CN112129659B - 一种便携式动态压痕测试装置及其测试方法 - Google Patents

一种便携式动态压痕测试装置及其测试方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种便携式动态压痕测试装置及其测试方法，该装置可手持操作，快速地获取材料的载荷‑压入深度曲线，该装置采用冲击滑块和双压簧结构，无需电力辅助，可以实现压入载荷从0N开始逐渐增加到最大，并再次卸载到0N的过程。和里氏硬度计相比，本发明的测试过程不是碰撞过程，而是逐渐加载然后卸载的过程，可以获得完整的压入深度‑载荷曲线；和便携式压痕仪相比，本发明可以手持操作，不需要电力辅助和复杂固定工装，本发明适合对各种在役的设备进行压痕测试。

Description

一种便携式动态压痕测试装置及其测试方法
技术领域
本发明涉及材料分析测试技术领域，具体涉及一种便携式动态压痕测试装置及其测试方法。
背景技术
目前主要的现场测试材料力学性能的方法有里氏硬度法和现场压痕法。里氏硬度法采用基于动载荷的里氏硬度计进行测试，可以用手将该仪器按压在被测对象上进行测试，具有体积小、测试方便的优点。里氏硬度法基于碰撞原理，利用硬质球体冲击被测对象表面，计算球体冲击和回弹之间的速度差来表征材料的硬度。其缺点是：里氏硬度法不能获得除硬度以外的其他力学性能。另一种现场压痕法采用便携式现场压痕仪，测试时用链条、钢带或磁力吸盘将仪器固定在被测对象上，采用电机和丝杆的加载形式将压头压入被测对象，可以获得一条载荷-压入深度曲线，并从曲线中计算出材料的强度、断裂韧性等力学性能。其缺点是：现场压痕仪需要固定在被测试对象上，所以对被测试对象的外形尺寸有一定限制，并且固定操作繁琐，不适大批量测试的应用场景。
发明内容
本发明的目的就是为了解决现有技术测试材料力学性能时存在的缺陷，而提供一种便携式动态压痕测试装置及其测试方法。本发明结合了里氏硬度法和现场压痕仪的优点，该装置可以手持操作，不需要用工具固定在被测对象上，测试不是碰撞过程，可以获得载荷-压入深度曲线，并计算出材料的强度、断裂韧性等力学性能。
本发明的目的通过以下技术方案实现：
一种便携式动态压痕测试装置，该装置包括：
导向管；
冲击滑块，活动设于所述导向管内，并能够在所述导向管内自由滑动；
蓄能机构，设于所述导向管的上端，用于对所述冲击滑块提供冲击能量；
锁止件，设于所述导向管侧部并位于所述蓄能机构的下部，用于控制所述冲击滑块及蓄能机构的释放；
弹性冲头机构，设于所述导向管的下部，用于对试样进行压痕测试，包括：
弹性缓冲单元；
力传感器，设于所述弹性缓冲单元的下端，用于采集试验过程力值大小；
压头，设于所述力传感器的下端，用于冲击待测试样；及
位移传感器，设于所述弹性缓冲单元的下端，与所述压头平行设置，用于采集试验过程所述压头压入试样的深度。
优选地，所述的弹性缓冲单元包括上导向滑块、下导向滑块以及设于所述上导向滑块与下导向滑块之间的加载压簧，所述力传感器及位移传感器均安装在所述下导向滑块的下端。
优选地，所述冲击滑块的截面形状与所述导向管截面形状相同，所述冲击滑块与所述导向管之间能自由滑动，并具有一定密封性。
优选地，所述导向管为一中空直管，其顶部设有单向进气阀，使外部空气单向流入所述导向管；所述导向管上部侧壁还设有用于调节流量的单向排气阀，通过调节流量可以获得不同的动能吸收阻尼。
优选地，所述蓄能机构为蓄能压簧，其上端固定在所述导向管顶部。
优选地，所述锁止件与所述弹性冲头机构之间的导向管侧壁上设有通气孔，用于平衡所述导向滑块快速运动产生的气压。
优选地，所述锁止件为一销钉，所述销钉能够将所述冲击滑块卡住，所述销钉周围设有密封圈，插拔所述销钉时不漏气。
优选地，所述力传感器为动态力传感器，所述位移传感器为非接触式动态位移传感器，所述压头下端的尖部为圆锥、棱锥或半球形。
一种便携式动态压痕测试装置的测试方法，采用所述的测试装置进行测试，具体包括如下步骤：
(1)向上推动冲击滑块至指定位置，使蓄能机构压缩蓄能，并通过锁止件将冲击滑块卡住；
(2)手持导向管，使导向管垂直于试样的表面，并使导向管的底部紧贴于试样表面；
(3)拔出锁止件，冲击滑块在蓄能机构作用下快速向下移动，撞击弹性冲头机构，冲击滑块推动弹性冲头机构向下移动，使力传感器、压头及位移传感器同时向下移动，压头撞击试样，产生压痕；
(4)力传感器采集试验过程的力值大小，位移传感器采集试验过程压头压入试样的位移，进而确定材料力学性能。
通过调整冲击滑块的质量、蓄能机构的压缩量和/或弹性缓冲单元的参数实现不同加载速率和最大载荷的压痕测试；
步骤(3)需保持导向管内的气压与外界平衡；
步骤(4)根据获取的力值大小及压头压入试样的位移，绘制载荷-位移曲线。
与现有技术相比，本发明便携式动态压痕测试装置可手持操作，快速获取材料的载荷-压入深度曲线，该装置采用冲击滑块和双压簧结构，无需电力辅助，可以实现压入载荷从0开始逐渐增加到最大，并再次卸载到0N的过程。
与目前碰撞加载的里氏硬度计相比，本发明采用双压簧的结构，实现载荷从0开始逐渐增加到最大，然后逐渐减小到0的过程，可获得完整的压入深度-载荷曲线；与目前固定繁琐的便携式压痕仪相比，本发明采用冲击滑块的加载方式，不受测试对象外形的限制，并且可以手持操作，适合对各种在役的设备进行压痕测试。
附图说明
图1为本发明便携式动态压痕测试装置的结构示意图；
图2为本发明便携式动态压痕测试装置测试过程的状态变化示意图；
图3为本发明典型的载荷随时间变化的曲线；
图4为本发明典型的压入深度和载荷的关系曲线；
图中：1-蓄能压簧；2-冲击滑块；3-导向管；4-加载压簧；5-试样；6-非接触式动态位移传感器；7-压头；8-动态力传感器；9-下导向滑块；10-上导向滑块；11-发射销钉；12-单向进气阀；13-通气孔；14-单向排气阀。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。
如图1所示，一种便携式动态压痕测试装置，该装置包括：
导向管3，为一中空直管，其顶部设有单向进气阀12使外部空气单向流入导向管3，导向管3顶部还设有和可以调节流量的单向排气阀14，通过调节流量可以获得不同的动能吸收阻尼。
冲击滑块2，活动设于导向管3内，并能够在导向管3内自由滑动，冲击滑块2的截面形状与导向管3截面形状相同，冲击滑块2与导向管3之间能自由滑动；
蓄能机构，为蓄能压簧1，其上端固定在导向管3顶部，用于对冲击滑块2提供冲击能量；
锁止件，设于导向管3侧部并位于蓄能机构的下部，用于控制冲击滑块2及蓄能机构的释放；
弹性冲头机构，设于导向管3的下部，用于对试样5进行压痕测试，包括：
弹性缓冲单元，包括上导向滑块10、下导向滑块9以及设于上导向滑块10与下导向滑块9之间的加载压簧4，力传感器及位移传感器均安装在下导向滑块9的下端；
动态力传感器8，设于弹性缓冲单元的下端，用于采集试验过程力值大小；
压头7，设于力传感器的下端，压头7下端的尖部为圆锥、棱锥或半球形，用于压入待测试样5；及
非接触式动态位移传感器6，设于弹性缓冲单元的下端，与压头7平行设置，且最下端与试样表面的距离为1～2mm，用于采集试验过程压头7压入试样5的深度。
锁止件与弹性冲头机构之间的导向管3侧壁上设有通气孔13，用于平衡导向滑块快速运动产生的气压。
锁止件为一销钉11，销钉11能够将冲击滑块2卡住，销钉11周围设有密封圈，插拔销钉11时不漏气。
利用上述便携式动态压痕测试装置对试样进行测试时，测试方法具体包括如下步骤：
(1)准备过程：
将向上推动冲击滑块2，压缩蓄能弹簧1至指定位置后插入发射销钉11将冲击滑块2卡住。手持导向管3，使导向管3垂直于试样5的表面并使导向管3的底部紧贴于试样5的表面，此时压头7与试样5的表面接触，但无作用力。冲击滑块2与导向管3之间可以自由滑动。加载压簧4的上端和上导向滑块10连接。加载压簧的下部和下导向滑块9连接。动态力传感器8的顶部与下导向滑块9连接。压头7与动态力传感器8的底部连接。动态位移传感器6与下导向滑块9连接。单向进气阀12固定在导向管3顶部，空气只能从外部流入导向管3。可调流量单向排气阀14固定在导向管3顶部，空气只能从内部流出导向管3。导向管3的侧壁开有通气孔13，用于平衡导向滑块2快速运动产生的气压。销钉11周围有密封圈，插拔销钉11时不会漏气。
(2)加载过程：
向外拔出发射销钉11，蓄能压簧1推动冲击滑块2快速向下移动，并以速度V0撞向上导向滑块10。此过程中单向进气阀12自动打开，保持导向管内3的气压与外界平衡。由于惯性，冲击滑块2推动上导向滑块10压缩加载压簧4，加载压簧4推动下导向滑块9和动态力传感器8，实现压头7对试样5的压痕测试。当冲击滑块2向下运动的速度下降到0时，加载压簧4的压缩量达到最大值，压头2的载荷也达到最大，此时加载过程完成，具体过程参见图2(b)、图2(c)。
(3)卸载过程：
加载压簧4反向推动冲击滑块2向上运动。当加载压簧4完全伸直后，压头7上的载荷为0，卸载过程完成。继续向上运动的冲击滑块2越过通气孔13，此时冲击滑块2顶部与导向管3形成一个密封的空腔，空气只能从单向排气阀14中排出，起到阻尼器的作用(调节排气阀14的流量可以改变阻尼，以适配不同的冲击动能)，吸收冲击滑块2弹回时产生的冲击力，保护操作人员和试验装置，具体过程参见图2(d)、图2(e)。
(4)试验数据采集：
动态力传感器7可以采集到试验过程的力值大小，动态位移传感器6可以采集到试验过程下导向滑块9与试样5之间的距离变化(可以视为压头压入试样的深度)，典型的试验曲线如图3所示，压入载荷从0开始逐渐增加到最大值，然后开始下降至0，载荷变化与时间的变化规律为正弦关系，这与物理学中弹簧振子的运动规律相同。
通过调整冲击滑块2的质量、蓄力压簧1的压缩量和加载压簧4的参数可以实现不同加载速率和最大载荷的压痕测试。典型的压入深度和载荷的关系曲线如图4所示，借助目前已公开的各种理论方法，使用曲线可以计算出材料的硬度、屈服强度、抗拉强度、断裂韧性等力学性能。
上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和使用发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种便携式动态压痕测试装置，其特征在于，该装置包括：
导向管；
冲击滑块，活动设于所述导向管内，并能够在所述导向管内自由滑动；
蓄能机构，设于所述导向管的上端，用于对所述冲击滑块提供冲击能量；
锁止件，设于所述导向管侧部并位于所述蓄能机构的下部，用于控制所述冲击滑块及蓄能机构的释放；
弹性冲头机构，设于所述导向管的下部，用于对试样进行压痕测试，包括：
弹性缓冲单元；
力传感器，设于所述弹性缓冲单元的下端，用于采集试验过程力值大小；
压头，设于所述力传感器的下端，用于冲击待测试样；及
位移传感器，设于所述弹性缓冲单元的下端，与所述压头平行设置，用于采集试验过程所述压头压入试样的深度；
所述的弹性缓冲单元包括上导向滑块、下导向滑块以及设于所述上导向滑块与下导向滑块之间的加载压簧，所述力传感器及位移传感器均安装在所述下导向滑块的下端；
所述冲击滑块的截面形状与所述导向管截面形状相同，所述冲击滑块与所述导向管之间能自由滑动，并具有一定密封性；
所述导向管为一中空直管，其顶部设有单向进气阀，使外部空气单向流入所述导向管；所述导向管上部侧壁还设有用于调节流量的单向排气阀；
所述锁止件与所述弹性冲头机构之间的导向管侧壁上设有通气孔，用于平衡所述导向滑块快速运动产生的气压。
2.根据权利要求1所述的一种便携式动态压痕测试装置，其特征在于，所述蓄能机构为蓄能压簧，其上端固定在所述导向管顶部。
3.根据权利要求1所述的一种便携式动态压痕测试装置，其特征在于，所述锁止件为一销钉，所述销钉能够将所述冲击滑块卡住，所述销钉周围设有密封圈，插拔所述销钉时不漏气。
4.根据权利要求1所述的一种便携式动态压痕测试装置，其特征在于，所述力传感器为动态力传感器，所述位移传感器为非接触式动态位移传感器，所述压头下端的尖部为圆锥、棱锥或半球形。
5.如权利要求1-4任意一项所述的一种便携式动态压痕测试装置的测试方法，其特征在于，具体包括如下步骤：
（1）向上推动冲击滑块至指定位置，使蓄能机构压缩蓄能，并通过锁止件将冲击滑块卡住；
（2）手持导向管，使导向管垂直于试样的表面，并使导向管的底部紧贴于试样表面；
（3）拔出锁止件，冲击滑块在蓄能机构作用下快速向下移动，撞击弹性冲头机构，冲击滑块推动弹性冲头机构向下移动，使力传感器、压头及位移传感器同时向下移动，压头撞击试样，产生压痕；
（4）力传感器采集试验过程的力值大小，位移传感器采集试验过程压头压入试样的位移，进而确定材料力学性能。
6.根据权利要求5所述的一种便携式动态压痕测试装置的测试方法，其特征在于，通过调整冲击滑块的质量、蓄能机构的压缩量和/或弹性缓冲单元的参数实现不同加载速率和最大载荷的压痕测试；
步骤（3）需保持导向管内的气压与外界平衡；
步骤（4）根据获取的力值大小及压头压入试样的位移，绘制载荷-位移曲线。
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