一種衝擊式高溫硬度測試方法
2023-12-01 21:26:11 1
專利名稱：一種衝擊式高溫硬度測試方法
技術領域：
本發明屬於硬度測試技術領域。
背景技術：
各類標準硬度計所採用的檢測方法只局限於室溫條件下的檢測。然而硬度測試的相關領域，對於材料的硬度隨溫度升高而逐漸變化的規律正受到越來越多的關注。採用高溫硬度來間接地表徵材料的高溫力學性能，具有檢測成本低，效率高的優勢，是相關研究機構迫切需求的分析方法。目前，利用材料高溫硬度來評價、表徵材料高溫力學性能的研究論文中所採用的測試手段還只限於維氏硬度檢測，其上限溫度也僅僅達到了 1200°C。由於測試過程要求壓頭的溫度達到測試環境溫度(高溫環境)，因此如果被測樣品在測試溫度下的硬度值不是顯著低於壓頭的硬度時，壓頭的彈性變形量(甚至塑性變形)將引入較大的測試誤差，嚴重時甚至會損害壓頭。儘管可採用高溫高硬度的新型超高溫陶瓷及超合金作為測試壓頭來減少測試誤差，但是目前普遍採用的的高溫硬度檢測方法不再能全面滿足超高溫結構材料的研究與開發。相關研究領域期盼著適合於超高溫結構材料研究的硬度測試手段。另一方面，有關高溫材料的研究行業，採用高溫拉伸或高溫彎曲性能來表徵材料的高溫力學性能是目前廣泛採用的權威性檢測手段，這類數據的必要性是其他測試數據所不能取代的。但這並不意味著在材料研究過程中，在材料製備工藝質量監測等環節就必須全部採用這種較高成本的測試方法。實際情況是，在新型材料的探索性研究階段，由於試樣製備方法及研究型設備尺寸的限制，大尺寸均勻材料的製備難度和製備成本較高，而無論是採用高溫拉伸或高溫彎曲性能來表徵材料的高溫力學性能，都要求試樣有有一定的尺寸，由此制約了新型高溫材料研製。因此獲得適宜的高溫硬度檢測技術，對提高材料研究效率具有重要意義。
發明內容
本發明同時解決了目前的高溫硬度測試方法溫度上限低，測試誤差大的問題。目前的高溫硬度測試方法中，壓頭溫度和測試環境溫度相同，由於壓頭隨溫度增高其硬度呈降低的趨勢，壓頭產生彈性變形甚至塑性變形，由此引起較大的測試誤差。為了避免此類的測量誤差過大，目前的高溫硬度測試溫度只能局限在1200°C以下。本發明從測試原理上杜絕了壓頭材料的升溫，因此測試溫度上限僅決定於加熱器件而不受其它因素的限制，由於壓頭在測量過程無升溫，並因此一直呈現遠高於被測試樣的硬度和剛度，因此可顯著提高測試精度。本發明為解決上述技術問題採取的技術方案是本發明是基於包括真空裝置、加熱部分、測頭移動機構、水冷系統和硬度測試部分的高溫硬度測試系統來實現的；此高溫硬度測試方法的具體過程為步驟一、將試樣置於加熱部分中的具有隔熱功能的加熱器內，通過真空裝置保持具有隔熱功能的加熱器內的真空度優於2X10-Ta;通過具有隔熱功能的加熱器將其內的試樣加熱至設定的測試溫度；步驟二、通過水冷系統對真空裝置、測頭移動機構、硬度測試部分以及具有隔熱功能的加熱器的外表面進行冷卻，使硬度測試部分處於低溫(室溫)環境中，以保持硬度測試部分的測頭(衝擊壓頭)的高硬度從而確保高溫測試精度；步驟三、試樣達到設定的測試溫度並恆溫控制2秒 20分鐘後進行高溫硬度測試，通過測頭移動機構將所述測頭快速移入試樣所在的高溫區，使測頭位於試樣的正上方， 利用硬度測試部分的電磁機構實現測頭的自由落體控制；隨即壓頭呈自由落體狀態衝擊至試樣的上表面，並反彈後再次降落，當第二次撞擊試樣後，測量出兩次撞擊的時間間隔，進而得出試樣的高溫硬度值。本發明的有益效果是本發明實現了準確測量高溫條件下測試高硬度材料的硬度，本發明的核心在於硬度測量部分及壓頭始終處於室溫，檢測過程在很短時間內完成，由於試樣與壓頭間的接觸時間不超過5毫秒，熱交換近乎為零，試樣表面溫度不變。在全部檢測過程中壓頭一直處於室溫，其力學性能不變(壓頭硬度不降低)。由於所有材料隨溫度增高其硬度都呈降低的趨勢，因此本測試方法適宜於全部高溫結構材料研究。本發明方法中的壓頭不會產生塑性變形，彈性變形量與被測試樣比也很小，顯著提高了測量精度。本發明方法所描述的檢測過程通過衝擊式硬度檢測實現，可借鑑肖氏硬度計的檢測方法——利用呈自由落體狀態的壓頭鉛垂衝擊到試樣表面後再彈起的高度或第二次衝擊間隔時間來表徵樣品的硬度。本發明通過提出的衝擊式硬度檢測的手段突破儀器儀表學科在相關研究方面的技術瓶頸，為上述高溫硬度檢測提供技術支撐。本發明的核心在於保持壓頭始終處於室溫，壓頭力學性能不變，正因為如此，本發明方法可以將高溫硬度測試的上限溫度由目前的1200°C提高至1600°C以上(現有方法的測試環境溫度低於1200°C )；本發明方法的測試誤差小於2%，而且實現本發明方法的造價顯著低於技術指標遠不及本發明的其它類型高溫硬度計。
圖1是實現本發明方法的處於真空室中的高溫硬度測試系統(為升溫狀態，圖中略去了真空裝置、水冷系統)；圖2是本發明方法中測頭3移至具有隔熱功能的加熱器2上的狀態示意圖(測試硬度前瞬間測頭處於試樣上方)。
具體實施例方式具體實施方式
一如圖1 2所示，本實施方式所述的一種衝擊式高溫硬度測試方法，所述高溫硬度測試方法是基於包括真空裝置、加熱部分、測頭移動機構、水冷系統和硬度測試部分的高溫硬度測試系統來實現的；此高溫硬度測試方法的具體過程為步驟一、將試樣1置於加熱部分中的具有隔熱功能的加熱器2內，通過真空裝置保持具有隔熱功能的加熱器2內的真空度優於2 X KT1Pa ；通過具有隔熱功能的加熱器2將其內的試樣1加熱至設定的測試溫度；
步驟二、通過水冷系統對真空裝置、測頭移動機構、硬度測試部分以及具有隔熱功能的加熱器2的外表面進行冷卻，使硬度測試部分處於低溫(室溫)環境中，以保持硬度測試部分的測頭(衝擊壓頭)3的高硬度從而確保高溫測試精度；步驟三、試樣1達到設定的測試溫度並恆溫控制2秒 20分鐘後進行高溫硬度測試，通過測頭移動機構5將所述測頭3快速移入試樣1所在的高溫區，使測頭3位於試樣1 的正上方，利用硬度測試部分的電磁機構實現測頭3的自由落體控制；隨即壓頭呈自由落體狀態衝擊至試樣1的上表面，並反彈後再次降落，當第二次撞擊試樣1後，測量出兩次撞擊的時間間隔，進而得出試樣1的高溫硬度值。附圖1為升溫狀態，此時硬度測試機構位於室溫區域，即便加熱器內部溫度很高， 由於多層隔熱屏的隔熱作用，硬度測試機構所受熱輻射功率很低，無明顯升溫。當試樣溫度達到設定值，並恆溫規定時間，則測頭移動機構啟動，測頭及夾持機構迅速右移到附圖2所示的位置。震顫停止後壓頭尖與試樣測試面的距離精確保持在規定值(如19mm)，隨即壓頭呈自由落體狀衝擊至試樣表面，並反彈後再次降落。當第二次撞擊試樣後，由微音器精確測定兩次撞擊的時間間隔，隨即給電磁鐵施加兩倍於額定值的適宜寬度的脈衝電流，將第二次彈起的壓頭吸在測頭夾持機構上並使電磁鐵處於額定電流吸合狀態，測頭移動機構立即平移返回遠離加熱裝置所在位置。本實施方式所使用的壓頭由高硬度材料及純鐵組合製成，高硬度材料包括金剛石、碳化鎢、藍寶石等。此方法核心技術在於使檢測硬度的部分處於低溫(室溫)區域來保持壓頭的高硬度和系統的高測試精度，測試時只加熱被測試樣、試樣座及其所在的區域。在測試過程，硬度測試部分快速移入試樣所在的高溫區，完成測試後迅速移至低溫區；或將高溫試樣快速移至硬度測試部分所在的低溫區域，完成測試後迅速移出低溫區。具有隔熱功能的加熱器 2的測試腔體中採用真空技術隔熱，防止試樣氧化。
具體實施方式
二 如圖1 2所示，本實施方式在步驟三中，在第二次撞擊試樣1 後，隨即給電磁機構的電磁鐵施加兩倍於額定值的適宜寬度的脈衝電流，將第二次彈起的壓頭吸在測頭夾持機構4上；其它步驟與具體實施方式
一相同。
具體實施方式
三如圖1 2所示，本實施方式還增加如下步驟當第二次彈起的壓頭吸在測頭夾持機構4上後，通過測頭移動機構5立即將測頭夾持機構4及測頭3平移返回至遠離具有隔熱功能的加熱器2的準備區域內。其它步驟與具體實施方式
二相同。
具體實施方式
四如圖1 2所示，本實施方式在步驟一中，真空度達到 2X 10-4 水平。其它步驟與具體實施方式
一、二或三相同。
具體實施方式
五如圖1 2所示，本實施方式在步驟二中，控制測試溫度上限不低於1600°C。其它步驟與具體實施方式
四相同。
具體實施方式
六如圖1 2所示，本實施方式在步驟二中，向具有隔熱功能的加熱器2內充入防止試樣氧化的氬、氦、氫或二氧化碳氣體。其它步驟與具體實施方式
四相同。
具體實施方式
七如圖1 2所示，本實施方式在步驟三中，測量出兩次撞擊的時間間隔後，採用肖氏硬度檢測方法中的計算方法即可得出試樣1的高溫硬度值。壓頭呈自由落體狀態衝擊至試樣1的上表面，並反彈後再次降落，當第二次撞擊試樣1後，測量出兩次撞擊的時間間隔，採用肖氏硬度檢測方法中的計算方法即可得出試樣1的高溫硬度值。 其它步驟與具體實施方式
一相同。
具體實施方式
八如圖1 2所示，本實施方式在步驟三中，保持試樣1和硬度測試部分處於同一區域的時間不超過10秒。其它步驟與具體實施方式
一相同。針對本發明方法再進行如下闡述本發明方法中所用的高溫硬度測試系統包括真空裝置、加熱部分、測頭移動機構、 水冷系統和硬度測試部分，高溫硬度測試系統還包括控制系統，其中真空裝置採用單級或多級真空泵，保持真空度優於2X KT1Pa或優於2X KT4Pa ； 真空度優於2 X KT1I^a適合於超合金或各種氧化物陶瓷測試；真空度優於2X 10_4Pa適合與所有材料測試。硬度測試部分利用電磁機構實現衝擊壓頭的自由落體控制，採用壓電型或電磁型換能器測定壓頭兩次衝擊試樣表面的間隔時間，最終由初始高度及彈跳高度的差值，確定硬度值。加熱部分試樣及夾持座周圍的區域布置輻射及接觸加熱器件，總功率200W至 3KW，在加熱器與器壁之間設置3層以上的反射屏用於防止熱散射及加速試樣的均溫過程。測頭移動機構由步進電機驅動，實現升溫階段測頭處於低溫(室溫)區域，測試硬度時測頭快速移動至測試位置並精確定位，測試結束立即快速返回低溫區域。全部過程不超過10秒。水冷系統真空泵、密封圈、硬度檢測部分的溫度由水冷系統強制冷卻在室溫。這部分是保障高真空、高測試精度的重要技術措施。控制系統由硬、軟體組成。硬體包括控制真空系統的繼電器及真空表、高低溫控制機構驅動、控制水冷系統的繼電器、控制溫度的固態繼電器及熱電偶、硬度測試過程控制驅動固態繼電器、全過程控制用PC機。軟體功能為啟動、停止抽真空控制，溫度控制，水冷系統控制，硬度測試過程控制及硬度計算，試驗數據管理等。實現本發明的具體操作過程為1、安裝試樣將試樣緊固在試樣座內，保證測試表面與試樣座定位面重合。將試樣座安放在測試臺上；2、封閉真空腔送樣口 ；3、啟動控制程序設定測試溫度，運行控制程序，自動完成啟動冷卻水系統，啟動抽真空系統，升溫，開始控制溫度；4、達到設定溫度並恆溫控制片刻(數秒 數十分鐘)後提示硬度測試操作；5、啟動硬度測試程序測頭移至測試位置，測頭衝擊，檢測兩次衝擊間隔時間，測頭返回準備區域；6、提示調整試樣位置調整試樣位置，重複第5步驟。反覆操作第5.和第6.步， 直至完成全部測試點的硬度測試；7、結束控制記錄各點測試結果，自動完成關閉加熱電源，當溫度低於60°C自動關閉冷卻系統，關閉真空系統。
權利要求
1.一種衝擊式高溫硬度測試方法，所述高溫硬度測試方法是基於包括真空裝置、加熱部分、測頭移動機構、水冷系統和硬度測試部分的高溫硬度測試系統來實現的；其特徵在於所述高溫硬度測試方法的具體過程為步驟一、將試樣(1)置於加熱部分中的具有隔熱功能的加熱器O)內，通過真空裝置保持具有隔熱功能的加熱器O)內的真空度優於ZXlO-1I^ ；通過具有隔熱功能的加熱器(2) 將其內的試樣(1)加熱至設定的測試溫度；步驟二、通過水冷系統對真空裝置、測頭移動機構、硬度測試部分以及具有隔熱功能的加熱器O)的外表面進行冷卻，使硬度測試部分處於低溫環境中，以保持硬度測試部分的測頭(3)的高硬度從而確保高溫測試精度；步驟三、試樣(1)達到設定的測試溫度並恆溫控制2秒 20分鐘後進行高溫硬度測試，通過測頭移動機構(5)將所述測頭(3)快速移入試樣⑴所在的高溫區，使測頭⑶位於試樣(1)的正上方，利用硬度測試部分的電磁機構實現測頭(3)的自由落體控制；隨即壓頭呈自由落體狀態衝擊至試樣(1)的上表面，並反彈後再次降落，當第二次撞擊試樣(1) 後，測量出兩次撞擊的時間間隔，進而得出試樣(1)的高溫硬度值。
2.根據權利要求1所述的一種衝擊式高溫硬度測試方法，其特徵在於在步驟三中，在第二次撞擊試樣(1)後，隨即給電磁機構的電磁鐵施加兩倍於額定值的適宜寬度的脈衝電流，將第二次彈起的壓頭吸在測頭夾持機構(4)上；
3.根據權利要求2所述的一種衝擊式高溫硬度測試方法，其特徵在於當第二次彈起的壓頭吸在測頭夾持機構(4)上後，通過測頭移動機構(5)立即將測頭夾持機構(4)及測頭(3)平移返回至遠離具有隔熱功能的加熱器O)的準備區域內。
4.根據權利要求1、2或3所述的一種衝擊式高溫硬度測試方法，其特徵在於在步驟一中，真空度達到2Χ10_4Ι^水平。
5.根據權利要求4所述的一種衝擊式高溫硬度測試方法，其特徵在於在步驟二中，控制測試溫度上限不低於1600°C。
6.根據權利要求4所述的一種衝擊式高溫硬度測試方法，其特徵在於在步驟二中，向具有隔熱功能的加熱器O)內充入防止待測試樣氧化的氬、氦、氫或二氧化碳氣體。
7.根據權利要求1所述的一種衝擊式高溫硬度測試方法，其特徵在於在步驟三中，測量出兩次撞擊的時間間隔後，採用肖氏硬度檢測方法中的計算方法即可得出試樣(1)的高溫硬度值。
8.根據權利要求1所述的一種衝擊式高溫硬度測試方法，其特徵在於在步驟三中，保持試樣(1)和硬度測試部分處於同一區域的時間不超過10秒。
全文摘要
一種衝擊式高溫硬度測試方法，屬於硬度測試技術領域。本發明可解決目前高溫硬度測試普遍存在的測試精度低，測試溫度上限不足的問題。目前的高溫硬度測試方法中壓頭的溫度和測試環境溫度相同，壓頭產生彈性變形甚至塑性變形，致使產生較大的測試誤差，這也是導致測試溫度上限被局限在較低水平的主要原因。此高溫硬度測試方法的具體過程為將試樣加熱至設定的測試溫度；通過水冷系統使硬度測試部分處於低溫環境中；待試樣達到設定的測試溫度時，將測頭快速移入試樣所在的高溫區，利用硬度測試部分的電磁機構實現測頭的自由落體控制；隨即壓頭呈自由落體狀態衝擊至試樣的上表面，並反彈後再次降落，測量出兩次撞擊的時間間隔得出待測試樣的高溫硬度值。本方法上限溫度可達1600℃，測試誤差小於2％。
文檔編號G01N3/52GK102226746SQ201110080210
公開日2011年10月26日 申請日期2011年3月31日 優先權日2011年3月31日
發明者孫躍, 宋廣平, 赫曉東 申請人:哈爾濱工業大學