專利名稱：基于激光沖擊效應(yīng)的材料動(dòng)態(tài)硬度測(cè)試裝置及方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及材料硬度測(cè)試領(lǐng)域，具體地，涉及一種基于激光沖擊效應(yīng)的材料動(dòng)態(tài)硬度測(cè)試裝置及方法。
背景技術(shù)：
硬度 是衡量金屬材料軟硬程度的一項(xiàng)重要性能指標(biāo)，體現(xiàn)了材料局部抵抗殘余變形的能力。硬度不是一個(gè)簡(jiǎn)單的物理概念，而是材料彈性、塑性、強(qiáng)度和韌性等力學(xué)性能的綜合指標(biāo)。硬度測(cè)試目前分為靜態(tài)硬度測(cè)試與動(dòng)態(tài)硬度測(cè)試兩類方法。其中靜態(tài)硬度測(cè)試法主要包括布氏硬度、洛氏硬度、維氏硬度等測(cè)試方法，它們的測(cè)量原理是以一定大小的載荷，以特定形狀的壓頭緩慢壓入被測(cè)金屬表面，保持一段時(shí)間后卸載，此時(shí)測(cè)量壓痕的面積或深度，最終用載荷與壓痕深度或面積的比值作為被測(cè)材料的硬度值。靜態(tài)硬度反映了材料在準(zhǔn)靜態(tài)過(guò)程中的力學(xué)性能，但研究表明，多數(shù)材料的塑性變形行為具有應(yīng)變率相關(guān)性，在高應(yīng)變率時(shí)，多數(shù)材料的力學(xué)性能會(huì)有不同程度的提高，因此有必要研究材料的動(dòng)態(tài)硬度測(cè)試方法。動(dòng)態(tài)硬度測(cè)試法目前主要包括肖氏硬度和里氏硬度兩種測(cè)量方法，它們是利用一定形狀的沖擊體沖擊被測(cè)試樣表面，將沖擊體反彈速度與沖擊速度的比值作為該材料的硬度值。同時(shí)，也有學(xué)者將沖擊體的動(dòng)能與被測(cè)試樣上壓痕體積的比值作為動(dòng)態(tài)硬度，采用該方法表征動(dòng)態(tài)硬度的優(yōu)點(diǎn)是，對(duì)于不同形狀的沖擊體，測(cè)得的動(dòng)態(tài)硬度保持一致。動(dòng)態(tài)硬度反映的是材料在較高應(yīng)變率下的力學(xué)性能，但由于沖擊體所能達(dá)到的入射速度有限，以上兩種動(dòng)態(tài)硬度測(cè)試方法所涉及的材料應(yīng)變率范圍均低于IO4S'隨著人們對(duì)高速碰撞、聞速?zèng)_擊等超聞應(yīng)變率現(xiàn)象的深入關(guān)注，急需研究材料在超聞應(yīng)變率條件下的力學(xué)行為，因而有必要發(fā)明一種在超高應(yīng)變率條件下材料動(dòng)態(tài)硬度的測(cè)試裝置及方法。

發(fā)明內(nèi)容
針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)中的缺陷，本發(fā)明的目的是借助激光沖擊的高應(yīng)變率OlOfV1)特性，提供一種在高應(yīng)變率條件下材料動(dòng)態(tài)硬度的測(cè)試裝置及相應(yīng)的測(cè)試方法。根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面，提供一種基于激光沖擊效應(yīng)的材料動(dòng)態(tài)硬度測(cè)試裝置，包括用以輸出激光束的激光器、第一反射鏡、第二反射鏡、第三反射鏡、透鏡、容器、約束層、吸收層、夾具、隔振平臺(tái)、數(shù)控平臺(tái)、出水管、進(jìn)水管。激光器和數(shù)控平臺(tái)設(shè)置在隔振平臺(tái)上，容器設(shè)置在數(shù)控平臺(tái)上與數(shù)控平臺(tái)連接，夾具設(shè)置在容器底部，用以固定被測(cè)試樣。吸收層覆蓋在被測(cè)試樣表面，用以隔絕激光的熱效應(yīng)并吸收激光能量，形成GPa量級(jí)的沖擊壓力。進(jìn)水管穿設(shè)于容器側(cè)壁，用以通入流動(dòng)水，在吸收層上形成約束層，約束層的作用是約束等離子體的膨脹，從而增大沖擊壓力峰值并延長(zhǎng)沖擊壓力作用時(shí)間。出水管設(shè)置在容器下方，用以排水。第一反射鏡、第二反射鏡和第三反射鏡依次分布設(shè)置在激光器和容器之間，用以形成激光束的傳播光路，將激光束反射到被測(cè)試樣上。透鏡設(shè)置在第三反射鏡和容器之間，用以調(diào)節(jié)激光束入射到被測(cè)試樣上的激光光斑大小。優(yōu)選地，激光器輸出的激光束為高功率短脈沖激光束。
優(yōu)選地，吸收層為黑色的聚四氟乙烯絕緣膠帶。優(yōu)選地，約束層為一層流動(dòng)水膜。根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)方面，提供一種基于激光沖擊效應(yīng)的材料動(dòng)態(tài)硬度測(cè)試方法，包括以下步驟步驟一，開(kāi)啟并預(yù)熱激光器，測(cè)量激光的平均功車(chē)7并計(jì)算激光單脈沖能量E ;步驟二，在被測(cè)試樣表面覆蓋一層吸收層，通過(guò)夾具將被測(cè)試樣固定于特制容器中；步驟三，操作數(shù)控平臺(tái)，使激光束對(duì)準(zhǔn)試樣待測(cè)試的位置；步驟四，打開(kāi)進(jìn)水管，在被測(cè)試樣表面通入流動(dòng)水膜，在吸收層上方形成約束層； 步驟五，使激光束入射至被測(cè)試樣表面，在被測(cè)試樣表面沖擊出一個(gè)微小凹坑；步驟六，測(cè)量微小凹坑的體積V，通過(guò)計(jì)算激光單脈沖能量E與微坑體積V的比值得到被測(cè)材料的動(dòng)態(tài)硬度Hd，即Hd = E/V。優(yōu)選地，步驟一中采用以下公式計(jì)算激光脈沖能量E=PIf，其中，f為激光脈沖的重復(fù)頻率。優(yōu)選地，步驟四和步驟五之間還包括上下移動(dòng)透鏡，調(diào)節(jié)入射到被測(cè)試樣上的激光光斑至合適大小。優(yōu)選地，步驟一中采用激光功率計(jì)測(cè)量激光的平均功率聲;步驟七中采用三維光學(xué)表面輪廓儀測(cè)量微小凹坑的體積V。優(yōu)選地，激光束為高功率短脈沖激光束。本發(fā)明的動(dòng)態(tài)硬度測(cè)試裝置及方法采用基于激光沖擊的力效應(yīng)對(duì)材料硬度進(jìn)行測(cè)試，以激光單脈沖的能量與微坑體積的比值作為材料動(dòng)態(tài)硬度，可以準(zhǔn)確測(cè)量被測(cè)材料在高應(yīng)變率OlO6s-1)條件下的動(dòng)態(tài)硬度，彌補(bǔ)了當(dāng)前動(dòng)態(tài)硬度測(cè)試應(yīng)變率不夠高的不足。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、操作方便、應(yīng)變率高、測(cè)量速度快且測(cè)量精度高的優(yōu)點(diǎn)。


通過(guò)閱讀參照以下附圖對(duì)非限制性實(shí)施例所作的詳細(xì)描述，本發(fā)明的其它特征、目的和優(yōu)點(diǎn)將會(huì)變得更明顯圖I為本發(fā)明基于激光沖擊效應(yīng)的材料動(dòng)態(tài)硬度測(cè)試裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。圖中I為激光器,2為第一反射鏡,3為第二反射鏡,4為激光束,5為第三反射鏡，6為透鏡，7為容器，8為約束層，9為吸收層，10為被測(cè)試樣，11為夾具，12為隔振平臺(tái)，13為數(shù)控平臺(tái)，14為出水管，15為進(jìn)水管。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明。以下實(shí)施例將有助于本領(lǐng)域的技術(shù)人員進(jìn)一步理解本發(fā)明，但不以任何形式限制本發(fā)明。應(yīng)當(dāng)指出的是，對(duì)本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來(lái)說(shuō)，在不脫離本發(fā)明構(gòu)思的前提下，還可以做出若干變形和改進(jìn)。這些都屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍。
請(qǐng)參閱圖1，一種基于激光沖擊效應(yīng)的材料動(dòng)態(tài)硬度測(cè)試裝置，包括用以輸出激光束4的激光器I、第一反射鏡2、第二反射鏡3、第三反射鏡5、透鏡6、容器7、約束層8、吸收層9、夾具11、隔振平臺(tái)12、數(shù)控平臺(tái)13、出水管14和進(jìn)水管15，激光器I和數(shù)控平臺(tái)13放置在隔振平臺(tái)12上，容器7設(shè)置在數(shù)控平臺(tái)13上與數(shù)控平臺(tái)13連接，夾具11設(shè)置在容器7底部，用以固定被測(cè)試樣10，吸收層9覆蓋在被測(cè)試樣10表面，用以隔絕激光的熱效應(yīng)并吸收激光能量，形成GPa量級(jí)的沖擊壓力。進(jìn)水管15穿設(shè)于容器7側(cè)壁，用以通入流動(dòng)水，在吸收層9上形成約束層8，約束層8的作用是約束等離子體的膨脹，從而增大沖擊壓力峰值并延長(zhǎng)沖擊壓力作用時(shí)間。出水管14設(shè)置在容器7下方，用以排水。第一反射鏡
2、第二反射鏡3和第三反射鏡5依次分布設(shè)置在激光器I和容器7之間，用以形成激光束4的傳播光路，將激光束4反射到被測(cè)試樣10上。透鏡6設(shè)置在第三反射鏡5和容器7之間，用以調(diào)節(jié)激光束4入射到被測(cè)試樣10上的激光光斑大小。
激光束4從激光器I輸出后，經(jīng)過(guò)反射鏡2、3、5的反射，并通過(guò)透鏡6的聚焦，入射到被測(cè)試樣10上。透鏡6可上下移動(dòng)，從而調(diào)節(jié)入射到被測(cè)試樣10上的激光光斑直徑。容器7固定在數(shù)控平臺(tái)13上，其為半封閉結(jié)構(gòu)，上部中間位置設(shè)置有開(kāi)孔，用以入射激光束
4。被測(cè)試樣10由夾具11固定在容器7底部，約束層8的施加由進(jìn)水管15和出水管14完成，進(jìn)水管15的進(jìn)水量由流量計(jì)控制，以保證約束層厚度的穩(wěn)定性。數(shù)控平臺(tái)13由電腦控制移動(dòng)，使激光束4能精確對(duì)準(zhǔn)被測(cè)位置。具體的，激光器I輸出的激光束4為高功率短脈沖激光束。吸收層9為黑色的聚四氟乙烯絕緣膠帶。約束層8為由進(jìn)水管15和出水管14施加的一層流動(dòng)水膜?；谏鲜龅幕诩す鉀_擊效應(yīng)的材料動(dòng)態(tài)硬度測(cè)試裝置，本發(fā)明還提供一種基于激光沖擊效應(yīng)的材料動(dòng)態(tài)硬度測(cè)試方法，包括以下步驟步驟一，開(kāi)啟并預(yù)熱激光器，測(cè)量激光的平均功率P ,并計(jì)算激光單脈沖能量E。激光束為高功率短脈沖激光束，激光的平均功率聲通過(guò)激光功率計(jì)測(cè)量得到，激光脈沖能量采用下式計(jì)算K=Pif ,其中，f為激光脈沖的重復(fù)頻率。步驟二，在被測(cè)試樣表面覆蓋一層吸收層，通過(guò)夾具將被測(cè)試樣固定于特制容器中。步驟三，操作數(shù)控平臺(tái)，使激光束對(duì)準(zhǔn)試樣待測(cè)試的位置。步驟四，打開(kāi)進(jìn)水管，在被測(cè)試樣表面通入流動(dòng)水膜，在吸收層上方形成約束層。步驟五，使激光束入射至被測(cè)試樣表面，在被測(cè)試樣表面沖擊出一個(gè)微小凹坑。步驟六，測(cè)量微小凹坑的體積V，通過(guò)計(jì)算激光單脈沖能量E與微坑體積V的比值得到被測(cè)材料的動(dòng)態(tài)硬度Hd，即Hd = E/V。具體可采用三維光學(xué)表面輪廓儀測(cè)量微小凹坑的體積V，將試樣取下后，用三維光學(xué)表面儀掃描試樣表面的微小凹坑，可直接讀取微小凹坑的體積。上述方法中，步驟四和步驟五之間還包括上下移動(dòng)透鏡，調(diào)節(jié)入射到被測(cè)試樣上的激光光斑至合適大小。本發(fā)明的動(dòng)態(tài)硬度測(cè)試裝置及方法采用基于激光沖擊的力效應(yīng)對(duì)材料硬度進(jìn)行測(cè)試，以激光單脈沖的能量與微坑體積的比值作為材料動(dòng)態(tài)硬度，可以準(zhǔn)確測(cè)量被測(cè)材料在高應(yīng)變率OlO6s-1)條件下的動(dòng)態(tài)硬度，彌補(bǔ)了當(dāng)前動(dòng)態(tài)硬度測(cè)試應(yīng)變率不夠高的不足。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、操作方便、應(yīng)變率高、測(cè)量速度快且測(cè)量精度高的優(yōu)點(diǎn)。以上對(duì)本發(fā)明的具體實(shí)施例進(jìn)行了描述。需要指出的是，本發(fā)明并不局限于上述 特定實(shí)施方式，本領(lǐng)域技術(shù)人員可以在權(quán)利要求的范圍內(nèi)做出各種變形或修改，這并不影響本發(fā)明的實(shí)質(zhì)內(nèi)容。
權(quán)利要求
1.一種基于激光沖擊效應(yīng)的材料動(dòng)態(tài)硬度測(cè)試裝置，其特征在于，包括用以輸出激光束的激光器、第一反射鏡、第二反射鏡、第三反射鏡、透鏡、容器、約束層、吸收層、夾具、隔振平臺(tái)、數(shù)控平臺(tái)、出水管和進(jìn)水管；所述激光器和數(shù)控平臺(tái)置在所述隔振平臺(tái)上；所述容器設(shè)置在所述數(shù)控平臺(tái)上與所述數(shù)控平臺(tái)連接；所述夾具設(shè)置在所述容器底部，用以固定被測(cè)試樣；所述吸收層覆蓋在被測(cè)試樣表面；所述進(jìn)水管穿設(shè)于所述容器，用以通入流動(dòng)水，在所述吸收層上形成所述約束層；所述出水管設(shè)置在所述容器下方，用以排水；所述第一反射鏡、第二反射鏡和第三反射鏡依次分布設(shè)置在所述激光器和容器之間，用以形成所述激光束的傳播光路，將所述激光束反射到被測(cè)試樣上；所述透鏡設(shè)置在所述第三反射鏡和容器之間，用以調(diào)節(jié)所述激光束入射到被測(cè)試樣上的激光光斑大小。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的基于激光沖擊效應(yīng)的材料動(dòng)態(tài)硬度測(cè)試裝置，其特征在于，所述激光器輸出的激光束為高功率短脈沖激光束。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的基于激光沖擊效應(yīng)的材料動(dòng)態(tài)硬度測(cè)試裝置，其特征在于，所述吸收層為黑色的聚四氟乙烯絕緣膠帶。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的基于激光沖擊效應(yīng)的材料動(dòng)態(tài)硬度測(cè)試裝置，其特征在于，所述約束層為一層流動(dòng)水膜。
5.一種基于激光沖擊效應(yīng)的材料動(dòng)態(tài)硬度測(cè)試方法，其特征在于，包括以下步驟 步驟一，開(kāi)啟并預(yù)熱激光器，測(cè)量激光的平均功率P ,并計(jì)算激光單脈沖能量E ； 步驟二，在被測(cè)試樣表面覆蓋一層吸收層，通過(guò)夾具將被測(cè)試樣固定于特制容器中； 步驟三，操作數(shù)控平臺(tái)，使激光束對(duì)準(zhǔn)試樣待測(cè)試的位置； 步驟四，打開(kāi)進(jìn)水管，在被測(cè)試樣表面通入流動(dòng)水膜，在吸收層上方形成約束層； 步驟五，使激光束入射至被測(cè)試樣表面，在被測(cè)試樣表面沖擊出一個(gè)微小凹坑； 步驟六，測(cè)量微小凹坑的體積V，計(jì)算激光單脈沖能量E與微坑體積V的比值，得到被測(cè)材料的動(dòng)態(tài)硬度Hd，即Hd = E/V。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的基于激光沖擊效應(yīng)的材料動(dòng)態(tài)硬度測(cè)試方法，其特征在于，步驟一中采用以下公式計(jì)算激光脈沖能量 其中，f為激光脈沖的重復(fù)頻率。
7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的基于激光沖擊效應(yīng)的材料動(dòng)態(tài)硬度測(cè)試方法，其特征在于，步驟四和步驟五之間還包括上下移動(dòng)透鏡，調(diào)節(jié)入射到被測(cè)試樣上的激光光斑至合適大小。
8.根據(jù)權(quán)利要求5所述的基于激光沖擊效應(yīng)的材料動(dòng)態(tài)硬度測(cè)試方法，其特征在于，步驟一中采用激光功率計(jì)測(cè)量激光的平均功率P;步驟七中采用三維光學(xué)表面輪廓儀測(cè)量微小凹坑的體積V。
9.根據(jù)權(quán)利要求5所述的基于激光沖擊效應(yīng)的材料動(dòng)態(tài)硬度測(cè)試方法，其特征在于，所述激光束為高功率短脈沖激光束。
全文摘要
本發(fā)明提供一種基于激光沖擊效應(yīng)的材料動(dòng)態(tài)硬度測(cè)試裝置及方法，首先，開(kāi)啟并預(yù)熱激光器，測(cè)量激光的平均功率并計(jì)算激光單脈沖能量E；之后，在被測(cè)試樣表面覆蓋一層吸收層，通過(guò)夾具將被測(cè)試樣固定于特制容器中；然后，操作數(shù)控平臺(tái)，使激光束對(duì)準(zhǔn)試樣待測(cè)試的位置；打開(kāi)進(jìn)水管，在被測(cè)試樣表面通入流動(dòng)水膜，在吸收層上方形成約束層；此時(shí)使激光束入射至被測(cè)試樣表面，在被測(cè)試樣表面沖擊出一個(gè)微小凹坑；最后，測(cè)量微小凹坑的體積V，通過(guò)計(jì)算激光單脈沖能量E與微坑體積V的比值得到被測(cè)材料的動(dòng)態(tài)硬度Hd。本發(fā)明具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、操作方便、應(yīng)變率高、測(cè)量速度快且測(cè)量精度高的優(yōu)點(diǎn)。
文檔編號(hào)G01N3/40GK102901679SQ201210351919
公開(kāi)日2013年1月30日 申請(qǐng)日期2012年9月19日 優(yōu)先權(quán)日2012年9月19日
發(fā)明者姚振強(qiáng), 李康妹, 胡永祥 申請(qǐng)人:上海交通大學(xué)