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    基于激光沖擊效應(yīng)的材料動(dòng)態(tài)硬度測(cè)試裝置及方法制造方法及圖紙

    技術(shù)編號(hào):8270404 閱讀:209 留言:0更新日期:2013-01-31 02:15
    本發(fā)明專利技術(shù)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)明專利技術(shù)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)。

    【技術(shù)實(shí)現(xiàn)步驟摘要】
    本專利技術(shù)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
    技術(shù)介紹
    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,因而有必要專利技術(shù)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。
    技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路
    針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)中的缺陷,本專利技術(shù)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)本專利技術(shù)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)本專利技術(shù)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,開啟并預(yù)熱激光器,測(cè)量激光的平均功車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。本專利技術(shù)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,本專利技術(shù)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)。附圖說明通過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,本專利技術(shù)的其它特征、目的和優(yōu)點(diǎn)將會(huì)變得更明顯圖I為本專利技術(shù)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)本專利技術(shù)進(jìn)行詳細(xì)說明。以下實(shí)施例將有助于本領(lǐng)域的技術(shù)人員進(jìn)一步理解本專利技術(shù),但不以任何形式限制本專利技術(shù)。應(yīng)當(dāng)指出的是,對(duì)本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說,在不脫離本專利技術(shù)構(gòu)思的前提下,還可以做出若干變形和改進(jìn)。這些都屬于本專利技術(shù)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)過反射鏡2、3、5的反射,并通過透鏡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。基于上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,本專利技術(shù)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)試樣表本文檔來自技高網(wǎng)...

    【技術(shù)保護(hù)點(diǎn)】
    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。

    【技術(shù)特征摘要】
    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...

    【專利技術(shù)屬性】
    技術(shù)研發(fā)人員:姚振強(qiáng)李康妹胡永祥
    申請(qǐng)(專利權(quán))人:上海交通大學(xué)
    類型:發(fā)明
    國(guó)別省市:

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