[發明專利]基于激光沖擊效應的材料動態硬度測試裝置及方法

無效

• 申請號: 201210351919.6
• 申請日: 2012-09-19
• 公開（公告）號: CN102901679A
• 公開（公告）日: 2013-01-30
• 發明（設計）人: 姚振強;李康妹;胡永祥
• 申請（專利權）人: 上海交通大學
• 主分類號: G01N3/40
• 分類號: G01N3/40
• 代理公司: 上海漢聲知識產權代理有限公司 31236
• 代理人: 郭國中

技術領域

本發明涉及材料硬度測試領域，具體地，涉及一種基于激光沖擊效應的材料動態硬度測試裝置及方法。

背景技術

硬度是衡量金屬材料軟硬程度的一項重要性能指標，體現了材料局部抵抗殘余變形的能力。硬度不是一個簡單的物理概念，而是材料彈性、塑性、強度和韌性等力學性能的綜合指標。硬度測試目前分為靜態硬度測試與動態硬度測試兩類方法。其中靜態硬度測試法主要包括布氏硬度、洛氏硬度、維氏硬度等測試方法，它們的測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金屬表面，保持一段時間后卸載，此時測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材料的硬度值。靜態硬度反映了材料在準靜態過程中的力學性能，但研究表明，多數材料的塑性變形行為具有應變率相關性，在高應變率時，多數材料的力學性能會有不同程度的提高，因此有必要研究材料的動態硬度測試方法。動態硬度測試法目前主要包括肖氏硬度和里氏硬度兩種測量方法，它們是利用一定形狀的沖擊體沖擊被測試樣表面，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，也有學者將沖擊體的動能與被測試樣上壓痕體積的比值作為動態硬度，采用該方法表征動態硬度的優點是，對于不同形狀的沖擊體，測得的動態硬度保持一致。動態硬度反映的是材料在較高應變率下的力學性能，但由于沖擊體所能達到的入射速度有限，以上兩種動態硬度測試方法所涉及的材料應變率范圍均低于10⁴s^-1。隨著人們對高速碰撞、高速沖擊等超高應變率現象的深入關注，急需研究材料在超高應變率條件下的力學行為，因而有必要發明一種在超高應變率條件下材料動態硬度的測試裝置及方法。

發明內容

針對現有技術中的缺陷，本發明的目的是借助激光沖擊的高應變率（>10⁶s^-1）特性，提供一種在高應變率條件下材料動態硬度的測試裝置及相應的測試方法。

根據本發明的一個方面，提供一種基于激光沖擊效應的材料動態硬度測試裝置，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、數控平臺、出水管、進水管。激光器和數控平臺設置在隔振平臺上，容器設置在數控平臺上與數控平臺連接，夾具設置在容器底部，用以固定被測試樣。吸收層覆蓋在被測試樣表面，用以隔絕激光的熱效應并吸收激光能量，形成GPa量級的沖擊壓力。進水管穿設于容器側壁，用以通入流動水，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沖擊壓力作用時間。出水管設置在容器下方，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試樣上。透鏡設置在第三反射鏡和容器之間，用以調節激光束入射到被測試樣上的激光光斑大小。

優選地，激光器輸出的激光束為高功率短脈沖激光束。

優選地，吸收層為黑色的聚四氟乙烯絕緣膠帶。

優選地，約束層為一層流動水膜。

根據本發明的另一個方面，提供一種基于激光沖擊效應的材料動態硬度測試方法，包括以下步驟：

步驟一，開啟并預熱激光器，測量激光的平均功率并計算激光單脈沖能量E；

步驟二，在被測試樣表面覆蓋一層吸收層，通過夾具將被測試樣固定于特制容器中；

步驟三，操作數控平臺，使激光束對準試樣待測試的位置；

步驟四，打開進水管，在被測試樣表面通入流動水膜，在吸收層上方形成約束層；

步驟五，使激光束入射至被測試樣表面，在被測試樣表面沖擊出一個微小凹坑；

步驟六，測量微小凹坑的體積V，通過計算激光單脈沖能量E與微坑體積V的比值得到被測材料的動態硬度H_d，即H_d＝E/V。

優選地，步驟一中采用以下公式計算激光脈沖能量：

E=P‾/f,]]>

其中，f為激光脈沖的重復頻率。

優選地，步驟四和步驟五之間還包括：上下移動透鏡，調節入射到被測試樣上的激光光斑至合適大小。