CN110794040A - 硬质合金材料的弹性模量测试装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种硬质合金材料的弹性模量测试装置及方法，其中，该装置包括：信号发生器、发射换能器、接收换能器、示波器和处理器，其中，信号发生器与发射换能器连接，用于发射脉冲信号；发射换能器用于将脉冲信号转为第一超声信号，并将第一超声信号传递至待测试样；接收换能器用于接收第一超声信号穿过待测试样后的第二超声信号；示波器与接收换能器连接，用于将第二超声信号变换为可视化图像；处理器与示波器连接，用于导出并处理可视图像中的图像数据，通过第二超声信号中相邻脉冲波形的对应波峰峰位差可得到待测试样的弹性模量。该装置结构简单，价格低廉，操作简单，且整个装置可以移动，方便实现对硬质合金刀具等不规则小件的测量。

Description

硬质合金材料的弹性模量测试装置及方法

技术领域

本发明涉及弹性模量检测技术领域，特别涉及一种硬质合金材料的弹性模量测试装置及方法。

背景技术

弹性模量是硬质合金性能的重要表征，可用于间接评估硬质合金耐磨性、断裂韧性等物理量，准确的弹性模量测量对硬质合金材料的性能评估和优化设计具有重要的意义。

相关技术中，对硬质合金弹性模量的测量主要有压痕法、振动分析法、三点弯曲法和超声波声速法测量，其中，纳米压痕法是利用纳米压痕仪通过力与压头压入深度的曲线计算出材料的弹性模量；振动分析法(纵向振动法)主要通过分析超声共振频率得到固体材料样品的弹性常数。试样的机械共振频率由材料的弹性模量、密度和试样的几何尺寸确定。当试样的形状、密度已知的情况下，可利用扫频测量推导试样的弹性模量；三点弯曲法用带有硬质合金圆棒的压头施加集中载荷使试样发生弯曲形变，通过构建载荷与试样挠度的关系可求出试样的弹性模量；传统的超声波声速法测弹性模量采用单脉冲探头进行测量，通过测量二次回波与一次回波的时间差和试样厚度已得到超声波横波、纵波速度。

然而，相关技术中的主要测量方法都存在不少缺点，具体如下：纳米压痕法的测量需在纳米尺度，对制样要求较高，纳米压痕设备及使用成本较高，测量误差大，且为有损测量；振动分析法价格高昂，该设备难以大规模地推广使用；三点弯曲法对设备力和位移精度要求高，试样规格较声速大，且为有损测量；传统的超声波声速法测弹性模量需要通过测量一次反射波和二次反射波之间的差值才可获得声波传播时间，造成信号强度变弱，测量误差变大。

因此，亟待一种新型测量方式解决上述相关技术存在的各种问题。

发明内容

本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。

为此，本发明的一个目的在于提出一种硬质合金材料的弹性模量测试装置。

本发明的另一个目的在于提出一种硬质合金材料的弹性模量测试方法，该方法能方便快捷地测量硬质合金材料的超声波传播速度，并进一步得出材料的弹性模量。

为达到上述目的，本发明一方面实施例提出了硬质合金材料的弹性模量测试装置，包括：信号发生器、发射换能器、接收换能器、示波器和处理器，其中，所述信号发生器与所述发射换能器连接，用于发射脉冲信号；所述发射换能器与待测试样连接，用于将所述脉冲信号转为第一超声信号，并将所述第一超声信号传递至所述待测试样；所述接收换能器与所述待测试样连接，用于接收所述第一超声信号穿过所述待测试样后的第二超声信号；所述示波器与所述接收换能器连接，用于将所述第二超声信号变换为可视化图像；所述处理器与所述示波器连接，用于导出并处理所述可视图像中的图像数据，得到所述待测试样的弹性模量。

本发明实施例的硬质合金材料的弹性模量测试装置，将传统的单探头脉冲测量法改为双探头脉冲测量，能够直接测量直通波和直通波的一次反射波得到声波传播时间，可测量的样本直径可以适当放宽，相同条件下能够提高信号强度和信噪比，同时，根据声波在材料内的传播速度与材料密度计算出材料的弹性模量，通过对超声波声波波峰的检测，能方便快捷地测量硬质合金材料的超声波传播速度，并进一步得出材料的弹性模量，可适用于质地均匀、各向同性、材料非分散的，各种形状和尺寸硬质合金产品的弹性模量的测量。

另外，根据本发明上述实施例的硬质合金材料的弹性模量测试装置还可以具有以下附加的技术特征：

进一步地，在本发明的一个实施例中，所述发射换能器为直探头或法线入射横波探头，所述直探头的发射换能器用于将所述脉冲信号转化为超声纵向信号，所述法线入射横波探头的发射换能器用于将所述脉冲信号转化为超声横波信号。

进一步地，在本发明的一个实施例中，所述接收换能器为直探头或法线入射横波探头，所述直探头的接收换能器用于接收超声纵波信号穿过所述待测试样后的第二超声纵波信号，所述法线入射横波探头的接收换能器用于接收超声横波信号穿过所述待测试样后的第二超声横波信号。

进一步地，在本发明的一个实施例中，还包括：试样夹持装置，所述试样夹持装置通过螺纹分别与所述发射换能器和所述接收换能器接连，所述试样夹持装置中间设有孔槽，用于固定所述待测试样。

进一步地，在本发明的一个实施例中，所述导出并处理所述可视图像中的图像数据，得到所述待测试样的弹性模量，进一步包括：导出所述图像数据，其中，所述图像数据为穿过所述待测试样的直通波和其一次反射波对应的波峰峰位差；对所述波峰峰值差和所述声波传播时间进行计算处理，得到声波声速；根据所述声波声速求得所述弹性模量，其中，

，式中，T＝_L/_s，C_L为待测试样中纵波声速，C_s为待测试样中横波声速，ρ为介质的密度，E为弹性模量。

为达到上述目的，本发明另一方面实施例提出了硬质合金材料的弹性模量测试方法，包括以下步骤：利用信号发生器向发射换能器发射脉冲信号；利用所述发射换能器将所述脉冲信号转为第一超声信号，并将所述第一超声信号传递至待测试样；利用接收换能器接收所述第一超声信号穿过所述待测试样后的第二超声信号，并将所述第二超声信号传递至示波器；通过所述示波器将所述第二超声信号可视化，以导出图像数据；利用处理器将所述图像数据进行计算处理，得到所述待测试样的弹性模量。

本发明实施例的硬质合金材料的弹性模量测试方法，根据声波在材料内的传播速度与材料密度计算出材料的弹性模量，通过对超声波声波波峰的检测，能方便快捷地测量硬质合金材料的超声波传播速度，并进一步得出材料的弹性模量，可适用于质地均匀、各向同性、材料非分散的，各种形状和尺寸硬质合金产品的弹性模量的测量。

另外，根据本发明上述实施例的硬质合金材料的弹性模量测试方法还可以具有以下附加的技术特征：

进一步地，在本发明的一个实施例中，所述发射换能器为直探头或法线入射横波探头，所述直探头的发射换能器用于将所述脉冲信号转化为超声纵向信号，所述法线入射横波探头的发射换能器用于将所述脉冲信号转化为超声横波信号。

进一步地，在本发明的一个实施例中，所述接收换能器为直探头或法线入射横波探头，所述直探头的接收换能器用于接收超声纵波信号穿过所述待测试样后的第二超声纵波信号，所述法线入射横波探头的接收换能器用于接收超声横波信号穿过所述待测试样后的第二超声横波信号。

进一步地，在本发明的一个实施例中，所述图像数据为穿过所述待测试样的直通波和其一次反射波对应的波峰峰位差。

进一步地，在本发明的一个实施例中，所述利用处理器将所述图像数据进行计算处理，得到所述待测试样的弹性模量，进一步包括：对所述波峰峰位差进行计算处理，得到声波声速；根据所述声波声速求得所述弹性模量，其中，

式中，T＝C_L/C_s，C_L为待测试样中纵波声速，C_s为待测试样中横波声速，ρ为介质的密度，E为弹性模量。

本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

本发明上述的和/或附加的方面和优点从下面结合附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1为根据本发明一个实施例的硬质合金材料的弹性模量测试装置结构示意图(处理器未标出)；

图2为根据本发明一个实施例的试样夹持装置的结构示意图；

图3为根据本发明一个实施例的超声波穿过试样示意图；

图4为根据本发明一个实施例的超声波在试样中传播图像，其中，箭头粗细代表能量大小；

图5为根据本发明一个实施例的硬质合金材料的弹性模量测试方法流程图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

下面参照附图描述根据本发明实施例提出的硬质合金材料的弹性模量测试装置及方法，首先将参照附图描述根据本发明实施例提出的硬质合金材料的弹性模量测试装置。

图1是本发明一个实施例的硬质合金材料的弹性模量测试装置结构示意图。

如图1所示，该硬质合金材料的弹性模量测试装置10包括：信号发生器100、发射换能器200、接收换能器300、示波器400和处理器(图中未标出)。

其中，信号发生器100与发射换能器200连接，用于发射脉冲信号。发射换能器200与待测试样500连接，用于将脉冲信号转为第一超声信号，并将第一超声信号传递至待测试样500。接收换能器300与待测试样500连接，用于接收第一超声信号穿过待测试样500后的第二超声信号。示波器400与接收换能器300连接，用于将第二超声信号变换为可视化图像。处理器与示波器400连接，用于导出并处理可视图像中的图像数据，得到待测试样500的弹性模量。

进一步地，在本发明的一个实施例中，发射换能器200为直探头或法线入射横波探头，直探头的发射换能器200用于将脉冲信号转化为超声纵向信号，法线入射横波探头的发射换能器200用于将脉冲信号转化为超声横波信号。

进一步地，在本发明的一个实施例中，接收换能器300为直探头或法线入射横波探头，直探头的接收换能器300用于接收超声纵波信号穿过待测试样后的第二超声纵波信号，法线入射横波探头的接收换能器300用于接收超声横波信号穿过待测试样后的第二超声横波信号。

需要说明的是，本发明实施例需要分别测量纵波声速和横波声速，进而计算弹性模量。如，可以先使用直探头发射换能器200和直探头接收换能器300，信号发生器100发射脉冲信号，直探头发射换能器200接收到脉冲信号后，将脉冲信号转为第一超声纵波信号传递至待测试样500，第一超声纵波信号穿过待测试样500，直探头接收换能器300接收穿过后的第二超声纵波信号，并将信号传递给示波器400，可视化图像显示纵波信号变化，再使用法线入射横波探头发射换能器200和法线入射横波探头接收换能器300，信号发生器100发射脉冲信号，法线入射横波探头发射换能器200接收到脉冲信号后，将脉冲信号转为第一超声横波信号传递至待测试样500，第一超声横波信号穿过待测试样500，法线入射横波探头接收换能器200接收穿过后的第二超声纵波信号，并将信号传递给示波器400，以可视化图像显示横波信号变化。或是，先使用法线入射横波探头发射换能器200和法线入射横波探头接收换能器300，后使用直探头发射换能器200和直探头接收换能器300。

进一步地，在本发明的一个实施例中，还包括：试样夹持装置600，试样夹持装置600通过螺纹分别与发射换能器200和接收换能器300接连，试样夹持装置600中间设有孔槽，用于固定待测试样500。

如图2所示，结构600为试样夹持装置，结构600与发射换能器200和接收换能器300通过螺纹连接，且结构600中间的孔槽可以用来放置试样。

进一步地，在本发明的一个实施例中，导出并处理可视图像中的图像数据，得到待测试样的弹性模量，进一步包括：

导出图像数据，其中，图像数据为穿过待测试样的直通波和其一次反射波对应的波峰峰位差；

对波峰峰位差进行计算处理，得到声波声速；

根据声波声速求得弹性模量，其中，

式中，T＝C_L/C_s，C_L为待测试样中纵波声速，C_s为待测试样中横波声速，ρ为介质的密度，E为弹性模量。

具体地，如图3所示，声波在试样中传播，声波的大部分能量直接穿过试样,剩下的能量在试样中多次反射。

导出图像数据后，通过直通波和其一次反射波对应的波峰峰位差，以及预先得知的试样厚度，即可测量声波声速(纵波或横波)：

C＝2h/t

其中，h为试样厚度，t为传播峰位时间差；

根据上述测量的横波声速和纵波声速求得待测试样材料的弹性常数和泊松常量，如下：

T＝C_L/C_s,C_L为介质中纵波声速，C_s为介质中横波声速，ρ为介质的密度，E为杨氏模量，σ为泊松常量。

下面举例具体数据对本发明实施例提出的弹性模量测试装置的工作原理进行详细说明。

步骤一，信号发生器100发射脉冲信号，脉冲幅度为200V～500V，脉冲宽度为(0.1～0.512)μs，与发射换能器200直接相连；

步骤二，发射换能器200为直探头，频率为5MZ～20MZ，直探头将信号发生器的脉冲信号转为超声纵波信号；

步骤三，待测试样500直径3～20mm，厚度为2～8mm，将待测试样500放入试样夹持装置600的孔槽中，在直探头端面抹上一层超声波耦合剂，将换能器拧入试样夹持装置600的内螺纹孔中；

步骤四，直探头接收换能器300，频率5MZ～20MZ，直探头可以接受超声纵波信号；

步骤五，将示波器和处理器连接好后，接通电源；

步骤六，通过示波器获得超声波纵波在试样中随时间变化的传播图像，如图4所示，其中t₁,t₂为对应的两次波峰时间；

步骤七，导出纵波图像数据；

步骤八，将直探头换为法线入射横波探头和法线接收横波探头，重复步骤一至七，导出横波图像数据；

步骤九，处理器对纵波图像数据和横波图像数据进行处理，求得待测试样材料的弹性模量；

步骤十，关闭各实验仪器电源，整理仪器。

根据本发明实施例提出的硬质合金材料的弹性模量测试装置，将传统的单探头脉冲测量法改为双探头脉冲测量，能够直接测量直通波和直通波的一次反射波得到声波传播时间，可测量的样本直径可以适当放宽，相同条件下能够提高信号强度和信噪比，同时，根据声波在材料内的传播速度与材料密度计算出材料的弹性模量，通过对超声波声波波峰的检测，能方便快捷地测量硬质合金材料的超声波传播速度，并进一步得出材料的弹性模量，可适用于质地均匀、各向同性、材料非分散的，各种形状和尺寸硬质合金产品的弹性模量的测量。

其次参照附图描述根据本发明实施例提出的硬质合金材料的弹性模量测试方法。

图5是本发明一个实施例的硬质合金材料的弹性模量测试方法流程图。

如图5所示，该硬质合金材料的弹性模量测试方法包括以下步骤：

在步骤S501中，利用信号发生器向发射换能器发射脉冲信号。

进一步地，在本发明的一个实施例中，发射换能器为直探头或法线入射横波探头，直探头的发射换能器用于将脉冲信号转化为超声纵向信号，法线入射横波探头的发射换能器用于将脉冲信号转化为超声横波信号。

在步骤S502中，利用发射换能器将脉冲信号转为第一超声信号，并将第一超声信号传递至待测试样。

在步骤S503中，利用接收换能器接收第一超声信号穿过待测试样后的第二超声信号，并将第二超声信号传递至示波器。

进一步地，在本发明的一个实施例中，接收换能器为直探头或法线入射横波探头，直探头的接收换能器用于接收超声纵波信号穿过待测试样后的第二超声纵波信号，法线入射横波探头的发射换能器用于接收超声横波信号穿过待测试样后的第二超声横波信号。

在步骤S504中，通过示波器将第二超声信号可视化，以导出图像数据。

进一步地，在本发明的一个实施例中，图像数据为穿过待测试样的直通波和其一次反射波对应的波峰峰位差。

在步骤S505中，利用处理器将图像数据进行计算处理，得到待测试样的弹性模量。

进一步地，在本发明的一个实施例中，利用处理器将图像数据进行计算处理，得到待测试样的弹性模量，进一步包括：

对波峰峰位差进行计算处理，得到声波声速；

根据声波声速求得弹性模量，其中，

式中，T＝C_L/C_s，C_L为待测试样中纵波声速，C_s为待测试样中横波声速，ρ为介质的密度，E为弹性模量。

根据本发明实施例提出的硬质合金材料的弹性模量测试方法，根据声波在材料内的传播速度与材料密度计算出材料的弹性模量，通过对超声波声波波峰的检测，能方便快捷地测量硬质合金材料的超声波传播速度，并进一步得出材料的弹性模量，可适用于质地均匀、各向同性、材料非分散的，各种形状和尺寸硬质合金产品的弹性模量的测量。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (10)

1.一种硬质合金材料的弹性模量测试装置，其特征在于，包括：信号发生器、发射换能器、接收换能器、示波器和处理器，其中，

所述信号发生器与所述发射换能器连接，用于发射脉冲信号；

所述发射换能器与待测试样连接，用于将所述脉冲信号转为第一超声信号，并将所述第一超声信号传递至所述待测试样；

所述接收换能器与所述待测试样连接，用于接收所述第一超声信号穿过所述待测试样后的第二超声信号；

所述示波器与所述接收换能器连接，用于将所述第二超声信号变换为可视化图像；以及

所述处理器与所述示波器连接，用于导出并处理所述可视图像中的图像数据，得到所述待测试样的弹性模量。

2.根据权利要求1所述的硬质合金材料的弹性模量测试装置，其特征在于，所述发射换能器为直探头或法线入射横波探头，所述直探头的发射换能器用于将所述脉冲信号转化为超声纵向信号，所述法线入射横波探头的发射换能器用于将所述脉冲信号转化为超声横波信号。

3.根据权利要求1所述的硬质合金材料的弹性模量测试装置，其特征在于，所述接收换能器为直探头或法线入射横波探头，所述直探头的接收换能器用于接收超声纵波信号穿过所述待测试样后的第二超声纵波信号，所述法线入射横波探头的接收换能器用于接收超声横波信号穿过所述待测试样后的第二超声横波信号。

4.根据权利要求1所述的硬质合金材料的弹性模量测试装置，其特征在于，还包括：

试样夹持装置，所述试样夹持装置通过螺纹分别与所述发射换能器和所述接收换能器接连，所述试样夹持装置中间设有孔槽，用于固定所述待测试样。

5.根据权利要求1所述的硬质合金材料的弹性模量测试装置，其特征在于，所述导出并处理所述可视图像中的图像数据，得到所述待测试样的弹性模量，进一步包括：

导出所述图像数据，其中，所述图像数据为穿过所述待测试样的直通波和其一次反射波对应的波峰峰位差；

对所述直通波和其一次反射波的波峰峰位差进行计算处理，得到声波声速；

根据所述声波声速求得所述弹性模量，其中，

式中，T＝C_L/C_s，C_L为待测试样中纵波声速，C_s为待测试样中横波声速，ρ为介质的密度，E为弹性模量。

6.一种硬质合金材料的弹性模量测试方法，采用上述权利要求1-5所述的硬质合金材料的弹性模量测试装置，其特征在于，包括以下步骤：

利用信号发生器向发射换能器发射脉冲信号；

利用所述发射换能器将所述脉冲信号转为第一超声信号，并将所述第一超声信号传递至待测试样；

利用接收换能器接收所述第一超声信号穿过所述待测试样后的第二超声信号，并将所述第二超声信号传递至示波器；

通过所述示波器将所述第二超声信号可视化，以导出图像数据；以及

利用处理器将所述图像数据进行计算处理，得到所述待测试样的弹性模量。

7.根据权利要求6所述的硬质合金材料的弹性模量测试方法，其特征在于，所述发射换能器为直探头或法线入射横波探头，所述直探头的发射换能器用于将所述脉冲信号转化为超声纵向信号，所述法线入射横波探头的发射换能器用于将所述脉冲信号转化为超声横波信号。

8.根据权利要求6所述的硬质合金材料的弹性模量测试方法，其特征在于，所述接收换能器为直探头或法线入射横波探头，所述直探头的接收换能器用于接收超声纵波信号穿过所述待测试样后的第二超声纵波信号，所述法线入射横波探头的接收换能器用于接收超声横波信号穿过所述待测试样后的第二超声横波信号。

9.根据权利要求6所述的硬质合金材料的弹性模量测试方法，其特征在于，所述图像数据为穿过所述待测试样的直通波和其一次反射波对应的波峰峰位差。

10.根据权利要求6所述的硬质合金材料的弹性模量测试方法，其特征在于，所述利用处理器将所述图像数据进行计算处理，得到所述待测试样的弹性模量，进一步包括：

对所述波峰峰位差进行计算处理，得到声波声速；

根据所述声波声速求得所述弹性模量，其中，

式中，T＝C_L/C_s，C_L为待测试样中纵波声速，C_s为待测试样中横波声速，ρ为介质的密度，E为弹性模量。

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