CN111024535A - 里氏硬度非标试验方法及冲击硬度计 - Google Patents

里氏硬度非标试验方法及冲击硬度计 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种里氏硬度非标试验方法，可在非标准状态下根据冲击角度、测量距离以及试件温度等对测量或计算结果进行修正，简化了操作步骤，提高了测试效率，扩大了适用范围。此外，本发明还涉及一种冲击硬度计，其测量系统包括角度测量模块或温度测量模块，可在非标准状态下实现对金属材料里氏硬度的检测。

Description

里氏硬度非标试验方法及冲击硬度计
技术领域
本发明属于一种表面硬度试验方法，尤其是一种在非标准状态下根据里氏硬度的试验原理来测试材料表面硬度的试验方法。
本发明还涉及一种冲击硬度计，包括壳体、冲击体、驱动系统、测量系统，测量系统包括角度测量模块或温度测量模块，可在非标准状态下（非标准角度、非标准温度等）根据里氏硬度的试验原理测试材料的表面硬度。
背景技术
硬度是材料的一项基本性质，金属的里氏硬度是冶金、机械等行业的一个常规测试项目，相关的标准包括《金属材料 里氏硬度试验 第1部分：试验方法》GB/T17394.1-2014和《金属材料 里氏硬度试验 第2部分：硬度计的检验和校准》GB/T17394.2-2012等。在上述标准中，里氏硬度是以冲击体的回弹速度与冲击速度的比值来表征。其标准状态包括：冲击体沿重力方向冲击并回弹，测试面垂直于冲击方向，冲击速度和回弹速度的测量位置距测试面1mm，试件和环境的温度介于10℃~35℃范围内。
由于冲击体具有一定的质量，当冲击方向与重力方向有偏差或冲击方向与测试面不垂直时，受地球引力以及反射定律的影响，冲击体在冲击或回弹时的速度将有一定的偏差；在较大的温差下，材料的硬度会有一定的差异。因此，准确测量金属材料的里氏硬度需要严格在标准状态下进行操作，但这无疑增大了测试人员的操作难度，影响工作效率。此外，对于某些大型设备、不规则工件以及高温在线质量控制等场合，不能满足上述标准状态的要求，因而也限制了里氏硬度乃至冲击类试验方法的适用范围。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种里氏硬度非标试验方法，克服现有里氏硬度试验方法对标准状态的限制，简化操作过程，提高工作效率，扩大适用范围。
与此相应，本发明另一个要解决的技术问题是提供一种冲击硬度计，可在非标准状态下根据里氏硬度的试验原理测试材料的表面硬度。
就里氏硬度非标试验方法而言，本发明的试验方法在步骤中增加了对冲击速度或回弹速度所测结果进行修正，或者对按标准试验方法的计算式求得的里氏硬度进行修正。上述修正可根据物理原理或实验数据，结合具体的非标准状态，经理论推导或统计分析而得。
与现有技术相比，本发明的里氏硬度非标试验方法具有以下有益效果：由于增加了对冲击速度或回弹速度的结果进行修正或者对按标准试验方法的计算式求得的里氏硬度进行修正的步骤，从而可对标准状态不做严格限定，简化了操作步骤，提高了测试效率，扩大了适用范围。
优选的，修正包括角度修正、距离修正或温度修正。金属材料里氏硬度的试验结果受冲击角度、测量位置或试件温度的影响，因而在这三个方面对所测结果进行修正，可扩大试验方法的适用范围。
优选的，在进行角度修正时，包括冲击方向与水平面的夹角或冲击方向与测试面法线的夹角。由于上述两种角度偏差均会对测量结果造成影响，因而在角度修正时应根据具体的非标准状态分别进行修正。
就冲击硬度计而言，本发明的冲击硬度计包括壳体、冲击体、驱动系统、测量系统，测量系统包括角度测量模块或温度测量模块。
与现有技术相比，本发明的冲击硬度计具有以下有益效果：由于在测量系统中增加了角度测量模块或温度测量模块，可在非标准状态下（非标准角度、非标准温度等）对所测结果提供修正依据，从而实现在非标准状态下的里氏硬度试验。
优选的，角度测量模块在进行测量时，包括冲击方向与水平面的夹角或冲击方向与测试面法线的夹角。由于上述两种角度偏差均会对测量结果造成影响，因而需要角度测量模块根据具体的非标准状态对所测结果的修正分别提供依据，从而保证结果的准确可靠。
优选的，测量系统还包括距离测量模块。冲击体的冲击速度或回弹速度的测量结果受测量位置的影响，距离测量模块可在测量位置上对所测结果的修正提供依据，从而扩大试验方法的适用范围。
优选的，测量系统还包括弧面测量模块。当测试面为弧面（内凹或外凸）时，所测结果将会有偏差。弧面测量模块可测量测试面的状态，从而保证结果的真实有效。
优选的，还包括信号警示装置。各类硬度试验方法（包括标准状态下和非标准状态下）均有其适用范围，当超出其适用范围时，所测结果的准确性将无法保证。信号警示装置可根据预设的触发条件，通过声、光、振动等方式发出警示信号，对此时的试验状态或测试结果进行警示，便于试验人员的实际操作以及对结果的控制。
优选的，可以是分体式结构或一体式结构。分体式的冲击硬度计使用灵活，部件可换，功能丰富；一体式的冲击硬度计质轻便携，操作简单，便于维护。由于应用场景不同，试验人员对设备的要求也不同，不同结构形式的冲击硬度计可满足不同人员对设备的需求。此外，分体式的冲击硬度计还可以是主机-从机模式，即一台主机连接多台从机，由从机分别完成在各测试面的冲击回弹操作，由主机对数据进行运算处理及汇总统计。
附图说明
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明。
图1是里氏硬度标准试验方法的冲击回弹解析图；
图2是本发明的里氏硬度非标试验方法第一种实施方式的冲击回弹解析图；
图3是本发明的里氏硬度非标试验方法及冲击硬度计第一种实施方式的示意图；
图4是本发明的里氏硬度非标试验方法第二种实施方式的冲击回弹解析图；
图5是本发明的里氏硬度非标试验方法及冲击硬度计第二种实施方式的示意图；
图6是本发明的里氏硬度非标试验方法及冲击硬度计第二种实施方式的导向管底视图；
图7是本发明的里氏硬度非标试验方法第三种实施方式的冲击回弹解析图；
图8是本发明的里氏硬度非标试验方法及冲击硬度计第三种实施方式的示意图；
图9是本发明的冲击硬度计第四种实施方式的示意图；
图10是本发明的冲击硬度计第四种实施方式的导向管底视图；
其中：1、被测试件，2、释放按钮，3、键盘，4、屏幕，5、导向管，6、测试孔，7、打印机，8、连接线，9、测位盘，10、激光测距传感器，11、警示器，12、无线传输模块，13、红外温度传感器，14、壳体。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例来对本发明的里氏硬度非标试验方法及冲击硬度计做进一步的详细描述，以求更为清楚地理解本发明的试验步骤、结构组成和使用方式，但不能以此来限制本发明的保护范围。
里氏硬度标准试验方法的冲击回弹解析图如图1所示，在标准状态下，冲击体沿重力线方向由上向下垂直冲击测试面。设冲击体质量为m，冲击点为O，测量速度的位置为A，A与O两点间的距离为h，冲击体在A点的冲击速度为VA，在O点冲击前瞬间的速度为VO，在O点冲击后瞬间的速度为VO'，回弹到A点的回弹速度为VR，重力加速度取g。根据能量守恒定律可知：
Figure DEST_PATH_IMAGE001
（1）
Figure 505428DEST_PATH_IMAGE002
（2）
本发明的里氏硬度非标试验方法第一种实施方式的冲击回弹解析图如图2所示，冲击体由上向下垂直冲击测试面，冲击方向与重力线的夹角为α。设冲击体质量为m，冲击点为O，测量速度的位置为A1，A1与O两点间的垂直距离为h·cosɑ，冲击体在A1点的冲击速度为VA1，在O点冲击前瞬间的速度为VO1，在O点冲击后瞬间的速度为VO1'，回弹到A1点的回弹速度为VR1，重力加速度取g。根据能量守恒定律可知：
Figure DEST_PATH_IMAGE003
（3）
Figure 48668DEST_PATH_IMAGE004
（4）
假设除冲击方向与重力线存在夹角α之外，图2和图1中的其它试验条件（包括冲击体、被测试件等）均保持不变，则两种试验条件下冲击体在O点冲击瞬间的前后速度应具有同样的变化规律。因而令VO=VO1，VO'=VO1'，根据式（1）、式（2）、式（3）和式（4）则可建立VA与VA1、VR与VR1的关系：
Figure DEST_PATH_IMAGE005
（5）
Figure 703771DEST_PATH_IMAGE006
（6）
整理式（5）和式（6）后可得：
Figure DEST_PATH_IMAGE007
（7）
Figure 974346DEST_PATH_IMAGE008
（8）
本发明里氏硬度非标试验方法及冲击硬度计的第一种实施方式如图3所示。被测试件1的测试面为斜面，冲击硬度计为一体式。先通过键盘3设置冲击硬度计的初始参数，将导向管5垂直于测试面放置，冲击硬度计内部的角度测量模块采用LIS3DH芯片，可自动识别并采集导向管5与重力线的夹角。按下释放按钮2，使冲击硬度计内部的冲击体沿导向管5垂直冲击测试面，并回弹。冲击硬度计的数据处理系统根据冲击方向与重力线的夹角按式（7）和式（8）分别对冲击体在冲击前后的速度进行修正，之后按里氏硬度标准试验方法的计算式计算里氏硬度，相应结果通过屏幕4予以显示输出。
本发明的里氏硬度非标试验方法第二种实施方式的冲击回弹解析图如图4所示。测试面呈水平状态，冲击体由上向下冲击试件，其冲击方向与测试面法线的夹角为β。设冲击体质量为m，冲击点为O，测量速度的位置为A2，A2与O两点间的垂直距离为h·cosβ，冲击体在A2点的冲击速度为VA2，在O点冲击前瞬间的速度为VO2，在O点冲击后瞬间的速度为VO2'，在无侧向约束条件下按反射定律回弹到A2'点（OA2和OA2’以OA为对称轴，A2点为A2’点在OA2方向上的投影点）的回弹速度为VA2'，VA2'在OA2方向上的速度向量为VR2，重力加速度取g。根据能量守恒定律和向量合成分解可知：
Figure DEST_PATH_IMAGE009
（9）
Figure 664085DEST_PATH_IMAGE010
（10）
Figure DEST_PATH_IMAGE011
（11）
假设除冲击方向与测试面法线存在夹角β之外，图4和图1中的其它试验条件（包括冲击体、被测试件等）均保持不变，则两种试验条件下冲击体在O点冲击瞬间的前后速度应具有同样的变化规律。因而令VO=VO2，VO'=VO2'，根据式（1）、式（2）、式（9）、式（10）和式（11）则可建立VA与VA2、VR与VR2的关系：
Figure 361914DEST_PATH_IMAGE012
（12）
Figure DEST_PATH_IMAGE013
（13）
整理式（12）和式（13）后可得：
Figure 504313DEST_PATH_IMAGE014
（14）
Figure DEST_PATH_IMAGE015
（15）
本发明里氏硬度非标试验方法及冲击硬度计的第二种实施方式如图5和图6所示。被测试件1的表面为水平面，冲击硬度计为分体式，冲击装置通过连接线8与主机相连。先通过键盘3设置冲击硬度计的初始参数，将导向管5置于测试面，导向管5与测试面法线不垂直，冲击硬度计内部的角度测量模块采用LIS3DH芯片，可自动识别并采集导向管5与重力线的夹角。按下释放按钮2，使冲击硬度计内部的冲击体沿导向管5冲击测试面，并回弹。在测位盘9上有3个激光测距传感器分布在测试孔6的外围，3个激光测距传感器分别测量其距测试面的距离，通过所测得的3个距离值即可求得导向管5与测试面法线的夹角。冲击硬度计的数据处理系统根据冲击方向与测试面法线的夹度按式（14）和式（15）分别对冲击体在冲击前后的速度进行修正，之后按里氏硬度标准试验方法的计算式计算里氏硬度，相应结果通过屏幕4或打印机7予以输出。
本发明的里氏硬度非标试验方法第三种实施方式的冲击回弹解析图如图7所示。冲击体沿重力线方向由上向下垂直冲击测试面。设冲击体质量为m，冲击点为O，测量速度的位置为A3，A3与O两点间的距离为h3，冲击体在A3点的冲击速度为VA3，在O点冲击前瞬间的速度为VO3，在O点冲击后瞬间的速度为VO3'，回弹到A3点的回弹速度为VR3，重力加速度取g。根据能量守恒定律可知：
Figure 578579DEST_PATH_IMAGE016
（16）
Figure DEST_PATH_IMAGE017
（17）
假设除测量速度的位置存在不同之外，图7和图1中的其它试验条件（包括冲击体、被测试件等）均保持不变，则两种试验条件下冲击体在O点冲击瞬间的前后速度应具有同样的变化规律。因而令VO=VO3，VO'=VO3'，根据式（1）、式（2）、式（16）和式（17）则可建立VA与VA3、VR与VR3的关系：
Figure 122824DEST_PATH_IMAGE018
（18）
Figure DEST_PATH_IMAGE019
（19）
本发明里氏硬度非标试验方法及冲击硬度计的第三种实施方式如图8所示。被测试件1的表面为水平面，冲击硬度计为分体式，冲击装置与主机分别设有电池，两者通过无线传输模块12相接，冲击装置中测量速度的位置为非标准状态。先通过键盘3设置冲击硬度计的初始参数，将导向管5垂直放置在测试面上。通过键盘3启动冲击体，使冲击体沿导向管5垂直冲击测试面，并回弹。通过主机上的键盘3选择或设置测量速度的位置，距离识别模块识别并采集该与测试面的距离，数据处理系统根据此距离按式（18）和式（19）分别对冲击体在冲击前后的速度进行修正，之后按里氏硬度标准试验方法的计算式计算里氏硬度，相应结果通过屏幕4。
本发明冲击硬度计的第四种实施方式如图9和图10所示。被测试件1的表面为弧面，冲击硬度计为分体式，主机为安装有专用软件的智能手机，冲击装置与智能手机通过无线传输模块12相接。先通过专用软件设置冲击硬度计的初始参数，将导向管5水平抵靠在测试面上，冲击硬度计内部的角度测量模块采用LIS3DH芯片，可自动识别并采集导向管5与重力线的夹角，环境温度数据由LIS3DH芯片内置的温度传感器采集。位于测位盘9上的6个（内外环各3个）激光测距传感器分别测量其距测试面的距离，通过所测得的6个距离值即可求得测试面的弧度；位于测位盘9上的红外温度传感器13测量试件的温度。按下释放按钮2使冲击体沿导向管5水平冲击测试面，并回弹。冲击硬度计的数据处理系统根据冲击方向与重力线的夹角按式（7）和式（8）分别对冲击体在冲击前后的速度进行修正，之后按里氏硬度标准试验方法的计算式计算里氏硬度，再根据所测得的温度情况对计算后的里氏硬度进行修正，相应结果由智能手机显示并储存。当试件温度或环境温度以及弧面测量模块测得的测试面弧度达到预设条件时，警示器11或智能手机则发出声、光或振动等警示信号。
除了上述实施例和使用方式说明外，本发明的里氏硬度非标试验方法及冲击硬度计还存在其他类似的试验步骤、结构形式和使用方式，同样可以完成本发明的发明目的；有关角度、距离和温度的测量，也存在其它不同的组合形式，其修正方式可以是代数算式形式也可以是数据表格形式；其它影响里氏硬度的试验条件，如测试面的弧度、试件的厚度等也可以采取类似的修正方法。只要对于本领域技术人员来说是显而易见的变换、替代和组合，均应落在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种里氏硬度非标试验方法，试验步骤包括：
a. 将具有一定能量的冲击体冲击被测物体的测试面，
b. 测量冲击体在冲击前的冲击速度和冲击后的回弹速度，
c. 按标准试验方法的计算式求得被测物体的里氏硬度；
其特征在于：试验步骤还包括对所述冲击速度或所述回弹速度的测量结果进行修正，或者还包括对按标准试验方法的计算式求得的所述里氏硬度进行修正。
2.按权利要求1所述的里氏硬度非标试验方法，其特征在于：所述修正包括角度修正、距离修正或温度修正。
3.按权利要求2所述的里氏硬度非标试验方法，其特征在于：所述角度包括冲击方向与水平面的夹角或冲击方向与测试面法线的夹角。
4.一种可实现权利要求1所述里氏硬度非标试验方法的冲击硬度计，包括壳体、冲击体、驱动系统、测量系统，其特征在于：所述测量系统包括角度测量模块或温度测量模块。
5.按权利要求4所述的冲击硬度计，其特征在于：所述角度包括冲击方向与水平面的夹角或冲击方向与测试面法线的夹角。
6.按权利要求4所述的冲击硬度计，其特征在于：所述测量系统还包括距离识别模块。
7.按权利要求4所述的冲击硬度计，其特征在于：所述测量系统还还包括弧面测量模块。
8.按权利要求4所述的冲击硬度计，其特征在于：还包括信号警示装置。
9.按权利要求4所述的冲击硬度计，其特征在于：可以是分体式结构或一体式结构。
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