CN102901679A - 基于激光冲击效应的材料动态硬度测试装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于激光冲击效应的材料动态硬度测试装置及方法，首先，开启并预热激光器，测量激光的平均功率并计算激光单脉冲能量E；之后，在被测试样表面覆盖一层吸收层，通过夹具将被测试样固定于特制容器中；然后，操作数控平台，使激光束对准试样待测试的位置；打开进水管，在被测试样表面通入流动水膜，在吸收层上方形成约束层；此时使激光束入射至被测试样表面，在被测试样表面冲击出一个微小凹坑；最后，测量微小凹坑的体积V，通过计算激光单脉冲能量E与微坑体积V的比值得到被测材料的动态硬度H_d。本发明具有结构简单、操作方便、应变率高、测量速度快且测量精度高的优点。

Description

基于激光冲击效应的材料动态硬度测试装置及方法

技术领域

本发明涉及材料硬度测试领域，具体地，涉及一种基于激光冲击效应的材料动态硬度测试装置及方法。

背景技术

硬度是衡量金属材料软硬程度的一项重要性能指标，体现了材料局部抵抗残余变形的能力。硬度不是一个简单的物理概念，而是材料弹性、塑性、强度和韧性等力学性能的综合指标。硬度测试目前分为静态硬度测试与动态硬度测试两类方法。其中静态硬度测试法主要包括布氏硬度、洛氏硬度、维氏硬度等测试方法，它们的测量原理是以一定大小的载荷，以特定形状的压头缓慢压入被测金属表面，保持一段时间后卸载，此时测量压痕的面积或深度，最终用载荷与压痕深度或面积的比值作为被测材料的硬度值。静态硬度反映了材料在准静态过程中的力学性能，但研究表明，多数材料的塑性变形行为具有应变率相关性，在高应变率时，多数材料的力学性能会有不同程度的提高，因此有必要研究材料的动态硬度测试方法。动态硬度测试法目前主要包括肖氏硬度和里氏硬度两种测量方法，它们是利用一定形状的冲击体冲击被测试样表面，将冲击体反弹速度与冲击速度的比值作为该材料的硬度值。同时，也有学者将冲击体的动能与被测试样上压痕体积的比值作为动态硬度，采用该方法表征动态硬度的优点是，对于不同形状的冲击体，测得的动态硬度保持一致。动态硬度反映的是材料在较高应变率下的力学性能，但由于冲击体所能达到的入射速度有限，以上两种动态硬度测试方法所涉及的材料应变率范围均低于10⁴s^-1。随着人们对高速碰撞、高速冲击等超高应变率现象的深入关注，急需研究材料在超高应变率条件下的力学行为，因而有必要发明一种在超高应变率条件下材料动态硬度的测试装置及方法。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是借助激光冲击的高应变率（>10⁶s^-1）特性，提供一种在高应变率条件下材料动态硬度的测试装置及相应的测试方法。

根据本发明的一个方面，提供一种基于激光冲击效应的材料动态硬度测试装置，包括：用以输出激光束的激光器、第一反射镜、第二反射镜、第三反射镜、透镜、容器、约束层、吸收层、夹具、隔振平台、数控平台、出水管、进水管。激光器和数控平台设置在隔振平台上，容器设置在数控平台上与数控平台连接，夹具设置在容器底部，用以固定被测试样。吸收层覆盖在被测试样表面，用以隔绝激光的热效应并吸收激光能量，形成GPa量级的冲击压力。进水管穿设于容器侧壁，用以通入流动水，在吸收层上形成约束层，约束层的作用是约束等离子体的膨胀，从而增大冲击压力峰值并延长冲击压力作用时间。出水管设置在容器下方，用以排水。第一反射镜、第二反射镜和第三反射镜依次分布设置在激光器和容器之间，用以形成激光束的传播光路，将激光束反射到被测试样上。透镜设置在第三反射镜和容器之间，用以调节激光束入射到被测试样上的激光光斑大小。

优选地，激光器输出的激光束为高功率短脉冲激光束。

优选地，吸收层为黑色的聚四氟乙烯绝缘胶带。

优选地，约束层为一层流动水膜。

根据本发明的另一个方面，提供一种基于激光冲击效应的材料动态硬度测试方法，包括以下步骤：

步骤一，开启并预热激光器，测量激光的平均功率

并计算激光单脉冲能量E；

步骤二，在被测试样表面覆盖一层吸收层，通过夹具将被测试样固定于特制容器中；

步骤三，操作数控平台，使激光束对准试样待测试的位置；

步骤四，打开进水管，在被测试样表面通入流动水膜，在吸收层上方形成约束层；

步骤五，使激光束入射至被测试样表面，在被测试样表面冲击出一个微小凹坑；

步骤六，测量微小凹坑的体积V，通过计算激光单脉冲能量E与微坑体积V的比值得到被测材料的动态硬度H_d，即H_d＝E/V。

优选地，步骤一中采用以下公式计算激光脉冲能量：

$E=\stackrel{\‾}{P}/f,$

其中，f为激光脉冲的重复频率。

优选地，步骤四和步骤五之间还包括：上下移动透镜，调节入射到被测试样上的激光光斑至合适大小。

优选地，步骤一中采用激光功率计测量激光的平均功率

步骤七中采用三维光学表面轮廓仪测量微小凹坑的体积V。

优选地，激光束为高功率短脉冲激光束。

本发明的动态硬度测试装置及方法采用基于激光冲击的力效应对材料硬度进行测试，以激光单脉冲的能量与微坑体积的比值作为材料动态硬度，可以准确测量被测材料在高应变率（>10⁶s^-1）条件下的动态硬度，弥补了当前动态硬度测试应变率不够高的不足。与现有技术相比，本发明具有结构简单、操作方便、应变率高、测量速度快且测量精度高的优点。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为本发明基于激光冲击效应的材料动态硬度测试装置的结构示意图。

图中：1为激光器，2为第一反射镜，3为第二反射镜，4为激光束，5为第三反射镜，6为透镜，7为容器，8为约束层，9为吸收层，10为被测试样，11为夹具，12为隔振平台，13为数控平台，14为出水管，15为进水管。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。

请参阅图1，一种基于激光冲击效应的材料动态硬度测试装置，包括：用以输出激光束4的激光器1、第一反射镜2、第二反射镜3、第三反射镜5、透镜6、容器7、约束层8、吸收层9、夹具11、隔振平台12、数控平台13、出水管14和进水管15，激光器1和数控平台13放置在隔振平台12上，容器7设置在数控平台13上与数控平台13连接，夹具11设置在容器7底部，用以固定被测试样10，吸收层9覆盖在被测试样10表面，用以隔绝激光的热效应并吸收激光能量，形成GPa量级的冲击压力。进水管15穿设于容器7侧壁，用以通入流动水，在吸收层9上形成约束层8，约束层8的作用是约束等离子体的膨胀，从而增大冲击压力峰值并延长冲击压力作用时间。出水管14设置在容器7下方，用以排水。第一反射镜2、第二反射镜3和第三反射镜5依次分布设置在激光器1和容器7之间，用以形成激光束4的传播光路，将激光束4反射到被测试样10上。透镜6设置在第三反射镜5和容器7之间，用以调节激光束4入射到被测试样10上的激光光斑大小。

激光束4从激光器1输出后，经过反射镜2、3、5的反射，并通过透镜6的聚焦，入射到被测试样10上。透镜6可上下移动，从而调节入射到被测试样10上的激光光斑直径。容器7固定在数控平台13上，其为半封闭结构，上部中间位置设置有开孔，用以入射激光束4。被测试样10由夹具11固定在容器7底部，约束层8的施加由进水管15和出水管14完成，进水管15的进水量由流量计控制，以保证约束层厚度的稳定性。数控平台13由电脑控制移动，使激光束4能精确对准被测位置。

具体的，激光器1输出的激光束4为高功率短脉冲激光束。吸收层9为黑色的聚四氟乙烯绝缘胶带。约束层8为由进水管15和出水管14施加的一层流动水膜。

基于上述的基于激光冲击效应的材料动态硬度测试装置，本发明还提供一种基于激光冲击效应的材料动态硬度测试方法，包括以下步骤：

步骤一，开启并预热激光器，测量激光的平均功率

并计算激光单脉冲能量E。

激光束为高功率短脉冲激光束，激光的平均功率

通过激光功率计测量得到，激光脉冲能量采用下式计算：

$E=\stackrel{\‾}{P}/f,$

其中，f为激光脉冲的重复频率。

步骤二，在被测试样表面覆盖一层吸收层，通过夹具将被测试样固定于特制容器中。

步骤三，操作数控平台，使激光束对准试样待测试的位置。

步骤四，打开进水管，在被测试样表面通入流动水膜，在吸收层上方形成约束层。

步骤五，使激光束入射至被测试样表面，在被测试样表面冲击出一个微小凹坑。

步骤六，测量微小凹坑的体积V，通过计算激光单脉冲能量E与微坑体积V的比值得到被测材料的动态硬度H_d，即H_d＝E/V。

具体可采用三维光学表面轮廓仪测量微小凹坑的体积V，将试样取下后，用三维光学表面仪扫描试样表面的微小凹坑，可直接读取微小凹坑的体积。

上述方法中，步骤四和步骤五之间还包括：上下移动透镜，调节入射到被测试样上的激光光斑至合适大小。

本发明的动态硬度测试装置及方法采用基于激光冲击的力效应对材料硬度进行测试，以激光单脉冲的能量与微坑体积的比值作为材料动态硬度，可以准确测量被测材料在高应变率（>10⁶s^-1）条件下的动态硬度，弥补了当前动态硬度测试应变率不够高的不足。与现有技术相比，本发明具有结构简单、操作方便、应变率高、测量速度快且测量精度高的优点。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要指出的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。

Claims (9)

1.一种基于激光冲击效应的材料动态硬度测试装置，其特征在于，包括：用以输出激光束的激光器、第一反射镜、第二反射镜、第三反射镜、透镜、容器、约束层、吸收层、夹具、隔振平台、数控平台、出水管和进水管；所述激光器和数控平台置在所述隔振平台上；所述容器设置在所述数控平台上与所述数控平台连接；所述夹具设置在所述容器底部，用以固定被测试样；所述吸收层覆盖在被测试样表面；所述进水管穿设于所述容器，用以通入流动水，在所述吸收层上形成所述约束层；所述出水管设置在所述容器下方，用以排水；所述第一反射镜、第二反射镜和第三反射镜依次分布设置在所述激光器和容器之间，用以形成所述激光束的传播光路，将所述激光束反射到被测试样上；所述透镜设置在所述第三反射镜和容器之间，用以调节所述激光束入射到被测试样上的激光光斑大小。

2.根据权利要求1所述的基于激光冲击效应的材料动态硬度测试装置，其特征在于，所述激光器输出的激光束为高功率短脉冲激光束。

3.根据权利要求1所述的基于激光冲击效应的材料动态硬度测试装置，其特征在于，所述吸收层为黑色的聚四氟乙烯绝缘胶带。

4.根据权利要求1所述的基于激光冲击效应的材料动态硬度测试装置，其特征在于，所述约束层为一层流动水膜。

5.一种基于激光冲击效应的材料动态硬度测试方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一，开启并预热激光器，测量激光的平均功率

并计算激光单脉冲能量E；

步骤二，在被测试样表面覆盖一层吸收层，通过夹具将被测试样固定于特制容器中；

步骤三，操作数控平台，使激光束对准试样待测试的位置；

步骤四，打开进水管，在被测试样表面通入流动水膜，在吸收层上方形成约束层；

步骤五，使激光束入射至被测试样表面，在被测试样表面冲击出一个微小凹坑；

步骤六，测量微小凹坑的体积V，计算激光单脉冲能量E与微坑体积V的比值，得到被测材料的动态硬度H_d，即H_d＝E/V。

6.根据权利要求5所述的基于激光冲击效应的材料动态硬度测试方法，其特征在于，步骤一中采用以下公式计算激光脉冲能量：

$E=\stackrel{\‾}{P}/f,$

其中，f为激光脉冲的重复频率。

7.根据权利要求5所述的基于激光冲击效应的材料动态硬度测试方法，其特征在于，步骤四和步骤五之间还包括：上下移动透镜，调节入射到被测试样上的激光光斑至合适大小。

8.根据权利要求5所述的基于激光冲击效应的材料动态硬度测试方法，其特征在于，步骤一中采用激光功率计测量激光的平均功率步骤七中采用三维光学表面轮廓仪测量微小凹坑的体积V。

9.根据权利要求5所述的基于激光冲击效应的材料动态硬度测试方法，其特征在于，所述激光束为高功率短脉冲激光束。