CN109883867A - 基于数字散斑的变温冲击压痕测试装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于数字散斑的变温冲击压痕测试装置，属于精密仪器领域。通过摆锤撞击轨道中的子弹，给予子弹一定的初速度，子弹冲击实验主体部分进行压痕实验，过对试件外围的线圈通过高频率的电流对试件产生交流电，进而对试件加热。并结合数字散斑技术，对试件实验中进行平滑处理和应变信息的可视化分析,从而实现快速、高精度、实时、非接触式的三维应变测量。试件尾部的高频力传感器对实验过程中力进行测量。本发明可提供在不同温度条件下的动态冲击压痕装置。同时可提供不同尺寸的摆锤头可以提供不同要求的冲击速度，已到达不同应变率的冲击压痕实验。入射杆夹持装备设计成可根据不同外径入射杆进行调节。
Description
技术领域
本发明涉及精密仪器领域，特别涉及变温、高应变率下的材料性能研究领域，尤指一种基于数字散斑的变温冲击压痕测试装置。通过数字散斑原位观测在不同温度下冲击压痕的实验。
背景技术
随着材料科学的发展，工作中的部件由于常常受到复杂载荷的影响，导致受大应力部位的温度明显高于室温，且在不同工况下温度又有所区别，同时在高速运动部位，往往承受着高应变率的冲击，传统的材料测试对这种变温，高应变率的实验环境明显是无效的。这样会使部件在未到寿命前就发生裂纹等缺陷，导致结构的提前破坏，所以探究材料在变温、高应变速率下的特性尤为重要。
目前，国内外常用研究高变温、高应变率的测试多采用高温霍普金森杆。结构多采用高温炉等加热方式，导致测试温度十分高，不适合常规机械工作测试温度，且结构都十分复杂，装卸试件十分繁琐，一次实验成本和时间十分巨大，试件整体受力无法知道试件内部损伤及内部应力应变分布，实验采样困难等一系列问题，所以急需一套精度高及解决上述问题的材料测试装置来获取材料在变温、高应变速率下的动态特性。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于数字散斑的变温冲击压痕测试装置，解决了现有技术存在的上述问题。本发明同时配备数字散斑等测试技术，对压痕实验过程中，试件各部位的应变进行记录，通过电磁加热方式，研究不同温度下且接近机构的服役温度下材料的率敏感性及其他材料特性，为揭示材料的性能提供了方法。
本发明的上述目的通过以下技术方案实现：
基于数字散斑的变温冲击压痕测试装置，包括冲击试验机1、可更换的摆锤头2、电磁吸合机构6、轨道7、入射杆夹持机构13、数字散斑仪器9、加热机构25，摆锤头2通过螺纹连接在摆锤杆3上，摆锤杆3通过固定片5固定在摆锤杆支撑座4上，实验开始前，摆锤杆3被吸合在电磁吸合机构6上；
子弹17放置在轨道7中，质量块15、入射套16紧靠在一起且放置在入射杆12外侧，入射杆12放置在入射杆夹持机构13中；
放置在试件支撑架11上的圆柱形的试件23外圈套有加热机构25，试件23粘到力传感器24的测量表面，在平台10侧方放置数字散斑仪器9。
所述的固定片5通过摆锤杆支撑座4上的螺纹对摆锤杆3进行轴向定位。
所述的摆锤头2的大小和质量与子弹17的冲击速度相配合。
为了保证入射杆12和子弹16的阻抗匹配，所述的入射杆12、质量块15、入射套16以及子弹17的材料同为高强度合金钢并保证入射杆12、入射套16和子弹17的长度相同，同时为了减少杆系中传播的弥散作用，故减少入射杆12的横截面积，为了保证入射杆12中应力脉冲的完整性，保证入射杆的长度L与撞击杆长度l的比值L/l＞4。
所述的入射杆12固定在入射杆夹持机构13中，通过弹簧复位旋钮20调节入射杆夹持机构13中的弹簧，可旋转夹持片19进而装夹不同直径的入射杆12。
所述的加热机构25套在试件23的前后两端，内部产生感应电流，对试件23加热。
所述的数字散斑仪器9聚焦在试件23被压的实验表面，对试件23实验过程中的应变情况进行实时测量。
本发明的有益效果在于：与现有技术相比，本发明可提供在不同温度条件下的动态冲击压痕装置。同时可提供不同尺寸的摆锤头可以提供不同要求的冲击速度，已到达不同应变率的冲击压痕实验。入射杆夹持装备设计成可根据不同外径入射杆进行调节。加热装置采用可变温的电磁加热，通过通以不同强度的电流达到不同测试温度。数字散斑技术也可为测试过程中，压头压入过程进行应变，避免了以往应变片测量入射杆的应力波等间接测量引起的实验误差过大等问题，综上所述，本发明对丰富原位和促进材料力学性能测试技术及装备具有重要的理论意义和良好的应用开发前途。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发明的示意性实例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
图1为本发明的整体外观结构示意图；
图2为本发明的入射杆夹具示意图；
图3为本发明的压头试件区放大示意图；
图4本发明的压头与试件作用示意图；
图5本发明的散斑测试原理图；
图6为发明的测控原理图。
图中：1、冲击试验机；2、摆锤头；3、摆锤杆；4、摆锤杆支撑座；5、固定片；6、电磁吸合机构；7、轨道；8、三脚架；9、数字散斑仪器；10、平台；11、试件支撑架；12、入射杆；13、入射杆夹持机构；14、基座；15、质量块；16、入射套；17、子弹；18、锁紧螺母；19、夹持片；20、弹簧复位旋钮；21、压头套；22、压头锁紧螺母；23、试件；24、力传感器；25、加热机构；26、压头。
具体实施方式
下面结合附图进一步说明本发明的详细内容及其具体实施方式。
参见图1至图6所示，本发明采用冲击压痕测试技术，制造出一套能测试材料在变温、高应变速率下的实验仪器。通过摆锤撞击轨道中的子弹，给予子弹一定的初速度，子弹冲击实验主体部分进行压痕实验，过对试件外围的线圈通过高频率的电流对试件产生交流电，进而对试件加热。 并结合数字散斑技术，对试件实验中进行平滑处理和应变信息的可视化分析,从而实现快速、高精度、实时、非接触式的三维应变测量。试件尾部的高频力传感器对实验过程中力进行测量。
参见图1至图3所示，本发明的基于数字散斑的变温冲击压痕测试仪器，包括冲击试验机1、可更换的摆锤头2、电磁吸合机构6、轨道7、入射杆夹持机构13、数字散斑仪器9、加热机构25。
根据实验设计研究所需的子弹17冲击速度选择合适的摆锤头2，不同质量的摆锤头2撞击到子弹上17，通过动量定理，给予子弹17不同的初速度，摆锤头2通过螺纹连接在摆锤杆3上，摆锤杆3通过固定片5固定在摆锤杆支撑座4上，实验开始前，摆锤杆3通过电磁吸合机构6的豁口被吸合在固定位置。对电磁吸合机构6施电使摆锤杆3下摆撞击子弹17。固定片5通过摆锤杆支撑座4上的螺纹对摆锤杆3进行轴向定位，保证其能只在固定平面内进行圆周运动。
子弹17放置在轨道7中，使得子弹17可以沿着直线运动，质量块15、入射套16紧靠在一起且套在入射杆12外侧，防止压痕实验反射回来的应力波对试件进行二次加载。
入射杆12通过入射杆夹持机构13实现固定。在入射杆夹持机构13中，有三枚锁紧螺母18将夹持片19固定在其中，外部有两个弹簧复位旋钮20，通过夹紧弹簧复位旋钮20使得入射杆夹持机构13内部的弹簧压缩，让夹持片19打开不同角度，使得内部空隙进行调节，以应对不同直径的入射杆12进行实验，同时也保证夹具对入射杆的夹紧功能。入射杆夹持机构13通过基座14固定在平台10上。
压头26尾部圆柱外部套有压头套21，两者通过过盈配合在一起，压头套21一侧钻有螺纹孔，压头锁紧螺母22旋入将压头固定在压头套21内。同时，压头26和压头套21波阻抗相同，保证应力波不受损失。
放置在试件支撑架11上的圆柱形的试件23外圈套有加热机构25，加热机构25内部通以电流，同时将引起试件内部形成涡旋电流，进而加热试件，使试件达到理想温度，试件通过双面胶粘到力传感器24的测量表面；在平台10侧方，放置数字散斑仪器9对实验中的试件23的应变情况进行实时测量。数字散斑仪器9放置在三脚架8上，通过调节三脚架8的高度和视角，将图像调至清晰。试件支撑架11通过基座14固定在平台10上。
摆锤头2的大小和质量与子弹17的冲击速度相配合，可选取不同大小和质量的摆锤头2安装在摆锤杆上，已达到撞击后给子弹17不同的初速度。
入射杆与维氏压头通过连接套连接在一起，由螺钉固定。如图4所示，通过有限元软件的模拟，得到冲击实验过程中压头所受到的最大应力，根据该应力，选择满足最大应力要求的硬质合金作为连接套的材料。为了保证波形能够在压头与钛合金套筒组合体中无损的传播，保护脆性的硬质合金， 根据波阻抗匹配公式: ρ1c1A1 + ρ2c2A2 =ρcA，计算压头套的半径，实现硬质合金压头和连接套组合体与入射杆波阻抗的匹配。
如图5所示，当光源照射到压头陶上，将产生随机分布的散斑，通过CCD的记录下散斑图，因为压头套采用硬质合金可视为刚体，故压头套位移量即为压头压入深度。分析前后散斑图找到相关系数最相关的一组散斑像素点，在变形不大的情况下，物体表面的散斑场的灰度值可忽略不计。故两个像素点的距离为压头压入深度。
如图6所示，工控机通过运动控制卡控制电磁吸合装置的吸和合，压头压入试件的力信号由力传感器采集，信号通过力放大器传递高频采集卡，进而传输到工控机，数字散斑信号由采集设备采集交由工控机进一步处理
实施例：
参见图1至图3所示，本发明的基于数字散斑的变温冲击压痕测试装置，包括冲击试验机、可更换的摆锤头、电磁吸合机构、轨道、入射杆夹持机构、数字散斑仪器、加热机构。
参见图1所示，本发明的平台10采用隔振台，在表面钻有40mm间距的螺纹孔，经设计保证各个部件的安装位置，之后将冲击试验机1放置在平台10上，根据实验设计研究所需的子弹17冲击速度选择合适的摆锤头2，摆锤头2通过螺纹连接在摆锤杆3上，摆锤杆3通过固定片5固定在摆锤杆支撑座4上，实验开始前，调整冲击试验机1的位置，保证摆锤在最下方时与子弹实现正碰，选好位置后，通过螺栓将两者固定在平台。同时，摆锤杆3上摆并通过电磁吸合机构6的豁口被吸合在固定位置。实验开始时，对电磁吸合机构6施电使摆锤杆3下摆撞击子弹17。固定片5通过摆锤杆支撑座4上的螺纹对摆锤杆3进行轴向定位，保证其能只在固定平面内进行圆周运动。
子弹17露出部分使得摆锤可以只与子弹进行碰撞，防止撞到轨道7，子弹17放置在轨道7中，让子弹可以沿着直线运动，并于入射杆12进行正碰，质量块15、入射套16紧靠在一起且套在入射杆12外侧，防止压痕实验反射回来的应力波对试件进行二次加载。
参见图2所示，入射杆12通过入射杆夹持机构13实现固定。入射杆夹持机构13通过下方螺纹旋进基座14内，基座14四周钻有螺纹孔，调整基座位置保证入射杆12和子弹17正碰，实验开始前，调整两个基座14的相对位置，保证入射杆12的平衡，在入射杆夹持机构13中，有三枚锁紧螺母18将夹持片19固定在其中，外部有两个弹簧复位旋钮20，通过夹紧弹簧复位旋钮20使得入射杆夹持机构13内部的弹簧压缩，让夹持片19打开不同角度，使得内部空隙进行调节，以应对不同直径的入射杆12进行实验，同时也保证夹具对入射杆的夹紧功能。
参见图3所示，压头26的尾部圆柱的外部套有压头套21，两者通过过盈配合在一起，压头套21一侧钻有螺纹孔，压头锁紧螺母22旋入将压头26固定在压头套21内。同时，压头26和压头套26波阻抗相同，保证应力波不受损失。
放置在试件支撑架11上的圆柱形的试件23的外圈套有加热机构25，加热机构头端设计为圆形，两个加热机构头部成镜像放置，节省安放空间，加热机构内部通以电流，同时将引起试件内部形成涡旋电流，进而加热试件，使试件达到理想温度，对于不同材料的时间，可以调整不同的电流大小已达到不同温度下，材料随温度的动态硬度等材料特性数据，试件通过双面胶粘到力传感器24的测量表面，力传感器24尾部安放在试件支撑件11中。在平台10侧方，放置数字散斑仪器9对实验中的试件的应变情况进行实时测量。数字散斑仪器9放置在三脚架8上，通过调节三脚架的高度和视角，将图像调至清晰。实验开始前，打开数字散斑，对试件的信息进行采集，试验中记录在压头压入过程中，试件的应变随时间的变化以及压坑周围的应变分布。
试验结束后，停止线圈的加热，待温度恢复至室温，撤下加热机构，拿出试件，放置在已配置好的溶液中，为接下来的检测做准备。
在测试的整个过程中，力信号通过试件后方的高频力传感器和采集调试系统采集，实验结束后，为了探究试件的压痕形貌及变形损伤情况，将通过电子显微镜等测试仪器对上述进行观测，并同时记录图像。数字散斑仪器将记录材料随压痕实验进行时材料的应变等数据，结合控制处理软件，将得出在不同工况温度下，动态硬度、力-压深曲线、以及率敏感性等数据。
以上所述仅为本发明的优选实例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡对本发明所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (5)
1.一种基于数字散斑的变温冲击压痕测试装置，其特征在于：包括冲击试验机（1）、可更换的摆锤头（2）、电磁吸合机构（6）、轨道（7）、入射杆夹持机构（13）、数字散斑仪器（9）、加热机构（25），摆锤头（2）通过螺纹连接在摆锤杆（3）上，摆锤杆（3）通过固定片（5）固定在摆锤杆支撑座（4）上，实验开始前，摆锤杆（3）被吸合在电磁吸合机构（6）上；
子弹（17）放置在轨道（7）中，质量块（15）、入射套（16）紧靠在一起且放置在入射杆（12）外侧，入射杆（12）放置在入射杆夹持机构（13）中；
放置在试件支撑架（11）上的圆柱形的试件（23）外圈套有加热机构（25），试件（23）粘到力传感器（24）的测量表面，在平台（10）侧方放置数字散斑仪器（9）。
2.根据权利要求1所述的基于数字散斑的变温冲击压痕测试装置，其特征在于：所述的固定片（5）通过摆锤杆支撑座（4）上的螺纹对摆锤杆（3）进行轴向定位。
3.根据权利要求1所述的基于数字散斑的变温冲击压痕测试装置，其特征在于：所述的入射杆（12）、质量块（15）、入射套（16）以及子弹（17）的材料相同，同时横截面积和长短相互匹配；同时，选取不同的摆锤头（2）大小和质量与子弹（17）的冲击速度相配合。
4.根据权利要求1所述的基于数字散斑的变温冲击压痕测试装置，其特征在于：所述的入射杆（12）固定在入射杆夹持机构（13）中，通过弹簧复位旋钮（20）调节入射杆夹持机构（13）中的弹簧，可旋转夹持片（19）进而装夹不同直径的入射杆（12）。
5.根据权利要求1所述的基于数字散斑的变温冲击压痕测试装置，其特征在于：所述的数字散斑仪器（9）聚焦在试件（23）被压的实验表面，对试件（23）实验过程中的应变情况进行实时测量。
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Legal Events
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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