本發(fā)明屬于工程材料檢測技術領域，具體涉及一種工程材料的沖擊球壓試驗以及評價方法。

背景技術：

應用較廣泛的工程材料由于內部本身存在著許多初始微裂紋和缺陷，當環(huán)境中存在酸性介質時，致使材料內部缺陷進一步增加且表面的物理性能下降。服役過程中除了受到周圍環(huán)境化學和生物介質侵蝕外，顆粒介質對基礎設施表面材料的沖蝕磨損也不容忽視，該侵蝕作用主要體現為在物理和化學循環(huán)侵蝕作用下,造成其表面損傷區(qū)的擴展并合，最終導致結構失效，嚴重影響基礎設施的耐久性和安全性。

工程材料質量的優(yōu)劣直接影響著工程質量的好壞，而環(huán)境介質對工程材料的磨損侵蝕則可通過沖擊球壓試驗完成表面損傷檢測，通過試樣表面承受不同沖擊荷載和表面三維形貌的觀測，綜合評價得出一個合理的測試結果，這樣才能嚴謹的評價所檢測的工程材料試件是否能夠滿足實際的工作條件，但目前常用的沖擊試驗方法，多集中于大能量沖擊試驗，而對于工程材料在實際服役過程中受從小能量顆粒的沖擊球壓試驗還沒有一套完整的試驗方法，材料試樣的規(guī)格、試樣表面性能、試樣表面評價指標都沒有明確的定義，試驗過程主要是憑借經驗來完成，這樣會嚴重影響測試結果，測試過程不專業(yè)，不能滿足目前的需要。

技術實現要素：

本發(fā)明主要針對上述問題，提供一種對工程材料進行沖擊球壓試驗的試驗方法，使小能量沖擊試驗進一步得到完善，從試樣制備、沖擊試驗的進行、沖擊數據的采集、試樣表面損傷區(qū)三維形貌檢測到最終的數據處理形成一套完整的沖擊球壓試驗方法。沖擊球壓試驗以赫茲接觸理論為理論基礎，操作過程條理清晰，實驗設備齊全，數據處理準確，可實現工程材料表面沖擊磨損的快速檢測，以下是具體技術方案：

一種工程材料的沖擊球壓試驗以及評價方法，通過沖擊球壓試驗得到沖擊載荷和沖擊壓痕半徑，從而分析工程材料的抗塑性、變形能力、彈性恢復能力、表面動彈性模量和剪切模量，包括試樣處理、沖擊試驗、三維形貌觀測和數據處理四部分，具體包括以下步驟：

（1）試樣的表面拋光打磨：選取100mmx100mmx100mmx的立方體試樣塊，對其進行打磨拋光處理；

（2）對試樣進行沖擊球壓試驗：試樣每個表面設置有不同的沖擊高度，且每個表面都設定有6個沖擊試驗點，將試樣固定在自動球壓沖擊裝置上進行沖擊球壓試驗；

（3）采集沖擊荷載值：在沖擊過程中，記錄每次沖擊荷載值F與時間曲線，以該曲線讀取沖擊過程中試樣表面最大沖擊荷載值P_max以及沖擊荷載值隨沖擊高度的變化；

（4）繪制三維圖：觀察試樣表面形貌的損傷程度，通過試樣表面壓痕3D形貌圖和壓痕剖面圖分析試樣的剝落和微裂紋擴展情況，通過顯微鏡測量沖擊球壓痕尺寸，記錄不同沖擊高度作用下，試樣表面壓痕尺寸半徑r、壓痕表面積S、體積V。

（5）數據處理：將壓痕值與其沖擊荷載值進行對應，計算試樣表面力學性能，繪制相應曲線圖。

進一步的，其中的打磨拋光處理為采用TCD-SM-2型砂輪磨平機對試樣表面進行打磨拋光處理。

進一步的，在步驟（2）與步驟（1）之間還包括烘干步驟，其中烘干為將拋光打磨好的試樣放入45℃烘箱烘干24小時。

進一步的，步驟（4）中通過LEXTOLS4100型激光共聚焦顯微鏡觀測試樣表面損傷程度。

進一步的，在步驟（5）中的力學性能為試樣表面動態(tài)硬度值H_d、恢復性系數e、動態(tài)彈性模量E、剪切模量G。

進一步的，表面動態(tài)硬度值H_d，體現不同材料抵抗變形的能力：

;

其中：m為沖擊球小球質量，E為試樣的彈性模量，V²_in為沖擊球球頭接觸試樣表面前的相對速度。

進一步的，其中，a為最大接觸半徑：

；

其中R為沖擊球小球半徑，為接觸系統(tǒng)有效彈性模量。

進一步的，為接觸系統(tǒng)有效彈性模量：

；

其中E為試樣彈性模量，為小球彈性模量，V為試樣的泊松比。

進一步的，表面動態(tài)彈性模量為：

，

其中R為小球半徑，為小球的泊松比，為小球彈性模量，V為試樣的泊松比；

所述的剪切模量：

，

其中V為試樣的泊松比，E為表面動態(tài)彈性模量。

進一步的，恢復性系數：

，其中、；

其中為接觸系統(tǒng)有效彈性模量，為小球球頭接觸試樣表面前的相對速度，m為小球質量。

有益效果：與現有沖擊試樣方法相比，本發(fā)明的沖擊球壓試驗方法可實現對需進行表面處理試樣的拋光打磨，且可應用自行研制的自動球壓沖擊儀進行小能量沖擊球壓試驗，利用激光共聚焦技術測量試樣表面損傷區(qū)3D形貌分析試樣形貌變化，最終通過相應軟件分析試樣表面抗塑性變形能力、彈性恢復能力、表面動彈性模量和剪切模量等試樣表面力學性能，最終得到一套完整的工程材料沖擊球壓試驗方法。

附圖說明

圖1為本發(fā)明的流程圖；

圖2為本發(fā)明的沖擊荷載與時間曲線圖；

圖3為本發(fā)明的壓痕形貌2D圖；

圖4為本發(fā)明的壓痕位移圖；

圖5為本發(fā)明的3D壓痕位移圖；

圖6為本發(fā)明的壓痕形貌剖面圖；

圖7為本發(fā)明的試樣動態(tài)硬度值圖；

圖8為本發(fā)明的試樣恢復性系數圖；

圖9為本發(fā)明的試樣動態(tài)彈性模量圖；

圖10為本發(fā)明的試樣動態(tài)剪切模量圖。

具體實施方式

實施例1

一個質量為m、半徑R、彈性模量，泊松比的剛性球體與一個彈性模量E，泊松比的試樣接觸。在沖擊荷載作用下，材料表面的接觸點法向垂直荷載最大值如公式（1）所示：

；

為球頭接觸材料表面前的相對速度，為接觸系統(tǒng)有效彈性模量：

；

最大接觸半徑為：

；

水泥砂漿試樣在沖擊過程中，動態(tài)硬度值可體現不同材料抵抗變形的能力，r為實測壓痕值半徑，F為采集得到的沖擊荷載值，動態(tài)硬度值計算公式為：

；

式中，。

沖擊前球頭的所有能量為動能，沖擊結束后轉化為材料的彈性變形能和塑性變形能，以及局部的熱效應、應力波及振動等，由于彈性波的擴散能量只占總能量的1%～3%，所以只考慮彈性變形和塑性變形。恢復性系數e體現了在沖擊過程中能量的轉換，即回跳能量占總能量的比值：

；

，；

試樣表面動態(tài)彈性模量和剪切模量則通過測得的沖擊荷載值F和壓痕值r得出：

，。

實施例2

如圖1所示，并選取養(yǎng)護56天的混凝土、砂漿和水泥石試樣，以這三種試樣為例進行沖擊球壓實驗。首先按照已計算的配合比制備100mm×100mm×100mm的立方體試塊，試樣成型24小時后拆模放入標準養(yǎng)護室養(yǎng)護56天后取出試樣。由于三種試樣均為多相復合材料，所以表面較粗糙，在沖擊試驗過程中會影響到球頭沖擊荷載值的讀取，所以在進行沖擊球壓實驗前采用TLD-SM-2型砂輪磨平機對混凝土試樣進行嚴格的打磨拋光處理，由于試樣表面有一層水泥漿，打磨時如果太薄則會影響壓痕值，打磨厚度太大則會使試樣表面大石子裸露影響沖擊荷載的讀取，所以打磨厚度有一定限制。

實施例3

將拋光打磨好的三種試樣隨即放入45℃烘箱烘干24小時后再進行沖擊球壓試驗?；炷猎嚇?個面對應一個沖高度，每個面都設定6個沖擊點，將試樣固定在自動球壓沖擊儀上夾具上準備進行沖擊球壓試驗。在編程軟件上打開沖擊球壓試驗軟件，選取一個新建文件，并且選好試樣塊數，沖擊球壓試樣的面數和從每個沖擊面的沖擊點數，隨后開始沖擊球壓試驗。

實施例4

如圖2所示，圖2為三種不同試樣的沖擊荷載-時間曲線。沖擊過程中，沖擊球壓軟件會實時記錄每次沖擊荷載值與沖擊時間曲線，從該曲線可讀取到沖擊過程中試樣表面最大沖擊荷載值，以及沖擊荷載值隨沖擊高度的變化。而對比不同試樣的沖擊荷載時間圖有可知，不同試樣在相同沖擊高度作用下由于表面硬度不同，沖擊荷載值也不同。沖擊結束后將沖擊完的試樣取出，放到LEXTOLS4100型激光共聚焦顯微鏡下觀測其表面形貌的損傷程度，通過試樣表面壓痕3D形貌圖和壓痕剖面圖更加形象直觀的分析試樣便面的剝落和微裂紋擴展情況。

實施例5

如圖3為壓痕形貌2D圖，圖4為為壓痕位移圖，圖5為3D壓痕形貌圖，圖6為壓痕形貌剖面圖所示，即可通過顯微鏡測量沖擊球壓壓痕尺寸，記錄不同沖擊高度作用下，試樣表面壓痕尺寸半徑、壓痕表面積、體積和試樣壓體表比。

實施例6

隨后將壓痕值輸入軟件，與其沖擊荷載值相對應，應用沖擊壓痕值和壓痕尺寸關系，求得試樣表面力學性能。如圖7至圖10所示分別為試樣動態(tài)硬度值、恢復性系數、動態(tài)彈性模量、剪切模量，得到的數據表格以各種常見的文本格式可進行導出。如圖7、圖8所示，試樣動態(tài)硬度值不同，體現了試樣表面密實度的差異，受顆粒介質沖擊時抵抗壓入變形即抗塑性變形能力的強弱?；謴托韵禂祫t反應了材料在沖擊荷載作用下的彈性恢復能力和沖擊過程中能量的轉換，試樣表面抗壓入變形能力越強，試樣表面恢復性系數越大。在顆粒介質沖擊磨損機制中，以材料的動態(tài)變形抗力及動態(tài)變形特性分析磨損過程要比靜態(tài)參量更符合實際，所以應用試樣表面動態(tài)硬度值評價砂漿試樣表面硬度性能。而圖9、10則體現了不同試樣表面的動態(tài)彈性模量和剪切模量，通過對比不同試樣的差值可得不同工程材料在遭受顆粒介質沖擊時材料的抗沖擊性能，與靜態(tài)彈性模量相比，動態(tài)性能參數更加復合實際沖擊過程試樣表面性能。

本發(fā)明通過不同的試樣表面性能圖對比可知，不同工程材料在遭受顆粒介質侵蝕時，表面性能不同，表面損傷程度也不同，因此可通過沖擊球壓實驗來選取一種耐久性較好的材料應用于實際工程中，研究成果將為顆粒介質侵蝕環(huán)境下水泥基材料的耐久性提供依據。