基于感应加热式高温硬度测量装置及方法与流程

本申请涉及材料高温硬度测量领域，尤其涉及一种基于感应加热式高温硬度测量装置及方法。

背景技术：

硬度测试是检测材料力学性能试验的常用方法，能间接反映出材料在化学成分、组织结构和处理工艺上的差异，是最快速最经济的试验方法之一。同时，对于在高温环境下使用的材料，如航空航天等领域，对于高温性能的检测是不可或缺的，然而目前通过高温硬度测试来评价材料的高温力学性能并未得到有效的利用，这是因为目前高温硬度测试存在以下问题：①需要保证试样与硬度计压头在高温环境下不被氧化；②测试过程中，硬度计压头处于高温环境中，使得测试温度上限被极大地限制(通常在1200℃以下)；③如何保证测试过程中载荷恒定的完成整个压痕动作。

技术实现要素：

本申请的一个目的在于提供一种基于感应加热式高温硬度测量装置，旨在解决现有技术中，硬度计压头在测试升温过程中容易受热的问题。

为达此目的，本申请实施例采用以下技术方案：

基于感应加热式高温硬度测量装置，包括用于放置待测物体的移动底座、设于所述移动底座的绝缘的样品放置台、感应线圈、硬度计压头，以及用于驱动所述硬度计压头移动至待测物体并在待测物体表面加载形成压痕的载荷驱动机构。

在一个实施例中，所述基于感应加热式高温硬度测量装置还包括封闭壳体，以及用于对所述封闭壳体抽真空的真空装置。

在一个实施例中，所述移动底座滑动安装于所述封闭壳体的底部；所述基于感应加热式高温硬度测量装置还包括用于驱动所述移动底座相对所述封闭壳体滑动的滑动驱动机构。

在一个实施例中，所述样品放置台上设有传热套，所述传热套位于所述感应线圈内。

在一个实施例中，所述载荷驱动机构包括安装于所述封闭壳体内的支架、滑动安装于所述支架的移动轴、安装于所述支架的步进电机，以及安装于所述步进电机与所述移动轴之间且用于带动所述移动轴相对所述支架滑动的柔性传递组件；所述移动轴的轴线与所述感应线圈的轴线共线。

在一个实施例中，所述移动轴上设有砝码盘。

在一个实施例中，所述封闭壳体的至少一表面为透明板，所述基于感应加热式高温硬度测量装置还包括用于通过所述透明板对待测物体测温的红外测温仪。

在一个实施例中，所述基于感应加热式高温硬度测量装置还包括用于对所述封闭壳体内填充保护气体的气体通路。

本申请的另一个目的在于提供一种基于感应加热式高温硬度测量方法，包括如下步骤：

将待测物体放置于移动底座的样品放置台上，使待测物体位于感应线圈内；

感应线圈通电对待测物体加热；

载荷驱动机构带动压头移动至待测物体并在测物体表面加载形成压痕。

在一个实施例中，在步骤：感应线圈对待测物体加热之前，还包括如下步骤：

感应线圈对待测物体加热之前，还包括如下步骤：

将封闭壳体抽真空至6*10^-3pa。

在一个实施例中，在步骤：载荷驱动机构带动硬度计压头移动至待测物体并在测物体表面加载形成压痕之前，还包括如下步骤：

测量待测物体的温度，当待测物体的温度到达预设温度时，将待测物体保持20秒-1200秒的恒温状态。

本申请实施例的有益效果：利用感应线圈产生的感应加热电流对待测物体或者对传热套加热，也即采用间接加热的方式进行加热，无需对整个测量装置的内部进行加热，不易于影响测量装置的其他部件，尤其是不易于影响硬度计压头的温度，不易于改变硬度计压头的力学性能，可保证测量的精度。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本申请的实施例中基于感应加热式高温硬度测量装置的结构示意图(待测物体为能被感应加热的材料)；

图2为本申请的实施例中基于感应加热式高温硬度测量装置的结构示意图(待测物体为不能被感应加热的材料)；

图3为本申请的实施例中almo0.5nbta0.5tizr难熔高熵合金不同温度下压痕的示意图；

图中：

1、移动底座；2、感应线圈；3、硬度计压头；4、载荷驱动机构；41、支架；42、移动轴；43、步进电机；44、柔性传递组件；45、导向套；46、电机控制器；5、封闭壳体；51、抽气孔；52、充气孔；53、真空电路接头；54、观察窗；6、砝码盘；7、样品放置台；71、传热套；8、红外测温仪；9、待测物体。

具体实施方式

为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。

需要说明的是，当元件被称为“固定于”或“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者间接在该另一个元件上。当一个元件被称为是“连接于”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或间接连接至该另一个元件上。

需要理解的是，术语“长度”、“宽度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本申请的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

以下结合具体实施例对本申请的实现进行详细的描述。

如图1-图2所示，本申请实施例提出了一种基于感应加热式高温硬度测量装置，包括用于放置待测物体9的移动底座1、位于移动底座1且用于产生感应加热电流的感应线圈2、硬度计压头3，以及用于驱动硬度计压头3移动至待测物体9并对在测物体表面加载形成压痕的载荷驱动机构4。

在本申请的实施例中，利用感应线圈2在待测物体9(金属件时)上产生感应电流，将其加热，相对于传统的辐射或接触式加热方式(电阻丝加热、硅碳棒加热及红外加热等加热方式)，感应方式只加热待测物体，不加热测量装置的其他部件，对硬度计压头温度影响小，可保证测量的精度。

待测物体9被感应加热后会通过传导的方式向样品放置台7散热，由于样品放置台7为导热很差的材质，因此传导散热量很低，样品本身较小，因此辐射散热量也很低，在真空环境中无对流散热，因此样品温度可以很容易地加热到1000摄氏度以上，比如1200摄氏度，而现有的电阻丝加热高温硬度计很难加热到1000摄氏度以上，因此本申请提供的基于感应加热式高温硬度测量装置提升了试验测量温度的上限，可更加有效的应用于相关实验研究，且实验测量温度上限主要由感应电源的功率决定，可根据需求进行选择和更换。

本申请提供的基于感应加热式高温硬度测量装置仅加热待测物体，不加热测量装置的其他部件，使得各个部件不易于受高温的影响，使用寿命更长，不易于在使用过程中损坏，装置的稳定性强。

请参阅图1，作为本申请提供的基于感应加热式高温硬度测量装置的另一种具体实施方式，基于感应加热式高温硬度测量装置还包括封闭壳体5，以及用于对封闭壳体5抽真空的真空装置，通过抽真空-充入保护气-再抽真空的方式可将封闭壳体5内的真空度抽至6*10^-3pa，有效避免待测物体9在测试过程中被氧化，保证测试的准确性。

请参阅图1，作为本申请提供的基于感应加热式高温硬度测量装置的另一种具体实施方式，移动底座1滑动安装于封闭壳体5的底部；基于感应加热式高温硬度测量装置还包括用于驱动移动底座1相对封闭壳体5滑动的滑动驱动机构。进而带动待测物体9水平运动至不同的位置，硬度计压头3可对待测物体9的多处位置进行测试，对多处的测试数据进行分析，取平均数等方式得到较为准确的测试结果。

请参阅图1，作为本申请提供的基于感应加热式高温硬度测量装置的另一种具体实施方式，移动底座1上设有用于固定待测物体9的样品放置台7，样品放置台7不导电且导热很差，不会被感应加热，在测量过程中对待测样品提供刚性支撑，保证测试结果的准确性。

请参阅图2，作为本申请提供的基于感应加热式高温硬度测量装置的另一种具体实施方式，移动底座1上设有传热套71，传热套71位于感应线圈2内。当待测物体9为陶瓷等非金属材质时，将待测物体插入传热套71，与传热套71内壁紧密接触，进而可将传热套71产生的热量快速传递至待测物体9。传热套71可采用钨、钼等高熔点金属制作。

请参阅图1，作为本申请提供的基于感应加热式高温硬度测量装置的另一种具体实施方式，载荷驱动机构4包括安装于封闭壳体5的内侧壁的支架41、滑动安装于支架41的移动轴42、安装于支架41的步进电机43，以及安装于步进电机43与移动轴42之间且用于带动移动轴42相对支架41滑动的柔性传递组件44；移动轴42的轴线与感应线圈的轴线相互平行或者共线。步进电机43通过柔性传递组件44带动移动轴42的升降，进而带动移动轴42上的硬度计压头3的升降，实现将硬度计压头3压至待测物体9的表面。柔性传递组件44可为丝杠副等组件，以能够带动移动轴42做升降运动为准。可选的，柔性传递组件44也可为柔性绳，步进电机43通过柔性绳带动移动轴42的升降(例如收卷柔性绳即可实现移动轴42的升降)。载荷驱动机构4还包括安装在支架41上的导向套45，导向套45套设于移动轴42的外部，用于控制步进电机43工作的电机控制器46。

柔性传递组件44为柔性绳等柔性件时，载荷驱动机构4将移动轴42及硬度计压头3带动至待测物体9的表面接触后，柔性传递组件44为松弛状态，此时压持在待测物体9表面的重量为移动轴42+砝码盘6+硬度计压头3的重量，维持一段时间后完成在待测物体表面产生压痕，另配光学显微镜观察压痕尺寸，并通过压痕尺寸来计算表面硬度，以完成单次的测量。然后载荷驱动机构4复位，使得硬度计压头3离开待测物体9。然后移动底座1水平移动一定距离后，带动样品放置台7及待测物体9一定相同的距离，进而进行下一次测量(可在相同温度下压多个点，也可通过调节感应加热的功率使样品温度变化后再压点)。

如图3所示，并参阅下表1，通常，实验开始前会在室温(25℃)先压一次，此压痕有两个作用，一是可与常规硬度计的压痕对比，作为校准，二是此压痕比高温时的压痕小，可作为后续观察时的起点标定(比如一次实验压了6个点，第一个是常温，第二和第三个是600℃，第四和第五个是800℃，第六和第七个是1000℃，且实验过程中移动底座1是向右边移动，则通过光学显微镜先找到最小的压痕，即为常温压痕，其余压痕在其左边依次排开)。

请参阅图1，作为本申请提供的基于感应加热式高温硬度测量装置的另一种具体实施方式，移动轴42上设有砝码盘6。砝码盘6上可放置不同重量的砝码，进而改变测试的载荷。且对于不同载荷的测试过程，载荷由砝码确定，可保证测试过程中载荷的相对稳定。

请参阅图1，作为本申请提供的基于感应加热式高温硬度测量装置的另一种具体实施方式，封闭壳体5的至少一表面为透明板，以形成观察窗54，基于感应加热式高温硬度测量装置还包括用于通过透明板对待测物体9测温的红外测温仪8。红外测温仪8可对待测物体9的温度进行测量，当待测物体9到达预设的测试温度时，调整感应线圈2的加热功率，使得待测物体9的温度维持不变，恒温时间在20秒-1200秒的范围内，当硬度计压头3下压接触待测物体时，待测物体温度下降5-10摄氏度，可调整加热功率使温度回升并保持恒温。

请参阅图1，作为本申请提供的基于感应加热式高温硬度测量装置的另一种具体实施方式，基于感应加热式高温硬度测量装置还包括用于对封闭壳体5内填充保护气体的气体通路。气体通路包括设于封闭壳体5上的抽气孔51，以及充气孔52。壳体5上，还设有以供上述电机控制器46与壳体5内的步进电机43电连接的真空电路接头53。

如图3所示，为基于感应加热式高温硬度测量装置对almo0.5nbta0.5tizr难熔高熵合金测试的压痕图片(分别为室温-1200摄氏度状态下的压痕)。表1为其在三种温度下的压痕长度的测量值和计算出的维氏硬度值：

表1

本申请实施例提出了一种基于感应加热式高温硬度测量方法，可通过上述实施例中的基于感应加热式高温硬度测量装置来进行，包括如下步骤：

将待测物体9放置于移动底座1上的样品放置台7，使待测物体位于感应线圈2内；

感应线圈2通电后对待测物体9加热，通过红外测温仪测量物体温度；

载荷驱动机构4带动硬度计压头3移动至待测物体9并在测物体表面加载形成压痕。

在本申请的实施例中，利用感应线圈2在待测物体9(金属件时)上产生感应电流，将其加热相对于传统的辐射或接触式加热方式(电阻丝加热、硅碳棒加热、红外加热)，，感应方式只加热待测物体，不加热测量装置的其他部件，对压头温度影响小，可保证测量的精度。

待测物体9被感应加热后会通过传导的方式向样品放置台7散热，由于样品放置台为导热很差的材质，因此传导散热量很低，样品本身较小，因此辐射散热量也很低，在真空环境中无对流散热，因此样品温度可以很容易地加热到1000摄氏度以上，比如1200摄氏度，而现有的电阻丝加热高温硬度计很难加热到1000摄氏度以上，因此本申请提供的基于感应加热式高温硬度测量装置提升了试验测量温度的上限，可更加有效的应用于相关实验研究，且实验测量温度上限主要由感应电源的功率决定，可根据需求进行选择和更换。

请参阅图，作为本申请提供的基于感应加热式高温硬度测量方法的另一种具体实施方式，在步骤：感应线圈2对待测物体9加热之前，还包括如下步骤：

将封闭壳体5抽真空(例如抽至6×10^-3pa)，有效避免待测物体9在测试过程中被氧化，保证测试的准确性。

请参阅图，作为本申请提供的基于感应加热式高温硬度测量方法的另一种具体实施方式，在步骤：载荷驱动机构4带动硬度计压头3移动至待测物体9并在测物体表面加载形成压痕之前，还包括如下步骤：

利用红外测温仪测量待测物体9的温度，当待测物体9的温度到达预设温度时，将待测物体9保持20秒-1200秒的恒温状态。可利用红外测温仪8对待测物体9的温度进行测量，当待测物体9到达预设的测试温度时，调整感应线圈2的加热功率，使得待测物体9的温度维持不变，恒温时间在20秒-1200秒的范围内，当压头下压接触待测物体时，待测物体温度下降5-10摄氏度，可调整加热功率使温度回升并保持恒温。

可以理解的是，另一种具体实施方式中的方案可为在其他实施例的基础上进一步改进的可实现的实施方案。

显然，本申请的上述实施例仅仅是为了清楚说明本申请所作的举例，而并非是对本申请的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本申请的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本申请权利要求的保护范围之内。