CN106990007B - 材料残余应力与表面硬度关系测试方法及装置 - Google Patents

材料残余应力与表面硬度关系测试方法及装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种材料残余应力与表面硬度关系测试方法及装置，该装置的底座上从左往右依次安装有电动机、减速器、弹性连轴器、试样残余应力测试装置，试样残余应力测试装置包括安装在底座上的左轴承座、右轴承座和丝杠，丝杠的一端通过左滚动轴承与左轴承座相连，并通过弹性连轴器与减速器的右侧输出轴相连；另一端通过右滚动轴承与右轴承座相连，丝杠上装配丝杠螺母及螺母支架，螺母支架右侧安装压力传感器，压力传感器右侧通过夹具螺母安装有左试样夹具。本发明可以实现一定温度下，通过改变残余应力加载量，得到残余应力和硬度的关系；也可以实现一定残余应力加载量，通过改变温度，得到残余应力和硬度的关系。

Description

材料残余应力与表面硬度关系测试方法及装置
技术领域
本发明涉及材料测试领域，具体涉及一种材料残余应力与表面硬度关系测试方法及装置。
背景技术
在各种机械结构的加工和制造过程中，无法避免地会在结构内部产生的残余应力，而残余应力对结构的疲劳强度、抗应力腐蚀能力、尺寸稳定性和使用寿命有着十分重要的影响，因此，研究和测量结构中的残余应力十分必要，目前残余应力的测试方法可以分为有损和无损两大类，有损测试方法主要有钻孔法、环心法等，无损法主要有X射线法、压痕法等。有损法对试样产生一定的破坏或对试样尺寸及表面处理等要求较高，在实际应用中具有一定的局限性。而压痕法是一种微损检测方法，在测试过程中对试样尺寸、工作条件等要求不高，测试后留下的痕迹可忽略不计，不过，该方法需要建立残余应力和硬度之间的对应关系。对于金属试样，可以利用拉伸试验设备，通过拉伸试验或热处理产生残余应力，但是拉伸试样多为纵向安装，而显微硬度计通常只能对水平放置的试样进行测试，因此无法利用显微硬度计测试金属试样的硬度。
发明内容
为解决上述问题，本发明提供了一种材料残余应力与表面硬度关系测试方法及装置，不仅可以得到金属试样拉伸、热处理产生的残余应力与硬度的关系，而且结构简单、操作方便，设计合理。
为实现上述目的，本发明采取的技术方案为：
材料残余应力与表面硬度关系测试装置，包括底座和硬度测试模块，所述的底座下端两侧对称安装有两丝杠传动千斤顶，在底座上从左往右依次安装有电动机、减速器、弹性连轴器、试样残余应力测试装置，所述电动机电机支架安装在底座上，所述减速器通过减速器安装架安装在底座上，且减速器的左侧输入轴通过联轴器与电动机的输出轴相连，所述试样残余应力测试装置包括安装在底座上的左轴承座和右轴承座，还包括一丝杠，丝杠的一端通过左滚动轴承与所述的左轴承座相连，并通过弹性连轴器与减速器的右侧输出轴相连；另一端通过右滚动轴承与右轴承座相连，所述的丝杠上装配丝杠螺母及螺母支架，所述的螺母支架右侧安装压力传感器，所述的压力传感器右侧通过夹具螺母安装有左试样夹具，所述的左试样夹具通过螺栓与金属试样一端相连，金属试样的另一端通过螺栓与右试样夹具相连，所述的右试样夹具与右轴承座通过螺纹相连，金属试样的正下方布置电磁感应加热装置，所述的电磁感应加热装置与温度传感器相连，所述温度传感器安装在右轴承座的正面，硬度测试模块位于金属试样的上方，测试压头与金属试样的表面相抵。
优选地，所述电动机采用交流伺服电机。
优选地，所述的减速器采用行星齿轮减速器。
优选地，所述硬度测试模块采用显微硬度计。
本发明还提供了一种材料残余应力与表面硬度关系测试方法，包括以下两种情况：
当温度恒定，残余应力加载量改变时，包括如下步骤：
S11、通过机床完成待检测金属材料的加工切割，得待测试试样，并将所得的待测试样装于残余应力测试装置上；
S12、调节电磁感应加热装置，使待测试样周围温度场达到实验所需大小，在某一确定温度下，加载残余应力并获取该温度下残余应力与硬度；
S13、在计算机输入步骤S12中获取的数据，以残余应力Fi为横坐标，以硬度HVi为纵坐标，绘制出步骤二中所采用材料在某一温度下的残余应力F0、F1、F2、...、Fn和硬度HV0、HV2、...、HVn的各个点，并拟合并最终得到某一温度下被测材料残余应力和硬度之间的关系曲线；
当残余应力加载量不变，温度改变时，包括如下步骤：
S21、通过机床完成待检测金属材料的加工切割，得待测试试样，并将所得的待测试样装于残余应力测试装置上；
S22、调节加载装置，使试样残余应力加载量达到实验所需大小，在某一加载量下，改变试样周围的温度大小，获得不同温度条件下残余应力与硬度；
S23、在计算机输入步骤S22中获取的数据，以残余应力Ri为横坐标，以硬度HVi为纵坐标，绘制出步骤而中所测材料在不同温度下的残余应力R0、R1、R2、...、Rn和硬度HV0、HV2、...、HVn的各个点，并拟合并最终得到不同温度下被测材料残余应力和硬度之间的关系曲线。
所述步骤S12具体包括如下步骤：
S121、电动机接通电流后，将动力通过连接轴传递至行星齿轮减速器上，经过行星齿轮减速器的减速，动力传递至丝杠上，丝杠的转动转化为丝杠螺母沿轴向方向的移动，丝杠螺母沿轴向方向的移动带动安装在其上的左试样夹具移动，最终完成对被测试试样残余应力的模拟加载，在对被测试试样残余应力模拟加载的过程中，压力传感器对残余应力模拟加载量进行实时检测，并将检测到的残余应力加载量传输至显示器进行显示，同时，利用硬度检测模块对被测试试样的硬度进行实时检测，得到残余应力F0和残余应力F0所对应的硬度HV0；
S122、随着电动机的转动，丝杠螺母的位移量不断发生变化，残余应力的加载量也随之不同，重复步骤S21，在残余应力分别为F1、F2、...、Fn时，获取所对应的硬度HV1、HV2、...、HVn，并将获取的N+1个残余应力和N+1个硬度一一对应并记录，得到某一温度下某种材料试样硬度与残余应力的对应关系。
所述步骤S22具体包括如下步骤：通过调节电磁感应加热装置的参数设置，从而改变待测试样周围的温度大小，得到被测材料在不同温度T0、T1、T2、…、Tn条件下，残余应力R0、R1、R2、...、Rn和硬度HV0、HV2、...、HVn的关系。
本发明具有以下有益效果：
1.本发明使用行星齿轮减速器传动，其传动比可达到上千，传动比大，而且结构紧凑、重量轻、体积小、承载能力高、传递功率大。
2.底座两侧安装丝杠传动的千斤顶，根据显微硬度计压头的位置调整底座的高度，避免底座和托盘直接接触，硬度测试时稳定性好。
3.本发明可以实现一定温度下，通过改变残余应力加载量，得到残余应力和硬度的关系；也可以实现一定残余应力加载量，通过改变温度，得到残余应力和硬度的关系。
附图说明
图1为本发明中残余应力测试装置的结构示意图。
图2为材料残余应力测试系统主视图。
图3为图2中A的放大示意图。
图4为材料残余应力测试系统右视图。
图5为材料残余应力测试系统俯视图。
图6为本发明实施例，当温度不变，通过改变加载量实现残余应力加载时，材料残余应力与表面硬度关系测试方法的流程图。
图7为本发明实施例，当加载量不变，通过改变温度实现残余应力加载时，材料残余应力与表面硬度关系测试方法的流程图。
具体实施方式
为了使本发明的目的及优点更加清楚明白，以下结合实施例对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
如图1-图5所示，本发明实施例提供了一种材料残余应力与表面硬度关系测试装置，包括底座1和硬度测试模块8，所述的底座1下端两侧对称安装有两丝杠传动千斤顶2，在底座1上从左往右依次安装有电动机3、减速器4、弹性连轴器5、试样残余应力测试装置6，所述电动机3采用交流伺服电机，所述电动机3电机支架31安装在底座1上，所述的减速器采用行星齿轮减速器，所述减速器4通过减速器安装架41安装在底座1上，且减速器的左侧输入轴通过联轴器7与电动机的输出轴相连，所述试样残余应力测试装置6包括安装在底座1上的左轴承座61和右轴承座62，还包括一丝杠63，丝杠63的一端通过左滚动轴承与所述的左轴承座61相连，并通过弹性连轴器5与减速器的右侧输出轴相连；另一端通过右滚动轴承与右轴承座62相连，所述的丝杠63上装配丝杠螺母64及螺母支架65，丝杠螺母64可滑动安装在以长板上，长板安装在丝杠63的下方，所述的螺母支架65右侧安装压力传感器66，所述的压力传感器66右侧通过夹具螺母67安装有左试样夹具68，所述的左试样夹具68通过螺栓与金属试样9一端相连，金属试样9的另一端通过螺栓与右试样夹具69相连，所述的右试样夹具69与右轴承座62通过螺纹相连，金属试样9的正下方布置电磁感应加热装置610，所述的电磁感应加热装置610与温度传感器611相连，所述温度传感器611安装在右轴承座62的正面，硬度测试模块8位于金属试样的上方，测试压头与金属试样9的表面相抵，所述硬度测试模块8采用显微硬度计。
本发明实施例还提供了一种材料残余应力与表面硬度关系测试方法，包括以下两种情况：
如图6所示，当温度恒定，残余应力加载量改变时，包括如下步骤：
S11、通过机床完成待检测金属材料的加工切割，得待测试试样，并将所得的待测试样装于残余应力测试装置上；
S12、调节电磁感应加热装置，使待测试样周围温度场达到实验所需大小，在某一确定温度下，加载残余应力并获取该温度下残余应力与硬度；具体的：
S121、电动机接通电流后，将动力通过连接轴传递至行星齿轮减速器上，经过行星齿轮减速器的减速，动力传递至丝杠上，丝杠的转动转化为丝杠螺母沿轴向方向的移动，丝杠螺母沿轴向方向的移动带动安装在其上的左试样夹具移动，最终完成对被测试试样残余应力的模拟加载，在对被测试试样残余应力模拟加载的过程中，压力传感器对残余应力模拟加载量进行实时检测，并将检测到的残余应力加载量传输至显示器进行显示，同时，利用硬度检测模块对被测试试样的硬度进行实时检测，得到残余应力F0和残余应力F0所对应的硬度HV0；
S122、随着电动机的转动，丝杠螺母的位移量不断发生变化，残余应力的加载量也随之不同，重复步骤S21，在残余应力分别为F1、F2、...、Fn时，获取所对应的硬度HV1、HV2、...、HVn，并将获取的N+1个残余应力和N+1个硬度一一对应并记录，得到某一温度下某种材料试样硬度与残余应力的对应关系。
S13、在计算机输入步骤S12中获取的数据，以残余应力Fi为横坐标，以硬度HVi为纵坐标，绘制出步骤二中所采用材料在某一温度下的残余应力F0、F1、F2、...、Fn和硬度HV0、HV2、...、HVn的各个点，并拟合并最终得到某一温度下被测材料残余应力和硬度之间的关系曲线；
如图7所示，当残余应力加载量不变，温度改变时，包括如下步骤：
S21、通过机床完成待检测金属材料的加工切割，得待测试试样，并将所得的待测试样装于残余应力测试装置上；
S22、调节加载装置，使试样残余应力加载量达到实验所需大小，在某一加载量下，改变试样周围的温度大小，获得不同温度条件下残余应力与硬度；具体的，通过调节电磁感应加热装置的参数设置，从而改变待测试样周围的温度大小，得到被测材料在不同温度T0、T1、T2、…、Tn条件下，残余应力R0、R1、R2、...、Rn和硬度HV0、HV2、...、HVn的关系。
S23、在计算机输入步骤S22中获取的数据，以残余应力Ri为横坐标，以硬度HVi为纵坐标，绘制出步骤而中所测材料在不同温度下的残余应力R0、R1、R2、...、Rn和硬度HV0、HV2、...、HVn的各个点，并拟合并最终得到不同温度下被测材料残余应力和硬度之间的关系曲线。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (3)

1.材料残余应力与表面硬度关系测试方法，其特征在于，包括以下两种情况：
当温度恒定，残余应力加载量改变时，包括如下步骤：
S11、通过机床完成待检测金属材料的加工切割，得待测试试样，并将所得的待测试样装于残余应力测试装置上；
S12、调节电磁感应加热装置，使待测试样周围温度场达到实验所需大小，在某一确定温度下，加载残余应力并获取该温度下的残余应力与硬度；
S13、在计算机输入步骤S12中获取的数据，以残余应力Fi为横坐标，以硬度HVi为纵坐标，绘制出步骤二中所采用材料在某一温度下的残余应力F0、F1、F2、...、Fn和硬度HV0、HV2、...、HVn的各个点，并拟合并最终得到某一温度下被测材料残余应力和硬度之间的关系曲线；
当残余应力加载量不变，温度改变时，包括如下步骤：
S21、通过机床完成待检测金属材料的加工切割，得待测试试样，并将所得的待测试样装于残余应力测试装置上；
S22、调节加载装置，使试样残余应力加载量达到实验所需大小，在某一加载量下，改变试样周围的温度大小，获得不同温度条件下残余应力与硬度；
S23、在计算机输入步骤S22中获取的数据，以温度引起的残余应力Ri为横坐标，以硬度HVi为纵坐标，绘制出步骤而中所测材料在不同温度下的残余应力R0、R1、R2、...、Rn和硬度HV0、HV2、...、HVn的各个点，并拟合并最终得到不同温度下被测材料残余应力和硬度之间的关系曲线；
材料残余应力与表面硬度关系测试装置，包括底座（1）和硬度测试模块（8），其特征在于，所述的底座（1）下端两侧对称安装有两丝杠传动千斤顶（2），在底座（1）上从左往右依次安装有电动机（3）、减速器（4）、弹性连轴器（5）、试样残余应力测试装置（6），所述电动机（3）电机支架（31）安装在底座（1）上，所述减速器（4）通过减速器安装架（41）安装在底座（1）上，且减速器的左侧输入轴通过联轴器（7）与电动机的输出轴相连，所述试样残余应力测试装置（6）包括安装在底座（1）上的左轴承座（61）和右轴承座（62），还包括一丝杠（63），丝杠（63）的一端通过左滚动轴承与所述的左轴承座（61）相连，并通过弹性连轴器（5）与减速器的右侧输出轴相连；另一端通过右滚动轴承与右轴承座（62）相连，所述的丝杠（63）上装配丝杠螺母（64）及螺母支架（65），所述的螺母支架（65）右侧安装压力传感器（66），所述的压力传感器（66）右侧通过夹具螺母（67）安装有左试样夹具（68），所述的左试样夹具（68）通过螺栓与金属试样（9）一端相连，金属试样（9）的另一端通过螺栓与右试样夹具（69）相连，所述的右试样夹具（69）与右轴承座（62）通过螺纹相连，金属试样的正下方布置电磁感应加热装置（610），所述的电磁感应加热装置（610）与温度传感器（611）相连，所述温度传感器（611）安装在右轴承座（62）的正面，硬度测试模块（8）位于金属试样的上方，测试压头与金属试样的表面相抵；所述电动机（3）采用交流伺服电机；所述的减速器采用行星齿轮减速器；所述硬度测试模块（8）采用显微硬度计。
2.如权利要求1所述的材料残余应力与表面硬度关系测试方法，其特征在于，所述步骤S12具体包括如下步骤：
S121、电动机接通电流后，将动力通过连接轴传递至行星齿轮减速器上，经过行星齿轮减速器的减速，动力传递至丝杠上，丝杠的转动转化为丝杠螺母沿轴向方向的移动，丝杠螺母沿轴向方向的移动带动安装在其上的左试样夹具移动，最终完成对被测试试样残余应力的模拟加载，在对被测试试样残余应力模拟加载的过程中，压力传感器对残余应力模拟加载量进行实时检测，并将检测到的残余应力传输至显示器进行显示，同时，利用硬度检测模块对被测试试样的硬度进行实时检测，得到残余应力F0和残余应力F0所对应的硬度HV0；
S122、随着电动机的转动，丝杠螺母的位移量不断发生变化，残余应力的加载量也随之不同，重复步骤S21，在残余应力分别为F1、F2、...、Fn时，获取所对应的硬度HV1、HV2、...、HVn，并将获取的N+1个残余应力和N+1个硬度一一对应并记录，得到某一温度下某种材料试样硬度与残余应力的对应关系。
3.如权利要求1所述的材料残余应力与表面硬度关系测试方法，其特征在于，所述步骤S22具体包括如下步骤：通过调节电磁感应加热装置的参数设置，从而改变待测试样周围的温度大小，得到被测材料在不同温度T0、T1、T2、…、Tn条件下，残余应力R0、R1、R2、...、Rn和硬度HV0、HV2、...、HVn的关系。
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