頭端面直徑> Φ8πιπι時已均勻地覆蓋了上述被檢材料。
實施例2
使用圖3、4所示錐臺形檢測壓頭對不同體積分數的(27. 7% 30.98% 40. 2% )鋁基復合材料我們使用本系統進行壓頭壓入深度和硬度檢測參數摸索試驗，選擇本系統獨創的平面壓頭(端面為OlOmm圓錐一確保硬度計壓頭產生的壓痕區域或能覆蓋增強、韌相和基體) 利用本系統的獨特功能(對壓頭施加載荷大小與壓頭壓下位移量的應力-應變曲線測試系統)，在試驗(加載)過程中測量并顯示應力-應變曲線如圖10所示。以此對被檢樣品任一組元是否有壓潰現象進行檢測(確定被檢材料的壓潰深度)。并利用獨特的控制方式(深度控制系統)控制壓頭壓入深度才復合材料的壓潰深度，(確保實驗過程中，硬度計壓頭產生的壓痕形變不會導致復合材料中硬度較高、塑性較差的一組元被壓潰，使硬度檢測的結果科學、真實、可靠)，如在圖10中可看出，針對不同體積分數的(27. 7% 30.98% 40. 2% )被檢復合材料，選擇壓頭壓入的合理深度為氺4%，以此對被檢材料進行硬度試驗，并利用新公式進行計算，得出其硬度值分別為一(Hs1(i=301、326、 422)。
實施例3
使用圖3、4所示錐臺形檢測壓頭對鋁、銅、鐵基復合材料我們使用本系統進行硬度檢測參數摸索試驗，選擇本系統獨創的平面壓頭(端面為Φ IOmm的圓錐)利用本系統的獨特功能(對壓頭施加載荷大小與壓頭壓下位移量的應力-應變曲線測試系統)，在試驗(加載)過程中測量并顯示應力-應變曲線如圖11所示。以此對被檢樣品任一組元是否有壓潰現象進行檢測(確定被檢材料的壓潰深度)。可以看出不同基體的復合材料，其相對應的壓潰深度不同，在硬度試驗中應有不同選擇。
實施例4
使用圖5、6所示球冠檢測壓頭對體積分數27. 7%的鋁基復合材料進行摸索試驗，選擇端面為Φ6πιπι、Φ8πιπι、Φ 10mm、Φ 12mm球冠利用本系統的獨特功能(對壓頭施加載荷大小與壓頭壓下位移量的應力-應變曲線測試系統)，得到的不同尺寸球冠壓頭在應變4%的應力值對比如圖12所示。圖12可以看出對應于體積分數(27. 7%)的復合材料，當球冠壓頭端面直徑 ^ Φ8mm時已均勻地覆蓋了上述被檢材料。
實施例5
使用圖5、6所示球冠檢測壓頭對體積分數27. 7%的鋁基復合材料進行摸索試驗，選擇正方形端面的邊長L分別為5mm、7mm、9mm、10mm，利用本系統的獨特功能(對壓頭施加載荷大小與壓頭壓下位移量的應力應變-曲線測試系統)，得到的不同尺寸正方形棱錐壓頭的壓入應力值對比如圖13所示。 由圖13可以看出對應于體積分數(27. 7%)的復合材料，當正方形邊長彡7mm時已均勻地覆蓋了上述被檢材料。
權利要求
1.一種硬度檢測方法，其特征在于在硬度檢測過程中，借助于一種由特殊的端部為平面形狀的檢測壓頭對被檢測對象施加載荷，在被檢測對象的檢測表面獲得對應的壓痕， 并以此和所加載荷作為硬度檢測的依據。
2.按照權利要求1所述硬度檢測方法，其特征在于所述硬度檢測方法中，要求預先設定預期達到的壓痕深度，并記錄壓頭載荷和壓下位移量。
3.按照權利要求2所述硬度檢測方法，其特征在于所述硬度檢測方法中，在預先設定預期達到的壓痕深度的基礎上，記錄施加的載荷或/和極限載荷或/和最終的穩定載荷數值。
4.按照權利要求1或2所述硬度檢測方法，其特征在于所述硬度檢測方法中，使用檢測壓頭對被檢測對象施加的載荷具體是由小變大的漸變載荷或者先小后大的至少兩次載荷。
5.按照權利要求1或2或3所述硬度檢測方法，其特征在于所述的檢測壓頭滿足下述要求其端部為平面的結構形狀，按照與端部的距離由近及遠的順序，壓頭具體是橫截面面積越來越大的變截面結構。
6.按照權利要求3所述硬度檢測方法，其特征在于所述的檢測壓頭滿足下述要求其端部的平面結構為多邊形或者圓形或者橢圓形或者曲線多邊形。
7.按照權利要求5所述硬度檢測方法，其特征在于所述的檢測壓頭除了端部之外的其他部分是球體的一部分或者棱錐的一部分。
8.按照權利要求4所述硬度檢測方法，其特征在于所述硬度檢測方法中，其具體所采用的試驗控制方法是使用位移傳感器，控制壓頭壓下深度；使用力值傳感器測量所加載荷大小；試驗過程中，隨著所加載荷的逐漸增加，壓頭逐漸壓入被檢材料，要求紀錄并顯示載荷與壓頭位移量；當壓頭壓下深度達到預定值時，停止加載，并計入下此時的載荷值，然后根據所加載荷與壓頭產生的壓痕面積計算出被檢材料的硬度值。
9.借助于檢測壓頭對被檢測對象施加先小后大的至少兩次載荷或者施加由小變大的漸變載荷的一種硬度檢測方法，其所述專用的硬度檢測壓頭的端部為平面結構，壓頭的其他部分為隨著和端部平面之間距離越來越大其橫截面面積也越來越大的變截面結構；其利用設定壓頭壓下深度的控制方式，專門用于檢測復合材料的整體硬度。
全文摘要
一種硬度檢測方法，其特征在于在硬度檢測過程中，借助于一種由特殊的端部為平面形狀的檢測壓頭對被檢測對象施加載荷，在被檢測對象的檢測表面獲得對應的壓痕，并以此和所加載荷作為硬度檢測的依據。本發明創造性地解決了以多元復合材料為代表的硬度檢測的技術難題，本發明所使用的硬度檢測系統還可以借此建立不同的壓痕面積計算方式、方法；本發明所述檢測方法與傳統的硬度檢測方法可以兼容和互補，使其各方法所獲得的檢測(硬度)值可以比照，為復合材料和均質材料的硬度比對提供了一個試驗參考體系。
文檔編號G01N3/44GK102478474SQ20101056058
公開日2012年5月30日 申請日期2010年11月26日 優先權日2010年11月26日
發明者王嚴巖 申請人:王嚴巖