一种工程材料的冲击球压试验以及评价方法与流程

本发明属于工程材料检测技术领域，具体涉及一种工程材料的冲击球压试验以及评价方法。

背景技术：

应用较广泛的工程材料由于内部本身存在着许多初始微裂纹和缺陷，当环境中存在酸性介质时，致使材料内部缺陷进一步增加且表面的物理性能下降。服役过程中除了受到周围环境化学和生物介质侵蚀外，颗粒介质对基础设施表面材料的冲蚀磨损也不容忽视，该侵蚀作用主要体现为在物理和化学循环侵蚀作用下,造成其表面损伤区的扩展并合，最终导致结构失效，严重影响基础设施的耐久性和安全性。

工程材料质量的优劣直接影响着工程质量的好坏，而环境介质对工程材料的磨损侵蚀则可通过冲击球压试验完成表面损伤检测，通过试样表面承受不同冲击荷载和表面三维形貌的观测，综合评价得出一个合理的测试结果，这样才能严谨的评价所检测的工程材料试件是否能够满足实际的工作条件，但目前常用的冲击试验方法，多集中于大能量冲击试验，而对于工程材料在实际服役过程中受从小能量颗粒的冲击球压试验还没有一套完整的试验方法，材料试样的规格、试样表面性能、试样表面评价指标都没有明确的定义，试验过程主要是凭借经验来完成，这样会严重影响测试结果，测试过程不专业，不能满足目前的需要。

技术实现要素：

本发明主要针对上述问题，提供一种对工程材料进行冲击球压试验的试验方法，使小能量冲击试验进一步得到完善，从试样制备、冲击试验的进行、冲击数据的采集、试样表面损伤区三维形貌检测到最终的数据处理形成一套完整的冲击球压试验方法。冲击球压试验以赫兹接触理论为理论基础，操作过程条理清晰，实验设备齐全，数据处理准确，可实现工程材料表面冲击磨损的快速检测，以下是具体技术方案：

一种工程材料的冲击球压试验以及评价方法，通过冲击球压试验得到冲击载荷和冲击压痕半径，从而分析工程材料的抗塑性、变形能力、弹性恢复能力、表面动弹性模量和剪切模量，包括试样处理、冲击试验、三维形貌观测和数据处理四部分，具体包括以下步骤：

（1）试样的表面抛光打磨：选取100mmx100mmx100mmx的立方体试样块，对其进行打磨抛光处理；

（2）对试样进行冲击球压试验：试样每个表面设置有不同的冲击高度，且每个表面都设定有6个冲击试验点，将试样固定在自动球压冲击装置上进行冲击球压试验；

（3）采集冲击荷载值：在冲击过程中，记录每次冲击荷载值F与时间曲线，以该曲线读取冲击过程中试样表面最大冲击荷载值P_max以及冲击荷载值随冲击高度的变化；

（4）绘制三维图：观察试样表面形貌的损伤程度，通过试样表面压痕3D形貌图和压痕剖面图分析试样的剥落和微裂纹扩展情况，通过显微镜测量冲击球压痕尺寸，记录不同冲击高度作用下，试样表面压痕尺寸半径r、压痕表面积S、体积V。

（5）数据处理：将压痕值与其冲击荷载值进行对应，计算试样表面力学性能，绘制相应曲线图。

进一步的，其中的打磨抛光处理为采用TCD-SM-2型砂轮磨平机对试样表面进行打磨抛光处理。

进一步的，在步骤（2）与步骤（1）之间还包括烘干步骤，其中烘干为将抛光打磨好的试样放入45℃烘箱烘干24小时。

进一步的，步骤（4）中通过LEXTOLS4100型激光共聚焦显微镜观测试样表面损伤程度。

进一步的，在步骤（5）中的力学性能为试样表面动态硬度值H_d、恢复性系数e、动态弹性模量E、剪切模量G。

进一步的，表面动态硬度值H_d，体现不同材料抵抗变形的能力：

;

其中：m为冲击球小球质量，E为试样的弹性模量，V²_in为冲击球球头接触试样表面前的相对速度。

进一步的，其中，a为最大接触半径：

；

其中R为冲击球小球半径，为接触系统有效弹性模量。

进一步的，为接触系统有效弹性模量：

；

其中E为试样弹性模量，为小球弹性模量，V为试样的泊松比。

进一步的，表面动态弹性模量为：

，

其中R为小球半径，为小球的泊松比，为小球弹性模量，V为试样的泊松比；

所述的剪切模量：

，

其中V为试样的泊松比，E为表面动态弹性模量。

进一步的，恢复性系数：

，其中、；

其中为接触系统有效弹性模量，为小球球头接触试样表面前的相对速度，m为小球质量。

有益效果：与现有冲击试样方法相比，本发明的冲击球压试验方法可实现对需进行表面处理试样的抛光打磨，且可应用自行研制的自动球压冲击仪进行小能量冲击球压试验，利用激光共聚焦技术测量试样表面损伤区3D形貌分析试样形貌变化，最终通过相应软件分析试样表面抗塑性变形能力、弹性恢复能力、表面动弹性模量和剪切模量等试样表面力学性能，最终得到一套完整的工程材料冲击球压试验方法。

附图说明

图1为本发明的流程图；

图2为本发明的冲击荷载与时间曲线图；

图3为本发明的压痕形貌2D图；

图4为本发明的压痕位移图；

图5为本发明的3D压痕位移图；

图6为本发明的压痕形貌剖面图；

图7为本发明的试样动态硬度值图；

图8为本发明的试样恢复性系数图；

图9为本发明的试样动态弹性模量图；

图10为本发明的试样动态剪切模量图。

具体实施方式

实施例1

一个质量为m、半径R、弹性模量，泊松比的刚性球体与一个弹性模量E，泊松比的试样接触。在冲击荷载作用下，材料表面的接触点法向垂直荷载最大值如公式（1）所示：

；

为球头接触材料表面前的相对速度，为接触系统有效弹性模量：

；

最大接触半径为：

；

水泥砂浆试样在冲击过程中，动态硬度值可体现不同材料抵抗变形的能力，r为实测压痕值半径，F为采集得到的冲击荷载值，动态硬度值计算公式为：

；

式中，。

冲击前球头的所有能量为动能，冲击结束后转化为材料的弹性变形能和塑性变形能，以及局部的热效应、应力波及振动等，由于弹性波的扩散能量只占总能量的1%～3%，所以只考虑弹性变形和塑性变形。恢复性系数e体现了在冲击过程中能量的转换，即回跳能量占总能量的比值：

；

，；

试样表面动态弹性模量和剪切模量则通过测得的冲击荷载值F和压痕值r得出：

，。

实施例2

如图1所示，并选取养护56天的混凝土、砂浆和水泥石试样，以这三种试样为例进行冲击球压实验。首先按照已计算的配合比制备100mm×100mm×100mm的立方体试块，试样成型24小时后拆模放入标准养护室养护56天后取出试样。由于三种试样均为多相复合材料，所以表面较粗糙，在冲击试验过程中会影响到球头冲击荷载值的读取，所以在进行冲击球压实验前采用TLD-SM-2型砂轮磨平机对混凝土试样进行严格的打磨抛光处理，由于试样表面有一层水泥浆，打磨时如果太薄则会影响压痕值，打磨厚度太大则会使试样表面大石子裸露影响冲击荷载的读取，所以打磨厚度有一定限制。

实施例3

将抛光打磨好的三种试样随即放入45℃烘箱烘干24小时后再进行冲击球压试验。混凝土试样6个面对应一个冲高度，每个面都设定6个冲击点，将试样固定在自动球压冲击仪上夹具上准备进行冲击球压试验。在编程软件上打开冲击球压试验软件，选取一个新建文件，并且选好试样块数，冲击球压试样的面数和从每个冲击面的冲击点数，随后开始冲击球压试验。

实施例4

如图2所示，图2为三种不同试样的冲击荷载-时间曲线。冲击过程中，冲击球压软件会实时记录每次冲击荷载值与冲击时间曲线，从该曲线可读取到冲击过程中试样表面最大冲击荷载值，以及冲击荷载值随冲击高度的变化。而对比不同试样的冲击荷载时间图有可知，不同试样在相同冲击高度作用下由于表面硬度不同，冲击荷载值也不同。冲击结束后将冲击完的试样取出，放到LEXTOLS4100型激光共聚焦显微镜下观测其表面形貌的损伤程度，通过试样表面压痕3D形貌图和压痕剖面图更加形象直观的分析试样便面的剥落和微裂纹扩展情况。

实施例5

如图3为压痕形貌2D图，图4为为压痕位移图，图5为3D压痕形貌图，图6为压痕形貌剖面图所示，即可通过显微镜测量冲击球压压痕尺寸，记录不同冲击高度作用下，试样表面压痕尺寸半径、压痕表面积、体积和试样压体表比。

实施例6

随后将压痕值输入软件，与其冲击荷载值相对应，应用冲击压痕值和压痕尺寸关系，求得试样表面力学性能。如图7至图10所示分别为试样动态硬度值、恢复性系数、动态弹性模量、剪切模量，得到的数据表格以各种常见的文本格式可进行导出。如图7、图8所示，试样动态硬度值不同，体现了试样表面密实度的差异，受颗粒介质冲击时抵抗压入变形即抗塑性变形能力的强弱。恢复性系数则反应了材料在冲击荷载作用下的弹性恢复能力和冲击过程中能量的转换，试样表面抗压入变形能力越强，试样表面恢复性系数越大。在颗粒介质冲击磨损机制中，以材料的动态变形抗力及动态变形特性分析磨损过程要比静态参量更符合实际，所以应用试样表面动态硬度值评价砂浆试样表面硬度性能。而图9、10则体现了不同试样表面的动态弹性模量和剪切模量，通过对比不同试样的差值可得不同工程材料在遭受颗粒介质冲击时材料的抗冲击性能，与静态弹性模量相比，动态性能参数更加复合实际冲击过程试样表面性能。

本发明通过不同的试样表面性能图对比可知，不同工程材料在遭受颗粒介质侵蚀时，表面性能不同，表面损伤程度也不同，因此可通过冲击球压实验来选取一种耐久性较好的材料应用于实际工程中，研究成果将为颗粒介质侵蚀环境下水泥基材料的耐久性提供依据。