CN102478474A

CN102478474A - 一种硬度检测方法及其用途

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Publication number: CN102478474A
Application number: CN2010105605869A
Authority: CN
Inventors: 王严岩
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2010-11-26
Filing date: 2010-11-26
Publication date: 2012-05-30

Abstract

一种硬度检测方法，其特征在于：在硬度检测过程中，借助于一种由特殊的端部为平面形状的检测压头对被检测对象施加载荷，在被检测对象的检测表面获得对应的压痕，并以此和所加载荷作为硬度检测的依据。本发明创造性地解决了以多元复合材料为代表的硬度检测的技术难题，本发明所使用的硬度检测系统还可以借此建立不同的压痕面积计算方式、方法；本发明所述检测方法与传统的硬度检测方法可以兼容和互补，使其各方法所获得的检测（硬度）值可以比照，为复合材料和均质材料的硬度比对提供了一个试验参考体系。

Description

一种硬度检测方法及其用途

技术领域

本发明涉及硬度检测方法和硬度检测装置设计技术领域，特别提供了一种硬度检测方法，其尤其适用于多元复合材料的硬度检测。

背景技术

复合材料与均质材料不同，力学性能的检测有其特殊性，对于不同增（强、韧)相的复合材料，进行力学性能检测也有差别，增强相复合材料一般进行压缩或抗弯检测，增韧相复合材料一般只能进行抗拉检测，而硬度检测对于大多数复合材料而言一直是难点，尤其是双连续增强（三维整体泡沫陶瓷骨架增强相复合材料）金属基复合材料的硬度检测，目前尚未见报道。

硬度检测基本上属于无损检测，检测后一般不影响被检件的性能和使用，一般可以对工件或材料进行100%的检测，其操作方便、简单、快捷，是工程材料（工件）最基础、最常用、最普通的力学性能检测指标之一，尤其是在摩擦副的配对选择和磨损工况条件下的材料选配时，硬度检测指标是最重要和必须的检测项目之一，但是由于复合材料的非均质性，目前广泛使用的硬度计量方法（布、洛、维、肖、理氏等）和设备均不能适用，原因是：

1．复合材料呈不连续均质性，目前使用的硬度计压头产生的压痕区域不能覆盖增强、韧相和基体（如洛、维、肖、理及显微硬度的压痕），得到的硬度值可能是基体或是增强、韧相个体的硬度值，而非复合材料的整体（宏观）硬度。

2．复合材料一般为两种有较大性能差异的材料结合而成，其强、韧性相差较大，目前使用的硬度计压头产生的压痕深度为不均匀痕迹，且有一定量的塑性形变，硬度计压头产生的压痕区域或能覆盖增强、韧相和基体，这个较大不均匀深度的压痕形变可能会导致复合材料中硬度较高、塑性较差的一组元被压溃，导致所得的硬度值有悖于硬度检测的基本理念，导致试验数据失真，试验失败。

综上所述，到目前为止针对上述材料尚无一个可行、有效、适用、正确的硬度检测方法。人们期望获得一种技术效果更好的硬度检测方法。

发明内容

本发明的目的是提供一种技术效果更好的旨在重点针对多元复合材料的硬度检测方法。

一种硬度检测方法，其特征在于：在硬度检测过程中，借助于一种由特殊的端部为平面形状的检测压头对被检测对象施加载荷，在被检测对象的检测表面获得对应的压痕，并以此和所加载荷作为硬度检测的依据。

本发明所述硬度检测方法，进一步优选要求保护的内容如下：

所述硬度检测方法中，要求预先设定预期达到的压痕深度，并记录压头载荷和压下位移量。

本系统首次在硬度计上使用了对压头施加载荷大小与压头压下位移量的应力应变曲线测试系统，运用该系统对试验（加载）过程中被检样品任一组元是否有压溃现象进行监测，并可以利用上述系统控制压头压入深度。

本系统首次采用设定压头压下量的控制方式，特别适于复合材料的硬度测试。

所述硬度检测方法中，在预先设定预期达到的压痕深度的基础上，记录所施加的载荷或／和极限载荷或／和最终的稳定载荷数值。

所述硬度检测方法中，使用检测压头对被检测对象施加的载荷具体是由小变大的渐变载荷或者先小后大的至少两次载荷。

所述的检测压头满足下述要求：其端部为平面的结构形状，按照与端部的距离由近及远的顺序，压头具体是横截面面积越来越大的变截面结构。

所述的检测压头满足下述要求：其端部的平面结构为多边形或者圆形或者椭圆形或者曲线多边形。

所述的检测压头除了端部之外的其他部分是球体的一部分或者棱锥的一部分。关键是其横截面尺寸逐渐放大。

所述硬度检测方法中，其具体所采用的试验控制方法是：使用位移传感器，控制压头压下深度；使用力值传感器测量所加载荷大小；

试验过程中，随着所加载荷的逐渐增加，压头逐渐压入被检材料，要求纪录并显示载荷与压头位移量；当压头压下深度达到预定值时，停止加载，并计入下此时的载荷值，然后根据所加载荷与压头产生的压痕面积计算出被检材料的硬度值。

系统自动根据所加载荷与压头产生的压痕面积按特定的公式，计算出被检材料的硬度值。

本方法（系统）亦可以用于均质材料的硬度检测，并可以通过数学模拟和比对试验建立本方法与其他硬度检测方法的对应关系。

借助于检测压头对被检测对象施加先小后大的至少两次载荷或者施加由小变大的渐变载荷的一种硬度检测方法，其所述专用的硬度检测压头的端部为平面结构，压头的其他部分为随着和端部平面之间距离越来越大其横截面面积也越来越大的变截面结构；其利用设定压头压下深度的控制方式，专门用于检测复合材料的整体（宏观）硬度。

本发明的相关原理知识说明：

到目前为止，人们针对“硬度”还没有也无法下一个包括所有硬度实验方法的、完整的、确切的定义。对于以静力压入法进行的硬度试验而言，一般认为，硬度就是一种物体抵抗另一种较硬物体压入的能力，也就是物体抵抗弹性变形、塑性变形的能力。据此，可以推论：解决复合材料的硬度检测的关键问题就是：

1）压头的形状、尺寸使产生的压痕应充分覆盖复合材料的各组元；

2）使被检复合材料产生一定深度的压痕（弹、塑性），且其压痕内的任一组元不应出现裂纹或压溃；

3）这种硬度方法同样适用均质材料，或与其它硬度方法建立对应关系。

为有效地解决上述难题，本发明所述的硬度检测系统使用了与传统的、现在广泛使用的各种硬度检测设备显著不同的原理和硬度获取的方式，存在显著差别的技术手段，其特点在于：

1、本发明所使用的硬度检测系统所使用的压头（形状、尺寸）与现有的硬度计不同。

目前所有硬度检测系统使用的压头形状均为点接触加渐变截面形状，有以下几种典型模式：

A、球形压头：其使用的硬度计包括布氏硬度（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、金刚石圆锥压头：用于(126^o)洛氏硬度和表面洛氏硬度的一部分（HRA\HRC\HRD\HR15N\HR30N\HR45N）。

C 、金刚石正四棱锥压头：用于(136^o)维氏硬度（HV）。

本发明所使用的硬度检测系统选用的压头的独特之处是平面加渐变截面形状，压头平面尺寸的选择应满足：其所产生的压痕表面积能有效覆盖被检材料内的任一组元（压痕内的增强、韧相的占有率≥被检复合材料的体积分数；其渐变截面的形状可以是球体、圆锥体或其它形状体（只要满足随压头的压下深度增加，被检试样表面压痕面积增大。例如使用球冠形压头时，随压头的压下深度增加，试样表面圆形压痕的直径增大）。

2、本发明所使用的硬度检测系统其所根据的试验控制原理（压头位移控制）与现有的不同

现在所有硬度检测系统的试验控制原理均为预先选定加载载荷的定载方式，用选定的载荷将压头压入试样表面，得到压痕深度或面积，然后计算出硬度值。即选定载荷值，而压头压入深度不定，如HRC载荷150kg；HRB载荷100kg；HB10载荷3000kg或1500kg；HV载荷0.2kg、5kg、10kg等，压头的压下深度因被检材料的软硬差异而不同，硬度高时压头压下深度小，反之亦然。

本发明所使用的硬度检测系统的试验控制原理为预先选定压痕深度或面积，然后测量所加载荷大小的非定载方式，即载荷逐渐增加，直至压头压到预先选定深度时，停止加载，记录此时载荷数值—“载荷1”，保持规定时间后，再次记录载荷数值——“载荷2”，材料的软硬不同，对应的载荷就不同，得到的硬度值也不同。

3、本发明所使用的硬度检测系统首次在硬度计上使用了“压头载荷—压下位移”曲线测试系统（对压头施加载荷大小与压头压下位移量的应力应变曲线测试系统），运用该系统对试验（加载）过程中被检样品任一组元是否有压溃现象进行监测，并可以利用上述曲线控制压头压入深度。

4、本发明所使用的硬度检测系统建立了不同的压痕面积计算方式、方法；

在硬度检测方法中，使用的压头有别于现有的硬度检测方法中通常使用的压头形状，因而其压痕面积的计量方式亦有不同，本系统中根据所选压头形状建立了计算压痕面积的不同方法。

5、本发明所使用的硬度检测系统的硬度值可以是“载荷1”或“载荷2”除以压痕表面积所得的商，也可以是通过分次加载（卸载）到不同载荷值时，载荷与压头压入深度的关系，利用特编软件系统自动计算出硬度值。本方法的硬度计算公式为：Hs=K*F/S（K-修正系数、F-测试过程中指定压痕压下深度时对应的载荷值、S-测试过程中指定压痕压下深度时压痕的表面积）

6、本发明所使用的硬度检测系统可以建立新方法与其它硬度方法的对应关系。

在均质金属材料上，使用该检测方法，检测其硬度指标，建立新检验方法取得的硬度值与现有硬度试验方法（布、洛、维、肖、理氏等）所得硬度值之间的函数（对照）关系；使新检测方法与传统（现用）的硬度检测方法可以兼容和互补，使其各方法所获得的检测（硬度）值可以比照，为复合材料和均质材料的硬度比对，提供一个试验参考体系。

附图说明

下面结合附图及实施方式对本发明作进一步详细的说明：

图1为硬度检测系统结构示意图；图1中各个数字标号含义如下：位移控制系统1、加载系统2、显示屏3、测力传感器4、物镜5、转换头6、载物台7、支撑系统8、加载伺服系统9；转换头6的端部安装有检测压头；

图2为电控部分构成原理图；

图3为锥台形检测压头结构示意图；

图4为图3的仰视图；

图5为球冠检测压头结构示意图；

图6为图5的仰视图；

图7为正方形棱锥检测压头结构示意图；

图8为图7的仰视图

图9为实施例1-3中不同尺寸圆锥压头的应变量与应力图；

图10为实施例2中试验（加载）过程中测量并显示得到的不同体积分数Al基复合材料的应力-应变曲线；

图11为实施例3中试验（加载）过程中测量并显示得到的不同基体复合材料的应力-应变曲线；

图12为实施例4中不同尺寸球冠压头压入的强度值对比；

图13为实施例4中不同尺寸正方形棱锥压头压入的强度值对比。

具体实施方式

实施例1

使用图3、4所示锥台形检测压头对所选体积分数中最小体积分数（27.7%）的铝基复合材料我们使用本系统进行压头尺寸摸索试验，选择本系统独创的平面压头（参见图3、4端面为Ф6mm、Ф8mm、Ф10mm、Ф12mm圆锥）利用本系统的独特功能（对压头施加载荷大小与压头压下位移量的应力-应变曲线测试系统），在试验（加载）过程中测量并显示应力-应变曲线。以此对被检样品在不同压头尺寸状态下，产生的压痕对复合材料内各组元是否被有效覆盖进行检测（确定被检材料应选择压头的最小尺寸）。

图9为采用不同尺寸的圆锥压头进行试验时，不同应变量下的应力图,从中可以看出：对应于上述体积分数（27.7%）的复合材料，当压头端面直径≥Ф8mm时已均匀地覆盖了上述被检材料。

实施例2

使用图3、4所示锥台形检测压头对不同体积分数的（27.7% 30.98% 40.2% ）铝基复合材料我们使用本系统进行压头压入深度和硬度检测参数摸索试验，选择本系统独创的平面压头（端面为Ф10mm圆锥—确保硬度计压头产生的压痕区域或能覆盖增强、韧相和基体）利用本系统的独特功能（对压头施加载荷大小与压头压下位移量的应力-应变曲线测试系统），在试验（加载）过程中测量并显示应力-应变曲线如图10所示。以此对被检样品任一组元是否有压溃现象进行检测（确定被检材料的压溃深度）。

并利用独特的控制方式（深度控制系统）控制压头压入深度≯复合材料的压溃深度，（确保实验过程中，硬度计压头产生的压痕形变不会导致复合材料中硬度较高、塑性较差的一组元被压溃，使硬度检测的结果科学、真实、可靠），如在图10中可看出，针对不同体积分数的（27.7% 30.98% 40.2% ）被检复合材料，选择压头压入的合理深度为≯4%，以此对被检材料进行硬度试验，并利用新公式进行计算，得出其硬度值分别为—（Hs₁₀=301、326、422）。

实施例3

使用图3、4所示锥台形检测压头对铝、铜、铁基复合材料我们使用本系统进行硬度检测参数摸索试验，选择本系统独创的平面压头（端面为Ф10mm的圆锥）利用本系统的独特功能（对压头施加载荷大小与压头压下位移量的应力-应变曲线测试系统），在试验（加载）过程中测量并显示应力-应变曲线如图11所示。以此对被检样品任一组元是否有压溃现象进行检测（确定被检材料的压溃深度）。可以看出不同基体的复合材料，其相对应的压溃深度不同，在硬度试验中应有不同选择。

实施例4

使用图5、6所示球冠检测压头对体积分数27.7%的铝基复合材料进行摸索试验，选择端面为Ф6mm、Ф8mm、Ф10mm、Ф12mm球冠利用本系统的独特功能（对压头施加载荷大小与压头压下位移量的应力-应变曲线测试系统），得到的不同尺寸球冠压头在应变4%的应力值对比如图12所示。

图12可以看出：对应于体积分数（27.7%）的复合材料，当球冠压头端面直径≥Ф8mm时已均匀地覆盖了上述被检材料。

实施例5

使用图5、6所示球冠检测压头对体积分数27.7%的铝基复合材料进行摸索试验，选择正方形端面的边长L分别为5mm、7mm、9mm、10mm，利用本系统的独特功能（对压头施加载荷大小与压头压下位移量的应力应变-曲线测试系统），得到的不同尺寸正方形棱锥压头的压入应力值对比如图13所示。

由图13可以看出：对应于体积分数（27.7%）的复合材料，当正方形边长≥7mm时已均匀地覆盖了上述被检材料。

Claims

1.一种硬度检测方法，其特征在于：在硬度检测过程中，借助于一种由特殊的端部为平面形状的检测压头对被检测对象施加载荷，在被检测对象的检测表面获得对应的压痕，并以此和所加载荷作为硬度检测的依据。

2.按照权利要求1所述硬度检测方法，其特征在于：所述硬度检测方法中，要求预先设定预期达到的压痕深度，并记录压头载荷和压下位移量。

3.按照权利要求2所述硬度检测方法，其特征在于：所述硬度检测方法中，在预先设定预期达到的压痕深度的基础上，记录施加的载荷或／和极限载荷或／和最终的稳定载荷数值。

4.按照权利要求1或2所述硬度检测方法，其特征在于：所述硬度检测方法中，使用检测压头对被检测对象施加的载荷具体是由小变大的渐变载荷或者先小后大的至少两次载荷。

5.按照权利要求1或2或3所述硬度检测方法，其特征在于：所述的检测压头满足下述要求：其端部为平面的结构形状，按照与端部的距离由近及远的顺序，压头具体是横截面面积越来越大的变截面结构。

6.按照权利要求3所述硬度检测方法，其特征在于：所述的检测压头满足下述要求：其端部的平面结构为多边形或者圆形或者椭圆形或者曲线多边形。

7.按照权利要求5所述硬度检测方法，其特征在于：所述的检测压头除了端部之外的其他部分是球体的一部分或者棱锥的一部分。

8.按照权利要求4所述硬度检测方法，其特征在于：所述硬度检测方法中，其具体所采用的试验控制方法是：使用位移传感器，控制压头压下深度；使用力值传感器测量所加载荷大小；

9.借助于检测压头对被检测对象施加先小后大的至少两次载荷或者施加由小变大的渐变载荷的一种硬度检测方法，其所述专用的硬度检测压头的端部为平面结构，压头的其他部分为随着和端部平面之间距离越来越大其横截面面积也越来越大的变截面结构；其利用设定压头压下深度的控制方式，专门用于检测复合材料的整体硬度。