一种基于压痕试验的测试材料真实硬度值的装置及方法制造方法及图纸

一种基于压痕试验的测试材料真实硬度值的装置及方法，建立大载荷范围的压痕试验系统。试验完成后，利用显微镜对压痕形貌进行观测，测量不同载荷下的压痕对角线长度，并计算维氏硬度值，对试验数据进行拟合，根据拟合结果判定压痕试验过程中的尺寸效应现象。若不存在尺寸效应，则测量结果为材料的真实硬度值；如存在逆压痕尺寸效应，则采用比例试样阻力模型对材料的真实硬度值进行分析。根据试验数据及比例试样阻力模型，对数据进行拟合，得到拟合曲线在p/d‑d坐标系中在p/d轴的截距；同时，根据不同测量结果的拟合曲线，通过分析可以得到测量材料真实硬度值时压痕载荷大小的选取范围以及材料的真实硬度值。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于材料性能测试研究领域，特别是一种基于压痕试验的测试材料真实硬度值的装置及方法。
技术介绍
采用不同的压痕硬度测试方法(如维氏压痕、洛氏压痕等)时，所得到的硬度值存在一定的区别。在材料的精密切削加工过程中，采用维氏压痕试验测试方法可以得到较为准确的硬度值，然而维氏硬度的测量结果与材料的真实硬度值之间也可能存在较大差异。如何得到在一定载荷范围内材料的真实硬度值，即压痕试样产生塑性变形所做的功，且与载荷大小以及压痕直径等尺寸无关，从而准确真实的表征材料本身的力学性质，对材料切削过程的分析至关重要。压痕硬度尺寸效应主要是对材料进行硬度测试时，测试所得的硬度值随所施加载荷增加而减小或者增大的现象，包括正压痕尺寸效应和逆压痕尺寸效应。在对玻璃、多孔复相材料、陶瓷材料等材料进行硬度测试时，均不同程度的出现压痕硬度尺寸效应的情况。尺寸效应现象的存在也使得在采用压痕方法进行材料硬度测试过程中难以确定真实的材料硬度值。在对材料的尺寸效应进行分析时，需要测试不同载荷条件下的硬度值并进行分析。同时，材料的尺寸效应仅在一定载荷范围内存在，当所施加的载荷不在该范围内时，材料难以表现出明显的尺寸效应现象，而此时测得的硬度值可以作为真实硬度值。然而，如何确定不存在尺寸效应时的载荷范围，在现有的研究中尚未明确。在采用压痕试验的方法进行尺寸效应分析时，通常采用压痕设备对硬度进行检测分析。不同的硬度计的载荷范围不同，例如显微维氏硬度计的载荷范围通常为0.1N～10N，维氏压痕硬度计的载荷范围通常为4.9N～490N，布氏硬度计的载荷范围通常为600N～30000N。在研究硬度尺寸效应时通常采用维氏硬度计，而现有的维氏压痕硬度计载荷范围通常小于500N。当所测试材料为脆性材料时，测试硬度过程中所需施加的载荷较小，现有的维氏硬度计即可满足要求。然而，当所测试材料为塑性较好的材料时，测试硬度过程中所需施加的载荷较大，现有的维氏硬度计难以满足测试要求。
技术实现思路
本专利技术提供了一种基于压痕试验的测试材料真实硬度值的装置及方法，其可以得到无硬度尺寸效应以及存在逆压痕硬度尺寸效应时的材料真实硬度值。为达到上述目的本专利技术提供的技术方案是一种基于压痕试验的测试材料真实硬度值的装置，其包括数控机床、维氏压头、测力仪和工作台；数控机床下部连接维式压头，维式压头下方设置测力仪，测力仪设置在工作台上。优选数控机床为VMC850B立式数控加工中心，所述测力仪为Kistler9257B的三向测力仪。一种基于压痕试验的测试材料真实硬度值的方法，其具体步骤如下：步骤1：建立0N～50000N的上述基于压痕试验的测试材料真实硬度值的装置；步骤2：采用建立的维氏硬度测量系统进行压痕试验，并采用数控机床控制压头的运动，同时采用测力仪检测载荷的大小；步骤3：利用显微镜对压痕形貌进行观测，并测量不同载荷(压痕载荷：以2kg为起始载荷，以3～35kg为增加量，设定若干个载荷，载荷的终点为183.67kg；)下的压痕两条对角线长度，并求得两条对角线长度的算术平均值d，将其带入相应的维氏硬度计算公式：即可得到维氏硬度值HV，其中HV是维氏硬度符号，其中P是试验时所用的压痕载荷(kg)，d是压痕两对角线长度的算术平均值(mm)，A是压痕面积(mm2)，A＝d2/(2sin68°)；步骤4：采用Meyer方程(Meyer方程：P＝adb)进行尺寸效应的分析；Meyer方程中，P是压痕载荷(kg)，d是压痕两对角线长度的算术平均值(mm)，a和b为常数；首先对试验数据进行拟合，然后通过拟合结果中相应的系数进行尺寸效应的分析；根据拟合结果中的参数b判定压痕试验过程中的尺寸效应现象，若b＝2时，维氏压痕所测得硬度值不存在压痕尺寸效应现象；若b＜2时，则维氏压痕试验所测得的硬度值存在正压痕尺寸效应现象；若b＞2时，则该硬度值存在逆压痕尺寸效应现象；将b值同2比较，相差越大，则压痕尺寸效应现象表现的越明显；步骤5：根据压痕试验过程中硬度尺寸效应的判断结果，如果不存在尺寸效应现象，则步骤2所测得的硬度均为真实硬度值，如果存在逆压痕尺寸效应现象，进行步骤6；步骤6：采用比例试样阻力模型对材料的真实硬度值进行分析；比例试样阻力模型：P＝md+nd2，其中P为载荷力(kg)，d是压痕两对角线长度的算术平均值(mm)，m和n值是常数；同时，结合硬度的计算公式，得到测试硬度HV的计算方法： H V = P A = m d + nd 2 d 2 / β = m β d + n β = m β d + H T ]]>根据试验数据及比例试样阻力模型，对数据进行拟合，得到拟合曲线在p/d——d坐标系中在p/d轴的截距；所得截距越大则测试硬度值越偏离真实硬度值，所得截距值越接近于零，所得测试硬度值越接近真实硬度值；同时，根据不同测量结果的拟合曲线，通过分析可以得到测量材料真实硬度值时压痕载荷大小的选取范围。本专利技术的优点：采用所建立的大载荷范围的维氏硬度测量装置，其包括工作台，测力仪、试验材料、维氏压头、数控机床，利用数控机床配合测力计可以实现不同载荷时维氏硬度的测量，扩大了测量的载荷范围，突破了现有硬度计对载荷的要求；通过对压痕形貌的测量及分析，然后判断压痕过程中是否存在尺寸效应现象；如果存在逆压痕尺寸效应，则利用比例试样阻力模型可以得到测量材料真实硬度值时压痕载荷大小的选取范围，同时得到准确的材料真实硬度值。因此，采用本专利技术可以得到无硬度尺寸效应以及存在逆压痕硬度尺寸效应时的材料真实硬度值。附图说明以下结合附图对本专利技术做进一步的说明：图1是测试方法流程图；图2是测量装置示意图；图3是载荷大小为40.82kg时维氏压痕形貌；图4是压痕试验数据；图5是Meyer方程拟合结果；图6是比例试样阻力模型拟合结本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于压痕试验的测试材料真实硬度值的装置，其特征在于：其包括数控机床、维氏压头、测力仪和工作台；数控机床下部连接维式压头，维式压头下方设置测力仪，测力仪设置在工作台上。

【技术特征摘要】
1.一种基于压痕试验的测试材料真实硬度值的装置，其特征在于：其包括数控机床、维
氏压头、测力仪和工作台；数控机床下部连接维式压头，维式压头下方设置测力仪，测力仪
设置在工作台上。
2.根据权利要求1所述的一种基于压痕试验的测试材料真实硬度值的装置，其特征在
于：所述的数控机床为VMC850B立式数控加工中心，所述测力仪为Kistler9257B的三向测力
仪。
3.一种基于压痕试验的测试材料真实硬度值的方法，其特征在于：其具体步骤如下：
步骤1：在不同载荷条件下进行压痕试验；
步骤2：利用显微镜对压痕形貌进行观测，并测量不同载荷下的压痕两条对角线长度，
并求得两条对角线长度的算术平均值d，将其带入相应的维氏硬度计算公式：
HV＝P/A，
即可得到维氏硬度值HV，其中HV是维氏硬度符号，其中P是试验时所用的压痕载荷
(kg)，d是压痕两对角线长度的算术平均值(mm)，A是压痕面积(mm2)；
步骤3：对步骤2得到的数据进行尺寸效应的分析：首先对试验数据进行拟合，然后通过
拟合结果中相应的系数进行尺寸效应的分析；判断出步骤2测得的硬度值是否存在压痕尺
寸效应现象，如果存在压痕尺寸效应现象，那么存在正压痕尺寸效应现象还是逆压痕尺寸
效应现象；
步骤4：根据压痕试验过程中硬度尺寸效应的判断结果，如果不存在压痕尺寸效应现
象，则步骤2所测得的硬度值均为真实硬度值，如果存在逆压痕尺寸效应现象，则进行步骤
5；
步骤5：采用比例试样阻力模型对材料的真实硬度值进行分析；比例试样阻力模型：
P＝md+nd2，
其中P为载荷力(kg)，d是压痕两对角线长度的算术平均值(mm)，m和n值是常数；同时，
结合硬度的计算公式，得到测试硬度HV的计算方法：
H V = P A = m d + nd 2 d 2 / β = m β d + n β = m β d + H T , ]]>根据试验数据及比例试样阻力模型，对数据进行线性拟合，得到拟合曲线在p/d—d坐
标系中在p/d轴的截距；通过分析可以得到测量材...

【专利技术属性】
技术研发人员：王奔，印文典，王明海，李晓鹏，郑耀辉，
申请(专利权)人：沈阳航空航天大学，
类型：发明
国别省市：辽宁;21