一种金属材料微冲剪试验和布氏硬度测量组合装置

1.本发明涉及试验装置，尤其是一种金属材料微冲剪试验和布氏硬度组合测量装置。


背景技术：

2.目前金属材料强度方面的力学性能表征主要有屈服强度和抗拉强度两个指标，测试这两个指标通常采用单向静载拉伸试验来完成，该试验需要制作标准拉伸试样，试样的常见有板材型和圆棒型两种试样，总长度约200mm，试样尺寸较大，测试结果是试样在拉伸过程中的平均力学性能，所以不能测试材料局部力学性能和材料力学性能不均匀的试样（例如焊缝区域力学性能）以及尺寸较小的试样的局部力学性能的测试需求。
3.目前测量局部力学性能的方法主要有微剪切试验法、微拉伸试验法和小冲杆试验法等测试方法，但是每种试验方法都有一定的局限性。
4.微剪切试验法该方法是在一块较小的材料上（1.5mm*1.5mm*50mm的方形截面长条形试样），采用逐点剪切的方法测试各试验点的力学性能指标。该方法测试精度严重依赖试样的加工精度和测试设备，测试误差很大，而且还不能测试材料的拉伸性能。
5.微拉伸试验法微拉伸试验方法是在带测试材料上截取一小块试样（通常试样厚度小于1mm），然后通过拉伸试验的方法获得材料的力学性能，测定应力应变之间的关系，但是这种试验方法目前试验的试样形式和试验设备并不统一，试样的制作对试验结果影响很大，在实际中应用并不是很理想。
6.小冲杆试验法该方法是一种利用较小直径的钢珠或者冲杆冲头对微型薄片试样中心施加向下的载荷,试样的变形随载荷的增大逐渐增大，直至破裂。记录试样薄片从变形到失效整个过程中的加载载荷和位移数据，生成的载荷位移曲线。但是该试验方法得到的载荷和位移数据本质上是一种综合的力学性能，包含有拉伸和剪切等多种力学性能所产生的结果，对单一力学性能指标的评价并不准确。


技术实现要素：

7.本发明所要解决的技术问题是提供一种金属材料微冲剪试验和布氏硬度组合测量装置,本发明采用极小间隙和凸台压边的方式，通过该工装模具对试样进行夹持，保证试样在试验过程中完全固定，不会产生刚性位移和弹性滑移，最大程度避免产生拉伸力和弯曲力的成分，使剪切力更纯粹、单一，使测试结果更精确，达到分析测试材料局部位置在受冲剪切作用的载荷-位移数据，获得材料的强度和塑性指标；并且能同时实现布氏硬度测试的功能。
8.为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：一种金属材料微冲剪试验和布氏硬度组合测量装置，包括试验机，试验机的基座上安装有工装模具，工装模具对试样进行夹持；试验机的输出端安装有负荷传感器，负荷传感器通过可拆卸连接件与冲头连接，冲头与工装模具上的冲孔正对；所述工装模具与冲头
上或试验机的基座与试验机的输出端上安装有位置测量器；所述工装模具包括下凸台，下凸台与凹模定位套内孔配合，凹模置于凹模定位套中并通过凹模定位套定位；外套内孔与凹模定位套外圆周配合；上凸台与外套内孔配合并通过螺钉与外套、下凸台可拆卸固定。
9.所述试验机的基座上设有漏料孔，漏料孔上方同轴线设有定位套，定位套对下凸台进行定位。
10.所述外套上设有弹簧安装孔，弹簧置于弹簧安装孔内且部分伸出。
11.所述可拆卸连接件包括连接套，连接套将冲头的凸台与球面顶杆相连接，球面顶杆上端与负荷传感器连接。
12.所述冲头为微冲剪凸模或布氏硬度压头。
13.本发明一种金属材料微冲剪试验和布氏硬度组合测量装置，具有以下技术效果：1）、将硬度测试与冲剪测试进行一体化设计，这样使得试验条件保持一致，使得测试结果具有可比性，减少因设备不一致引起的误差。
14.2）、工装模具采用嵌套定位安装固定，定位准，且冲头和凹模在保证刚度的前提下，可快速拆卸，以便于根据需要更换冲头和凹模，提供效率。
15.3）、由于原来的装置存在拉伸和弯曲力的成分，本装置采用极小间隙和凸台压边的方式，通过该工装模具对试样进行夹持，保证试样在试验过程中完全固定，不会产生刚性位移和弹性滑移，最大程度避免产生拉伸力和弯曲力的成分，使剪切力更纯粹、单一，使测试结果更精确。
16.4）、由于传统lvdt位移传感器会因为摩擦的原因，而导致精度下降，因此本装置可采用lvdt位移传感器作为初位移测量，采用激光位移传感器作为精位移测量，使测量精度达到2微米以内。由于激光位移传感器测试的时候是非接触式测量，没有摩擦，保证精度。
17.5）、相对于单向静载拉伸试验而言，本发明将采用测试局部剪切力学性能来评价尺寸较小试样的力学性能，能较好的解决传统拉伸试样不宜评价小试样材料的力学性能的问题；相对于微剪切试验法，本发明采用高碳合金钢或者硬质合金作为试样装置工作部分的材料，采用高精度的加工技术手段来保证加工精度和试样过程中装置的稳定性，采用高精度的压力传感器和位移传感器保证测试结果的准确性，解决测试误差大的问题；对于现有的小冲杆试验法，本发明采用极小间隙和凸台压边的方式，通过该工装模具对试样进行夹持，保证试样在试验过程中完全固定，不会产生刚性位移和弹性滑移，最大程度避免产生拉伸力和弯曲力的成分，使剪切力更纯粹、单一，使测试结果更精确。
附图说明
18.下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明：图1为本发明的示意图。
19.图2为图1的局部示意图。
20.图3为本发明中工装模具的俯视图。
21.图4为图3中a处的俯视图。
22.图5为本发明中工装模具的俯视图。
23.图6为图5中b处的俯视图。
24.图中：试验机1，工装模具2，试样3，负荷传感器4，可拆卸连接件5，冲头6，漏料孔7，定位套8，下凸台2.1，外套2.2，弹簧2.3，上凸台2.4，螺钉2.5，凹模2.6，凹模定位套2.7，连接套5.1，球面顶杆5.2。
具体实施方式
25.如图1～2所示，一种金属材料微冲剪试验和布氏硬度组合测量装置，包括试验机1，试验机1上安装有工装模具2，工装模具2用于对试样3进行夹持。在试验机1的移动横梁上通过可拆卸连接件5与冲头6连接，冲头6与工装模具2上的冲孔正对。在试验机1的移动横梁下移过程中，冲头6也下移并完成试验。
26.为了准确获得试验所需数据，在移动横梁与可拆卸连接件5之间设置负荷传感器4，负荷传感器4用于获得载荷数据。在试验机1的移动横梁上、试验机1下端工作台上安装有位置测量器9，位置测量器9在此用于获得位移数据。或者，也可将位置测量器9安装在工装模具2与冲头6之间进行测量，这样数据更精确。
27.如图3～6所示，工装模具2包括下凸台2.1，下凸台2.1下端与试验机1的基座固定连接，下凸台2.1中心带孔且上部设有圆柱凸起，下凸台2.1的圆柱凸起与凹模定位套2.7内孔配合。凹模2.6安装进入凹模定位套2.7内孔中且外壁受凹模定位套2.7定位，凹模2.6底端受下凸台2.1支撑。凹模2.6中心设有微冲剪孔。外套2.2内孔与凹模定位套2.7外壁配合。
28.上凸台2.4与外套2.2的内孔定位，四个螺钉2.5穿过上凸台2.4上的四个通孔，然后穿过外套2.2、凸台2.1上的螺纹孔将试样3压紧在上凸台2.4、凹模2.6之间。另外，在外套2.2合适位置钻有弹簧安装孔，弹簧2.3置于弹簧安装孔内且部分伸出。当旋出4个螺钉2.5时，在两侧弹簧2.3的作用下，上凸台2.4沿轴向向上抬起，试样3即可前后移动。
29.这里的下凸台2.1、外套2.2、凹模2.6、凹模定位套2.7等各零件之间安装形式均采用小间隙配合。且整个工装模具2基本采用嵌套式定位安装，相对于传统模具采用的销钉或挡块定位模式而言，定位更准，结构更小巧。
30.如图2所示，试验机1的基座中心钻有沉头式的漏料孔7，在漏料孔7内设有定位套8，工装模具2对应设有与漏料孔7类似的沉头孔，工装模具2下端通过定位套8定位，工装模具2边缘通过螺栓固定在试验机1的基座上。由此保证安装位置统一。
31.如图2所示，所述可拆卸连接件5包括连接套5.1，连接套5.1将冲头6的凸台与球面顶杆5.2相连接，球面顶杆5.2上端与负荷传感器4连接。通过将冲头6设置成与球面顶杆5.2可拆卸结构，这样方便更换冲头6。
32.进一步地，所述冲头6为微冲剪凸模或布氏硬度压头。由此可实现在同一台设备上实现两种加载模式，好处是在同一台设备上测试两种力学特性，避免了由于不同设备差异导致的误差，从而避免造成测试结果不可对比的情况。
33.进一步地，冲头6将做成直径φ5mm的圆形，或者边长为4-5mm的正方形，边长20mm以内的矩形，或者其它形式的多边形（总边长不超过20mm）。
34.进一步地，为了保证冲剪性能，要求冲头6和凹模2.6的倒角初步定为不大于0.1mm；冲头6和凹模2.6之间单边间隙不大于0.1mm。
35.上述装置中，冲剪试样：片状，宽度最大不超过100mm（一般宽度约50mm），厚度最大不超过1.2mm（一般厚度0.5mm-1.0mm），长度方向不受限制；布氏硬度试样：厚度不小于3mm，
宽度和冲剪试样一样，长度方向不超过100mm。
36.上述装置中，载荷要求：承受载荷不小于500kgf；建议精确标程500 kgf，最大标程750 kgf；加载方式要求可实现按位移加载和按需求力的方式加载，并实现保压时间可调。
37.上述装置中，测试精度：试验机精度0.5级，需外置位移传感器（最好采用激光式位移传感器，考虑经济条件，初步可采用机械式位移传感器）和载荷传感器，根据测试的需要，可加装引伸计（主要考虑拉伸试验需要）。优选地，负荷传感器4采用轮辐式载荷传感器psd-sjth-500kg；也可采用jhbm-7-300型载荷传感器。位置测量器9采用激光传感器lod2-30w04，分辨率2微米，重复精度6微米；也可采用lvdt位移传感器 ydc-20d。
38.工作过程及原理：1）、首先制备试样：要求试样3厚度要均匀，厚度误差控制在
±
0.05mm以内，表面光洁，表面粗糙度不大于ra1.6μm,制作微冲剪的试样3最大厚度不宜超过1.2mm,布氏硬度试样的最小厚度不低于3.0mm。
39.2）、试验操作过程：将试样3需测试位置进行标记，然后将试样3置于工装模具2上放置试样的位置，接着将冲头6对准需测试位置，再启动试验机。进行微冲剪试验的时候只需将冲头6采用微冲剪凸模，采用微冲剪模式进行加载，进行布氏硬度试验的时候，将冲头6更换成为布氏硬度压头，采用布氏硬度加载模式进行加载即可。
40.将测量的位置数据和载荷数据通过数据采集卡收集之后再进行处理即可进行微冲剪试验数据处理。材料的拉伸性能数据可以根据材料力学的理论将剪切性能数据计算得到，达到了采用小试样测试材料拉伸力学性能的目的。将布氏硬度的测试结果进行测量，通过布氏硬度的计算公式处理即可。