CN105784523A - 一种基于压痕试验的测试材料真实硬度值的装置及方法 - Google Patents

Abstract

一种基于压痕试验的测试材料真实硬度值的装置及方法，建立大载荷范围的压痕试验系统。试验完成后，利用显微镜对压痕形貌进行观测，测量不同载荷下的压痕对角线长度，并计算维氏硬度值，对试验数据进行拟合，根据拟合结果判定压痕试验过程中的尺寸效应现象。若不存在尺寸效应，则测量结果为材料的真实硬度值；如存在逆压痕尺寸效应，则采用比例试样阻力模型对材料的真实硬度值进行分析。根据试验数据及比例试样阻力模型，对数据进行拟合，得到拟合曲线在p/d‑d坐标系中在p/d轴的截距；同时，根据不同测量结果的拟合曲线，通过分析可以得到测量材料真实硬度值时压痕载荷大小的选取范围以及材料的真实硬度值。

Description

一种基于压痕试验的测试材料真实硬度值的装置及方法

技术领域

本发明属于材料性能测试研究领域，特别是一种基于压痕试验的测试材料真实硬度值的装置及方法。

背景技术

采用不同的压痕硬度测试方法(如维氏压痕、洛氏压痕等)时，所得到的硬度值存在一定的区别。在材料的精密切削加工过程中，采用维氏压痕试验测试方法可以得到较为准确的硬度值，然而维氏硬度的测量结果与材料的真实硬度值之间也可能存在较大差异。如何得到在一定载荷范围内材料的真实硬度值，即压痕试样产生塑性变形所做的功，且与载荷大小以及压痕直径等尺寸无关，从而准确真实的表征材料本身的力学性质，对材料切削过程的分析至关重要。

压痕硬度尺寸效应主要是对材料进行硬度测试时，测试所得的硬度值随所施加载荷增加而减小或者增大的现象，包括正压痕尺寸效应和逆压痕尺寸效应。在对玻璃、多孔复相材料、陶瓷材料等材料进行硬度测试时，均不同程度的出现压痕硬度尺寸效应的情况。尺寸效应现象的存在也使得在采用压痕方法进行材料硬度测试过程中难以确定真实的材料硬度值。

在对材料的尺寸效应进行分析时，需要测试不同载荷条件下的硬度值并进行分析。同时，材料的尺寸效应仅在一定载荷范围内存在，当所施加的载荷不在该范围内时，材料难以表现出明显的尺寸效应现象，而此时测得的硬度值可以作为真实硬度值。然而，如何确定不存在尺寸效应时的载荷范围，在现有的研究中尚未明确。

在采用压痕试验的方法进行尺寸效应分析时，通常采用压痕设备对硬度进行检测分析。不同的硬度计的载荷范围不同，例如显微维氏硬度计的载荷范围通常为0.1N～10N，维氏压痕硬度计的载荷范围通常为4.9N～490N，布氏硬度计的载荷范围通常为600N～30000N。在研究硬度尺寸效应时通常采用维氏硬度计，而现有的维氏压痕硬度计载荷范围通常小于500N。当所测试材料为脆性材料时，测试硬度过程中所需施加的载荷较小，现有的维氏硬度计即可满足要求。然而，当所测试材料为塑性较好的材料时，测试硬度过程中所需施加的载荷较大，现有的维氏硬度计难以满足测试要求。

发明内容

本发明提供了一种基于压痕试验的测试材料真实硬度值的装置及方法，其可以得到无硬度尺寸效应以及存在逆压痕硬度尺寸效应时的材料真实硬度值。

为达到上述目的本发明提供的技术方案是一种基于压痕试验的测试材料真实硬度值的装置，其包括数控机床、维氏压头、测力仪和工作台；数控机床下部连接维式压头，维式压头下方设置测力仪，测力仪设置在工作台上。

优选数控机床为VMC850B立式数控加工中心，所述测力仪为Kistler9257B的三向测力仪。

一种基于压痕试验的测试材料真实硬度值的方法，其具体步骤如下：

步骤1：建立0N～50000N的上述基于压痕试验的测试材料真实硬度值的装置；

步骤2：采用建立的维氏硬度测量系统进行压痕试验，并采用数控机床控制压头的运动，同时采用测力仪检测载荷的大小；

步骤3：利用显微镜对压痕形貌进行观测，并测量不同载荷(压痕载荷：以2kg为起始载荷，以3～35kg为增加量，设定若干个载荷，载荷的终点为183.67kg；)下的压痕两条对角线长度，并求得两条对角线长度的算术平均值d，将其带入相应的维氏硬度计算公式：

即可得到维氏硬度值HV，其中HV是维氏硬度符号，其中P是试验时所用的压痕载荷(kg)，d是压痕两对角线长度的算术平均值(mm)，A是压痕面积(mm²)，

A＝d²/(2sin68°)；

步骤4：采用Meyer方程(Meyer方程：P＝ad^b)进行尺寸效应的分析；Meyer方程中，P是压痕载荷(kg)，d是压痕两对角线长度的算术平均值(mm)，a和b为常数；首先对试验数据进行拟合，然后通过拟合结果中相应的系数进行尺寸效应的分析；根据拟合结果中的参数b判定压痕试验过程中的尺寸效应现象，若b＝2时，维氏压痕所测得硬度值不存在压痕尺寸效应现象；若b＜2时，则维氏压痕试验所测得的硬度值存在正压痕尺寸效应现象；若b＞2时，则该硬度值存在逆压痕尺寸效应现象；将b值同2比较，相差越大，则压痕尺寸效应现象表现的越明显；

步骤5：根据压痕试验过程中硬度尺寸效应的判断结果，如果不存在尺寸效应现象，则步骤2所测得的硬度均为真实硬度值，如果存在逆压痕尺寸效应现象，进行步骤6；

步骤6：采用比例试样阻力模型对材料的真实硬度值进行分析；比例试样阻力模型：

P＝md+nd²，

其中P为载荷力(kg)，d是压痕两对角线长度的算术平均值(mm)，m和n值是常数；同时，结合硬度的计算公式，得到测试硬度HV的计算方法：

$HV=\frac{P}{A}=\frac{md+{\mathrm{nd}}^2}{d^2/\mathrm{\β}}=\frac{m\mathrm{\β}}{d}+n\mathrm{\β}=\frac{m\mathrm{\β}}{d}+H_T$

根据试验数据及比例试样阻力模型，对数据进行拟合，得到拟合曲线在p/d——d坐标系中在p/d轴的截距；所得截距越大则测试硬度值越偏离真实硬度值，所得截距值越接近于零，所得测试硬度值越接近真实硬度值；同时，根据不同测量结果的拟合曲线，通过分析可以得到测量材料真实硬度值时压痕载荷大小的选取范围。

本发明的优点：采用所建立的大载荷范围的维氏硬度测量装置，其包括工作台，测力仪、试验材料、维氏压头、数控机床，利用数控机床配合测力计可以实现不同载荷时维氏硬度的测量，扩大了测量的载荷范围，突破了现有硬度计对载荷的要求；通过对压痕形貌的测量及分析，然后判断压痕过程中是否存在尺寸效应现象；如果存在逆压痕尺寸效应，则利用比例试样阻力模型可以得到测量材料真实硬度值时压痕载荷大小的选取范围，同时得到准确的材料真实硬度值。因此，采用本发明可以得到无硬度尺寸效应以及存在逆压痕硬度尺寸效应时的材料真实硬度值。

附图说明

以下结合附图对本发明做进一步的说明：

图1是测试方法流程图；

图2是测量装置示意图；

图3是载荷大小为40.82kg时维氏压痕形貌；

图4是压痕试验数据；

图5是Meyer方程拟合结果；

图6是比例试样阻力模型拟合结果；

图中：1、工作台，2、测力仪，3、试验材料，4、维氏压头，5、数控机床。

具体实施方式

一种基于压痕试验的测试材料真实硬度值的装置及方法，其具体步骤如下：

首先建立大载荷范围的维氏硬度测量系统，系统所采用的数控机床5为VMC850B立式数控加工中心，维氏压头4为单晶金刚石标准维氏压头，测力仪2为Kistler9257B的三向测力仪，并采用基恩士VHX-2000型超景深三维显微系统对压痕表面形貌进行观测，测量装置示意图如图2所示。

试验中所采用的载荷为2kg、5kg、10kg、20kg、30kg、40.82kg、50kg、91.84kg、122.45kg、153.06kg以及183.67kg。本次试验所采用的试验材料为各向同性热解石墨，试样尺寸为20mm×14mm×5mm。采用数控机床5和测力仪2控制压头的运动与载荷的大小进行压痕试验。

采用超景深三维显微系统对压痕形貌进行观察及测量，例如载荷大小为40.82kg时维氏压痕形貌如图4所示。使用显微镜测量每种载荷下的压痕对角线长度d₁、d₂，并求得二者的平均值d，即d＝(d₁+d₂)/2，将其带入相应的维氏硬度的计算公式：

即可得到维氏硬度值HV，其中HV是维氏硬度符号，其中P是试验时所用的压痕载荷(kg)，d是压痕两对角线长度的算术平均值(mm)，A是压痕面积(mm²)，

A＝d²/(2sin68°)；

即可得到不同载荷对应的维氏硬度值HV，测量计算结果如图4所示。

为研究压痕试验中的尺寸效应问题，通常采用Meyer方程(P＝ad^b)进行尺寸效应的分析，即首先利用该方程对试验数据进行拟合，然后通过拟合结果中相应的系数进行尺寸效应的分析。Meyer方程中，P是压痕载荷(kg)，d是测量的压痕对角线长度(mm)，a和b为常数。根据拟合结果中的参数b判定压痕试验过程中的尺寸效应现象(若b＝2时，维氏压痕所测得硬度值不存在压痕尺寸效应现象；若b＜2时，则维氏压痕试验所测得的硬度值存在正压痕尺寸效应现象；若b＞2时，则该硬度值存在逆压痕尺寸效应现象；将b值同2比较，相差越大，则压痕尺寸效应现象表现的越明显)。

采用Meyer方程对试验的数据进行拟合分析，拟合结果如图5所示。从图5可以看出，采用Meyer方程得到的参数b＝2.36159，则b＞2，因此各向同性热解石墨维氏压痕试验所测得的硬度值存在逆压痕尺寸效应现象。同时，采用Meyer方程的拟合结果表明其相关系数R＝0.99916(在对数据进行拟合时，软件自动给出相关系数)即数据拟合结果具有较高的可靠性和准确性。

为研究材料的真实硬度值，采用比例试样阻力模型(P＝md+nd²)对材料硬度进行分析。比例试样阻力模型中，P为载荷力(kg)，d是压痕两对角线长度的算术平均值(mm)，m和n值是常数(常数m代表了试样的弹性阻力、表面可恢复变形所消耗的能量、压头与试样表面的摩擦以及外力使材料本身微观结构发生变化等因素；而n代表压痕载荷和压痕尺寸之间关系的常数，该值与材料发生不可恢复的塑性变形所消耗的能量有关，而与压痕载荷大小以及压痕尺寸无关，同逆压痕尺寸效应现象无关)。结合硬度的计算公式，可以得到测试硬度HV的计算方法：

$HV=\frac{P}{A}=\frac{md+{\mathrm{nd}}^2}{d^2/\mathrm{\β}}=\frac{m\mathrm{\β}}{d}+n\mathrm{\β}=\frac{m\mathrm{\β}}{d}+H_T$

其中β是跟压头几何形状有关的常数，在本试验条件下β＝2sin68°＝1.8544；而H_T为材料的真实硬度值。可以看出，常数m是线性拟合直线的截距，且测试硬度HV值和真实硬度H_T值之间只相差了mβ/d，当常数m接近0时，也即该直线从负半轴逐渐向上平移，接近过原点，此时的测试硬度HV值逐渐接近真实硬度值，在该载荷下所测得的维氏硬度值具有较高的准确性。

将不同载荷下测得的试验数据分别由小到大和由大到小进行线性拟合，若拟合曲线的相关系数小于0.99即停止拟合，此时得到的直线就是所需拟合结果。在本实验中，分别从2kg和183.67kg开始数据线性拟合。结果表明，由小到大进行线性拟合时，当载荷达到50kg时，拟合直线的相关系数小于0.99，因此载荷在2～40.82kg范围内时，得到一条拟合直线。由大到小进行线性拟合时，当载荷达到50kg时，拟合直线的相关系数小于0.99，因此载荷在50～183.67kg范围内时，得到另一条拟合直线。具体如下：将50kg、91.84kg、122.45kg、153.06kg和183.67kg载荷下测得的试验数据进行拟合，结果如图6中拟合结果2所示，其中常数m＝-21.6288，n＝49.7333，相关系数为0.9894；同样将载荷小于50kg时测得的数据进行拟合，结果如图6中拟合结果1所示，其中常数m＝-0.0131，n＝29.7786，相关系数为0.99942。当载荷在50～183.67kg范围内时，从常数m值以及图示可以看到该拟合直线偏离原点较大，在p/d-d坐标系中该直线截距在负半轴，因此所测得的硬度值将与材料本身的真实硬度值相差较大。载荷在2～40.82kg范围内时，参数m值接近于0，因此此时的测试硬度值接近真实硬度值，可以较为准确的反映材料本身的力学性能。根据载荷在2～40.82kg范围内时数据的线性拟合结果，可以得到P/d²的值，将该值带入公式：

可得到材料的硬度值，即各向同性热解石墨真实硬度值。本实验中计算结果为各向同性热解石墨真实硬度H_T值为55.221kg/mm²。由拟合结果1和2中两条拟合直线的交点可知，用来表征各向同性热解石墨材料的硬度值，所使用的压痕载荷大小选取范围应小于34.93kg(即小于交点值)，此时测得的硬度值有较高的准确性；若使用大于此载荷所测得的硬度值则测量结果受外界因素的影响较大。同时，由于逆压痕尺寸效应现象的产生，当测试所使用的载荷过大时，测试硬度值则大于真实硬度值。“测量真是硬度的载荷取值范围”是为了在下一次测量时直接使用“载荷取值范围”内的值测量，即可得到真实值。

Claims (7)

1.一种基于压痕试验的测试材料真实硬度值的装置，其特征在于：其包括数控机床、维氏压头、测力仪和工作台；数控机床下部连接维式压头，维式压头下方设置测力仪，测力仪设置在工作台上。

2.根据权利要求1所述的一种基于压痕试验的测试材料真实硬度值的装置，其特征在于：所述的数控机床为VMC850B立式数控加工中心，所述测力仪为Kistler9257B的三向测力仪。

3.一种基于压痕试验的测试材料真实硬度值的方法，其特征在于：其具体步骤如下：

步骤1：在不同载荷条件下进行压痕试验；

步骤2：利用显微镜对压痕形貌进行观测，并测量不同载荷下的压痕两条对角线长度，并求得两条对角线长度的算术平均值d，将其带入相应的维氏硬度计算公式：

HV＝P/A，

即可得到维氏硬度值HV，其中HV是维氏硬度符号，其中P是试验时所用的压痕载荷(kg)，d是压痕两对角线长度的算术平均值(mm)，A是压痕面积(mm²)；

步骤3：对步骤2得到的数据进行尺寸效应的分析：首先对试验数据进行拟合，然后通过拟合结果中相应的系数进行尺寸效应的分析；判断出步骤2测得的硬度值是否存在压痕尺寸效应现象，如果存在压痕尺寸效应现象，那么存在正压痕尺寸效应现象还是逆压痕尺寸效应现象；

步骤4：根据压痕试验过程中硬度尺寸效应的判断结果，如果不存在压痕尺寸效应现象，则步骤2所测得的硬度值均为真实硬度值，如果存在逆压痕尺寸效应现象，则进行步骤5；

步骤5：采用比例试样阻力模型对材料的真实硬度值进行分析；比例试样阻力模型：

P＝md+nd²，

其中P为载荷力(kg)，d是压痕两对角线长度的算术平均值(mm)，m和n值是常数；同时，结合硬度的计算公式，得到测试硬度HV的计算方法：

$HV=\frac{P}{A}=\frac{md+{\mathrm{nd}}^2}{d^2/\mathrm{\β}}=\frac{m\mathrm{\β}}{d}+n\mathrm{\β}=\frac{m\mathrm{\β}}{d}+H_T,$

根据试验数据及比例试样阻力模型，对数据进行线性拟合，得到拟合曲线在p/d—d坐标系中在p/d轴的截距；通过分析可以得到测量材料真实硬度值时压痕载荷大小的选取范围。

4.根据权利要求3所述的一种基于压痕试验的测试材料真实硬度值的方法，其特征在于：步骤1中所述的不同载荷条件的范围为测量以2kg为起始载荷，以3～35kg为增加量，设定若干个载荷，载荷的终点为183.67kg。

5.根据权利要求3所述的一种基于压痕试验的测试材料真实硬度值的方法，其特征在于：步骤2中A＝d²/(2sin68°)。

6.根据权利要求3所述的一种基于压痕试验的测试材料真实硬度值的方法，其特征在于：步骤3为采用Meyer方程(Meyer方程：P＝ad^b)进行尺寸效应的分析；Meyer方程中，P是压痕载荷(kg)，d是压痕两对角线长度的算术平均值(mm)，a和b为常数；首先对试验数据进行拟合，然后通过拟合结果中相应的系数进行尺寸效应的分析；根据拟合结果中的参数b判定压痕试验过程中的尺寸效应现象，若b＝2时，维氏压痕所测得硬度值不存在压痕尺寸效应现象；若b＜2时，则维氏压痕试验所测得的硬度值存在正压痕尺寸效应现象；若b＞2时，则该硬度值存在逆压痕尺寸效应现象。

7.根据权利要求3所述的一种基于压痕试验的测试材料真实硬度值的方法，其特征在于：步骤5为采用比例试样阻力模型对材料的真实硬度值进行分析；比例试样阻力模型：

P＝md+nd²，

其中P为载荷力(kg)，d是压痕两对角线长度的算术平均值(mm)，m和n值是常数；同时，结合硬度的计算公式，得到测试硬度HV的计算方法：

$HV=\frac{P}{A}=\frac{md+{\mathrm{nd}}^2}{d^2/\mathrm{\β}}=\frac{m\mathrm{\β}}{d}+n\mathrm{\β}=\frac{m\mathrm{\β}}{d}+H_T,$

根据试验数据及比例试样阻力模型，对数据由小到大进行线性拟合，若拟合曲线的相关系数小于0.99即停止拟合，得到第一条拟合直线；再对数据由大到小进行线性拟合，若拟合曲线的相关系数小于0.99即停止拟合，得到第二条拟合直线，这两条拟合直线的交点处对应的载荷大小即为通过分析可以得到测量材料真实硬度值时压痕载荷大小的选取范围的界限。