CN111855452A - 金属材料塑性屈服强度检测装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了金属材料塑性屈服强度检测装置，涉及材料检测技术领域，其技术方案要点是：包括检测平台、两个支撑立柱、水平横梁、伺服驱动电机、调节伸缩杆、冲击压头构件、加速度传感器、硬质合金球和待测试样固定区，待测试样固定区位于两个支撑立柱之间，待测试样固定区与硬质合金球的中心轴线垂直；检测平台侧壁设有PLC控制器和电源装置；支撑立柱侧壁可拆卸连接有触摸操作显示屏；检测平台顶面设有开关控制机构；伺服驱动电机、加速度传感器和触摸操作显示屏与PLC控制器连接。该装置采用动态载荷压痕法检测金属材料的屈服强度，能够快速测得金属材料的屈服强度，检测效率高，且检测结果精准；同时，该装置测试结构简单，操作便捷。

Description

金属材料塑性屈服强度检测装置
技术领域
本发明涉及材料检测技术领域，更具体地说，它涉及金属材料塑性屈服强度检测装置。
背景技术
屈服强度是金属材料发生屈服现象时的屈服极限，也就是抵抗微量塑性变形的应力。对于无明显屈服现象出现的金属材料，规定以产生0.2％残余变形的应力值作为其屈服极限，称为条件屈服极限或屈服强度。目前，对于生产出来的金属材料，通常都需要对其进行屈服强度的检测，以确定该金属材料是否符合设计要求。
现有技术中，对于金属材料的检测，通常采用的是万能材料试验机进行检测。目前的万能材料试验机在对金属材料的塑性屈服强度进行检测时，通过其下横梁上的碰撞块对金属材料进行撞击，或通过上横梁和下横梁上的夹爪对金属材料进行拉伸，从而实现塑性屈服强度的检测。
上述中的现有技术中对金属材料的屈服强度进行检测的过程中，不易快速、精准地操作调控好碰撞块与金属材料的距离，且通过碰撞块对金属材料的撞击并结合万能材料试验机对金属材料的屈服强度进行检测，其检测操作流程繁琐，检测效率低，检测结果不精准。
发明内容
本发明的目的是提供金属材料塑性屈服强度检测装置，该装置采用动态载荷压痕法检测金属材料的屈服强度，能够快速测得金属材料的屈服强度，检测效率高，且检测结果精准；同时，该装置测试结构简单，操作便捷。
本发明的上述技术目的是通过以下技术方案得以实现的：金属材料塑性屈服强度检测装置，包括检测平台，所述检测平台顶面间隔设有两个支撑立柱；两个所述支撑立柱顶端之间通过水平横梁连接；所述水平横梁底面中心固定连接有伺服驱动电机；所述伺服驱动电机输出端固定连接有可调节伸缩杆；所述可调节伸缩杆底端固定连接有冲击压头构件；所述冲击压头构件内部底端设有加速度传感器；所述冲击压头构件底端固定连接有硬质合金球；
所述检测平台顶面设有待测试样固定区，所述待测试样固定区位于两个支撑立柱之间，所述待测试样固定区与硬质合金球的中心轴线垂直；所述检测平台侧壁设有PLC控制器和电源装置；所述支撑立柱侧壁可拆卸连接有触摸操作显示屏；所述检测平台顶面设有开关控制机构；所述伺服驱动电机、加速度传感器和触摸操作显示屏与PLC控制器连接。
通过采用上述技术方案，在使用该装置对金属材料的屈服强度进行检测时，首先将待检测的金属试样放置于待测试样固定区进行固定，然后通过开关控制机构，控制伺服驱动电机、PLC控制器、触摸操作显示屏进行工作，然后调节可调节伸缩杆的长度，使硬质合金球底端与金属试样顶面处于合适的距离；通过触摸操作显示屏，便于设置伺服驱动电机的施加驱动力的参数；通过伺服驱动电机的工作，便于驱动冲击压头构件带动硬质合金球以预设的动能垂直冲击金属试样表面，然后通过加速度传感器记录硬质合金球冲击金属试样表面过程中的加速度-时间曲线信息，加速度传感器记录下该加速度-时间曲线信息后将该信息传递至PLC控制器中，PLC控制器接收到该加速度-时间曲线信息后，利用事先植入PLC控制器内的数据计算转换程序，将该加速度-时间曲线信息转换冲击力-压入深度曲线信息；然后再多次调节伺服驱动电机的以不同的驱动参数，驱动硬质合金球以不同的动能冲击金属试样表面，使加速度传感器获得一系列的加速度-时间曲线信息，从而通过PLC控制器转换得到一系列的冲击力-压入深度曲线信息；然后PLC控制器将获得的冲击力-压入深度曲线信息转换成表征应力和表征应变，再用表征应力和表征应变拟合出真应力-应变曲线信息，并根据真应力-应变曲线计算求出金属试样的屈服强度信息，然后PLC控制器将计算求得的金属试样的屈服强度信息传递至触摸操作显示屏上显示出来，从而完成金属试样的屈服强度的检测；该装置采用动态载荷压痕法检测金属材料的屈服强度，能够快速测得金属材料的屈服强度，检测效率高，且检测结果精准；同时，该装置测试结构简单，操作便捷。
本发明进一步设置为：所述检测平台顶面设有靠近待测试样固定区边缘的两个固定机构，两个所述固定机构分别位于待测试样固定区的两相互对称的边缘。
通过采用上述技术方案，通过固定机构，便于对待测金属试样进行固定，便于防止硬质合金球冲击待测金属试样表面时金属发生位移而影响检测结果。
本发明进一步设置为：所述固定机构包括固定基座、固定夹块和连接丝杆，所述固定基座与检测平台顶面固定连接，所述连接丝杆安装于固定基座内，且所述连接丝杆的两端部分别贯穿固定基座的两相对的侧壁延伸出固定基座外，所述连接丝杆靠近待测试样固定区的端部与固定夹块固定连接；所述连接丝杆远离估计夹块的端部固定连接有旋钮帽。
通过采用上述技术方案，在对待测金属试样进行固定的过程中，将待测金属试样放置于待测试样固定区表面，通过分别扭动两个旋钮帽，带动两个连接丝杆分别在两个固定基座内朝待测试样固定区伸长，从而带动两个固定夹块朝待测试样固定区移动，从而紧贴于待测金属试样壁面，将待测金属试样夹紧固定。
本发明进一步设置为：所述开关控制机构包括电源启动键和电机工作控制键。
通过采用上述技术方案，通过电源启动键，便于实现整个装置中的用电部件的通电；通过电机工作控制键，便于控制伺服驱动电机进行驱动工作。
本发明进一步设置为：所述硬质合金球与冲击压头构件底端可拆卸连接，所述硬质合金球的直径为1.0-2.5mm。
通过采用上述技术方案，硬质合金球与冲击压头构件底端可拆卸连接，便于更换硬质合金球的操作。
本发明进一步设置为：所述待测试样固定区顶面为磁性平面。
通过采用上述技术方案，待测试样固定区顶面为磁性平面，便于配合固定机构将待测金属试样稳定固定于待测试样固定区。
综上所述，本发明具有以下有益效果：通过触摸操作显示屏，便于设置伺服驱动电机的施加驱动力的参数；通过伺服驱动电机的工作，便于驱动冲击压头构件带动硬质合金球以预设的动能垂直冲击金属试样表面，然后通过加速度传感器记录硬质合金球冲击金属试样表面过程中的加速度-时间曲线信息，加速度传感器记录下该加速度-时间曲线信息后将该信息传递至PLC控制器中，PLC控制器接收到该加速度-时间曲线信息后，利用事先植入PLC控制器内的数据计算转换程序，将该加速度-时间曲线信息转换冲击力-压入深度曲线信息；然后再多次调节伺服驱动电机的以不同的驱动参数，驱动硬质合金球以不同的动能冲击金属试样表面，使加速度传感器获得一系列的加速度-时间曲线信息，从而通过PLC控制器转换得到一系列的冲击力-压入深度曲线信息；然后PLC控制器将获得的冲击力-压入深度曲线信息转换成表征应力和表征应变，再用表征应力和表征应变拟合出真应力-应变曲线信息，并根据真应力-应变曲线计算求出金属试样的屈服强度信息，然后PLC控制器将计算求得的金属试样的屈服强度信息传递至触摸操作显示屏上显示出来，从而完成金属试样的屈服强度的检测；该装置采用动态载荷压痕法检测金属材料的屈服强度，能够快速测得金属材料的屈服强度，检测效率高，且检测结果精准；同时，该装置测试结构简单，操作便捷。
附图说明
图1是本发明实施例中的结构示意图；
图2是本发明实施例中固定机构的结构示意图；
图3是本发明实施例中的结构框图。
图中：1、检测平台；2、支撑立柱；3、水平横梁；4、可调节伸缩杆；5、冲击压头构件；6、加速度传感器；7、硬质合金球；8、待测试样固定区；9、PLC控制器；10、电源装置；11、触摸操作显示屏；12、固定基座；13、固定夹块；14、连接丝杆；15、旋钮帽；16、电源启动键；17、电机工作控制键；18、伺服驱动电机；19、固定机构。
具体实施方式
以下结合附图1-3对本发明作进一步详细说明。
实施例：金属材料塑性屈服强度检测装置，如图1、图2和图3所示，包括检测平台1，检测平台1顶面间隔固定有两个支撑立柱2。两个支撑立柱2顶端之间通过水平横梁3连接。水平横梁3底面中心固定连接有伺服驱动电机18。伺服驱动电机18输出端固定连接有可调节伸缩杆4。可调节伸缩杆4底端固定连接有冲击压头构件5。冲击压头构件5内部底端固定安装有加速度传感器6。冲击压头构件5底端固定连接有硬质合金球7。
检测平台1顶面加工有待测试样固定区8，待测试样固定区8位于两个支撑立柱2之间，待测试样固定区8与硬质合金球7的中心轴线垂直。检测平台1侧壁安装有PLC控制器9和电源装置10。支撑立柱2侧壁可拆卸连接有触摸操作显示屏11。检测平台1顶面安装有开关控制机构。伺服驱动电机18、加速度传感器6和触摸操作显示屏11与PLC控制器9连接。
在本实施例中，伺服驱动电机18采用步进电机。在使用该装置对金属材料的屈服强度进行检测时，首先将待检测的金属试样放置于待测试样固定区8进行固定，然后通过开关控制机构，控制伺服驱动电机18、PLC控制器9、触摸操作显示屏11进行工作，然后调节可调节伸缩杆4的长度，使硬质合金球7底端与金属试样顶面处于合适的距离。通过触摸操作显示屏11，便于设置伺服驱动电机18的施加驱动力的参数。通过伺服驱动电机18的工作，便于驱动冲击压头构件5带动硬质合金球7以预设的动能垂直冲击金属试样表面，然后通过加速度传感器6记录硬质合金球7冲击金属试样表面过程中的加速度-时间曲线信息，加速度传感器6记录下该加速度-时间曲线信息后将该信息传递至PLC控制器9中，PLC控制器9接收到该加速度-时间曲线信息后，利用事先植入PLC控制器9内的数据计算转换程序，将该加速度-时间曲线信息转换冲击力-压入深度曲线信息(其中，PLC控制器9将速度-时间曲线信息转换冲击力-压入深度曲线信息的具体过程为：将加速度对时间进行一次积分，得到速度-时间曲线。然后，将速度对时间进行一次积分，得到压入深度-时间曲线。然后，将加速度乘以冲击压头的质量，得到冲击力-时间曲线。然后，将冲击力-时间曲线和压入深度-时间曲线中的时间消去，即得到冲击力-压入深度曲线)。然后再多次调节伺服驱动电机18的以不同的驱动参数，驱动硬质合金球7以不同的动能冲击金属试样表面，使加速度传感器6获得一系列的加速度-时间曲线信息，从而通过PLC控制器9转换得到一系列的冲击力-压入深度曲线信息。然后PLC控制器9将获得的冲击力-压入深度曲线信息转换成表征应力和表征应变(其中，将冲击力-压入深度曲线信息转换成表征应力和表征应变的具体方法为：采用美国橡树岭国家实验室Haggag提出的表征应力应变方法，即利用公式：
Figure BDA0002592632270000081
和
Figure BDA0002592632270000082
其中εR为表征应变，σR为表征应力，dp为压痕的塑性直径，根据冲击力-压入深度曲线迭代计算得到，D为硬质合金球的直径，P为压痕荷载，δ为约束因子)，再用表征应力和表征应变拟合出真应力-应变曲线信息(其中，拟合公式为：σ＝Kεn，式中σ为应力，ε为应变，K,n为拟合系数)，并根据真应力-应变曲线计算求出金属试样的屈服强度信息，然后PLC控制器9将计算求得的金属试样的屈服强度信息传递至触摸操作显示屏11上显示出来，从而完成金属试样的屈服强度的检测。该装置采用动态载荷压痕法检测金属材料的屈服强度，能够快速测得金属材料的屈服强度，检测效率高，且检测结果精准。同时，该装置测试结构简单，操作便捷。
检测平台1顶面固定安装有靠近待测试样固定区8边缘的两个固定机构19，两个固定机构19分别位于待测试样固定区8的两相互对称的边缘。
在本实施例中，通过固定机构19，便于对待测金属试样进行固定，便于防止硬质合金球7冲击待测金属试样表面时金属发生位移而影响检测结果。
固定机构19包括固定基座12、固定夹块13和连接丝杆14，固定基座12与检测平台1顶面固定连接，连接丝杆14安装于固定基座12内，且连接丝杆14的两端部分别贯穿固定基座12的两相对的侧壁延伸出固定基座12外，连接丝杆14靠近待测试样固定区8的端部与固定夹块13固定连接。连接丝杆14远离估计夹块的端部固定连接有旋钮帽15。
在本实施例中，在对待测金属试样进行固定的过程中，将待测金属试样放置于待测试样固定区8表面，通过分别扭动两个旋钮帽15，带动两个连接丝杆14分别在两个固定基座12内朝待测试样固定区8伸长，从而带动两个固定夹块13朝待测试样固定区8移动，从而紧贴于待测金属试样壁面，将待测金属试样夹紧固定。
开关控制机构包括电源启动键16和电机工作控制键17。
在本实施例中，通过电源启动键16，便于实现整个装置中的用电部件的通电。通过电机工作控制键17，便于控制伺服驱动电机18进行驱动工作。
硬质合金球7与冲击压头构件5底端可拆卸连接，硬质合金球7的直径为1.0-2.5mm。
在本实施例中，硬质合金球7与冲击压头构件5底端可拆卸连接，便于更换硬质合金球7的操作。
待测试样固定区8顶面为磁性平面。
在本实施例中，待测试样固定区8顶面为磁性平面，便于配合固定机构19将待测金属试样稳定固定于待测试样固定区8。
工作原理：在使用该装置对金属材料的屈服强度进行检测时，首先将待检测的金属试样放置于待测试样固定区8进行固定，然后通过开关控制机构，控制伺服驱动电机18、PLC控制器9、触摸操作显示屏11进行工作，然后调节可调节伸缩杆4的长度，使硬质合金球7底端与金属试样顶面处于合适的距离。通过触摸操作显示屏11，便于设置伺服驱动电机18的施加驱动力的参数。通过伺服驱动电机18的工作，便于驱动冲击压头构件5带动硬质合金球7以预设的动能垂直冲击金属试样表面，然后通过加速度传感器6记录硬质合金球7冲击金属试样表面过程中的加速度-时间曲线信息，加速度传感器6记录下该加速度-时间曲线信息后将该信息传递至PLC控制器9中，PLC控制器9接收到该加速度-时间曲线信息后，利用事先植入PLC控制器9内的数据计算转换程序，将该加速度-时间曲线信息转换冲击力-压入深度曲线信息。然后再多次调节伺服驱动电机18的以不同的驱动参数，驱动硬质合金球7以不同的动能冲击金属试样表面，使加速度传感器6获得一系列的加速度-时间曲线信息，从而通过PLC控制器9转换得到一系列的冲击力-压入深度曲线信息。然后PLC控制器9将获得的冲击力-压入深度曲线信息转换成表征应力和表征应变，再用表征应力和表征应变拟合出真应力-应变曲线信息，并根据真应力-应变曲线计算求出金属试样的屈服强度信息，然后PLC控制器9将计算求得的金属试样的屈服强度信息传递至触摸操作显示屏11上显示出来，从而完成金属试样的屈服强度的检测。该装置采用动态载荷压痕法检测金属材料的屈服强度，能够快速测得金属材料的屈服强度，检测效率高，且检测结果精准。同时，该装置测试结构简单，操作便捷。
本具体实施例仅仅是对本发明的解释，其并不是对本发明的限制，本领域技术人员在阅读完本说明书后可以根据需要对本实施例做出没有创造性贡献的修改，但只要在本发明的权利要求范围内都受到专利法的保护。

Claims (6)

1.金属材料塑性屈服强度检测装置，其特征是：包括检测平台(1)，所述检测平台(1)顶面间隔设有两个支撑立柱(2)；两个所述支撑立柱(2)顶端之间通过水平横梁(3)连接；所述水平横梁(3)底面中心固定连接有伺服驱动电机(18)；所述伺服驱动电机(18)输出端固定连接有可调节伸缩杆(4)；所述可调节伸缩杆(4)底端固定连接有冲击压头构件(5)；所述冲击压头构件(5)内部底端设有加速度传感器(6)；所述冲击压头构件(5)底端固定连接有硬质合金球(7)；
所述检测平台(1)顶面设有待测试样固定区(8)，所述待测试样固定区(8)位于两个支撑立柱(2)之间，所述待测试样固定区(8)与硬质合金球(7)的中心轴线垂直；所述检测平台(1)侧壁设有PLC控制器(9)和电源装置(10)；所述支撑立柱(2)侧壁可拆卸连接有触摸操作显示屏(11)；所述检测平台(1)顶面设有开关控制机构；所述伺服驱动电机(18)、加速度传感器(6)和触摸操作显示屏(11)与PLC控制器(9)连接。
2.根据权利要求1所述的金属材料塑性屈服强度检测装置，其特征是：所述检测平台(1)顶面设有靠近待测试样固定区(8)边缘的两个固定机构(19)，两个所述固定机构(19)分别位于待测试样固定区(8)的两相互对称的边缘。
3.根据权利要求2所述的金属材料塑性屈服强度检测装置，其特征是：所述固定机构(19)包括固定基座(12)、固定夹块(13)和连接丝杆(14)，所述固定基座(12)与检测平台(1)顶面固定连接，所述连接丝杆(14)安装于固定基座(12)内，且所述连接丝杆(14)的两端部分别贯穿固定基座(12)的两相对的侧壁延伸出固定基座(12)外，所述连接丝杆(14)靠近待测试样固定区(8)的端部与固定夹块(13)固定连接；所述连接丝杆(14)远离估计夹块的端部固定连接有旋钮帽(15)。
4.根据权利要求1所述的金属材料塑性屈服强度检测装置，其特征是：所述开关控制机构包括电源启动键(16)和电机工作控制键(17)。
5.根据权利要求1所述的金属材料塑性屈服强度检测装置，其特征是：所述硬质合金球(7)与冲击压头构件(5)底端可拆卸连接，所述硬质合金球(7)的直径为1.0-2.5mm。
6.根据权利要求1所述的金属材料塑性屈服强度检测装置，其特征是：所述待测试样固定区(8)顶面为磁性平面。
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