本發(fā)明屬于沖擊磨損預測
技術領域：
：，尤其涉及一種用于金屬沖擊磨損量預測的硬度測試裝置及預測方法。
背景技術：
：：在耐磨性預測方面，一般認為硬度是表征材料耐磨性的重要屬性(磨損量∝1/h)，即材料硬度越高，相對耐磨性越好。大量的證據(jù)表明彈性模量也是表征磨損性能的重要指標，特別是在材料發(fā)生不可恢復的塑性變形后，材料的硬度和彈性模量之比在預測耐磨性方面優(yōu)于硬度值；材料的彈性模量是物質(zhì)本身固有屬性，是不隨外在作用力而變化的。但是大多數(shù)金屬材料在受到較大沖擊載荷作用后都會發(fā)生加工硬化形象，比如文獻(董仕節(jié),盧宗津,毛致遠.高速氧氧化鋁粒子沖擊下的高錳鋼的磨損特性.機械工程材料,1997,21(1):18-21.&yanw,fangl,sunk,xuy.effectofsurfaceworkhardeningonwearbehaviorofhadfieldsteel.mater.sci.eng.2007,a460-461:542-549)中提到高錳鋼在受到高速氧化鋁粒子沖擊和噴丸處理后，表面硬度值從hv200迅速提升到hv680，文中測試硬化后磨粒磨損試驗發(fā)現(xiàn)其耐磨性得到了很大的提高。文獻(m.c.lin,l.s.chang,h.c.lin,c.h.yang,k.m.lin,astudyofhigh-speedslurryerosionofnicrbsithermal-sprayedcoating[j],surface&coatingtechnology2006,201:3193-3198)中提到304不銹鋼受到?jīng)_擊磨損后表面也發(fā)生了加工硬化現(xiàn)象，可見，沖擊載荷作用下的表面硬度值增加勢必會影響材料的耐磨性。在a.leyland、a.matthews等人的文章(onthesignificanceoftheh/eratioinwearcontrol:ananocompositecoatingapproachtooptimisedtribologicalbehavior.wear2000,246:1-11&designcriteriaforwear-resistantnanostructuredandglassy-metalcoatings.surfaceandcoatingstechnology2004,177–178:317–324.)中提出使用h/e比值來評估材料的耐磨性比使用硬度評估耐磨性更合理，近年來，j.j.roa,g.fargas等人在前人研究基礎上進行更深入的探討認為：材料耐磨性＝h/e(dependenceofnanoindentationhardnesswithcrystallographicorientationofaustenitegrainsinmetastablestainlesssteels.materialsscience&engineeringa2015,645:188-195.)；然而材料在受到?jīng)_擊載荷作用下的磨損時，磨損表面硬度值已發(fā)生變化，這說明傳統(tǒng)的耐磨性預測表達式已不適用于沖擊載荷作用的工況環(huán)境下的磨損預測。而且目前國內(nèi)外對于沖擊載荷作用下的耐磨性預測，仍沒有系統(tǒng)、準確的預測方法。技術實現(xiàn)要素：針對現(xiàn)有技術存在的問題，本發(fā)明針對沖擊載荷作用下的耐磨性問題，從材料的加工硬化現(xiàn)象和耐磨性預測傳統(tǒng)理論出發(fā)，發(fā)明了一種新型的提高沖擊載荷下材料耐磨性預測準確性的方法，以解決現(xiàn)有預測方法應用范圍狹窄，難以實現(xiàn)更多實際工程應用的弊端。為管道、擋板及閥門等易受沖擊部件的失效分析、優(yōu)化設計、風險評估及使用壽命預測提供理論支撐。本發(fā)明的上述技術問題主要是通過下述技術方案得以解決的：一種用于金屬沖擊磨損量預測的硬度測試裝置，包括主軸、轉(zhuǎn)盤、若干壓頭，壓頭固定在轉(zhuǎn)盤上，在主軸的外面套有軸套，轉(zhuǎn)盤設置在軸套的下方。進一步的，主軸在軸套內(nèi)的部分設有凸臺，軸套的底部向內(nèi)彎折形成第一彎折部，軸套的頂部向內(nèi)彎折形成第二彎折部，在凸臺底部和彎折部之間設有套在主軸上的彈簧；在軸套下方一側設有側板，主軸下端穿出軸套與一定位塊連接固定，轉(zhuǎn)盤通過轉(zhuǎn)軸設置在定位塊的一側，定位塊的另一側設有凸起，嵌入在側板上的滑槽中。一種金屬材料沖擊磨損量的預測方法，使用一種包含可進行壓頭切換的壓頭部件裝置的布氏硬度計進行硬度試驗；所述壓頭部件裝置包括壓頭固定座和軸套連接的轉(zhuǎn)塔定位裝置：所述壓頭固定座設置有與壓頭尺寸相對應的三個壓頭孔，包括三個壓頭直徑分別為2.5mm、5mm、10mm。所述壓頭固定座通過連桿連接主機身；所述的可切換壓頭部件的優(yōu)勢在于當需要切換測試參數(shù)時，只需要手動旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)塔，壓頭定位裝置可自動將壓頭定位于主軸中心線上，在保證被測試樣位置不變的情況下，當切換壓頭時，可保證第二次硬度測試是在第一次硬度測試壓縮過后的局部硬化區(qū)內(nèi)；這樣的設計是為了利用第一次硬度測試時對材料進行了局部壓縮，即對材料進行了加工硬化處理，從而達到模擬沖擊載荷作用后材料發(fā)生加工硬化的目的。選取q235、高錳鋼、30crmo、1cr13、304、al6061、ta2、alcrfeconicu高熵合金等材料作為數(shù)據(jù)采集對象進行模擬加工硬化的硬度測試方法，該方法包括以下步驟步驟1包括：步驟1.1)在一種可自由切換多種布氏壓頭的布氏硬度計上采用壓頭單位壓力為10mm/29400n的壓頭進行硬度測試試驗，測定待測金屬材料的初始硬度值h0，即加工硬化前的硬度值；步驟1.2)保證測試試樣位置不變，通過切換壓頭選用單位壓力為2.5mm/1839n的壓頭在步驟1.1所測硬度凹坑中心區(qū)域進行第二次硬度試驗，測定壓縮加工硬化后的硬度值h1；步驟1.3)進一步地，利用nanosuiteg200納米壓痕儀測定金屬材料的彈性模量值e，這里采用的彈性模量測試儀為agilenttechnologies公司的nanosuiteg200納米壓痕儀其加載能力最大為500mn，位移分辨率小于0.01納米，最大壓入深度大于500微米。通過步驟1.1、1.2所述的硬度測試試驗和步驟1.3所述的彈性模量試驗，獲得h0/e、h1/e的數(shù)據(jù)；步驟2：通過高速射流式?jīng)_擊磨損試驗機進行高速水流攜沙顆粒沖擊磨損試驗分別測試q235、高錳鋼、30crmo、1cr13、304不銹鋼、al6061、ta2、alcrfeconicu高熵合金在加工硬化前的沖擊磨損量和加工硬化后的沖擊磨損量相同條件下的沖擊磨損量。所述高速顆粒沖擊磨損試驗中的沙，顆粒為sio2、al2o3的混合物，顆粒尺寸在0.3～0.8mm之間。所述沖擊磨損試驗的試驗條件關鍵參數(shù)為：含沙總量為9kg、沖擊速率約為10m/s、沖擊角度為90°。步驟3：建立預測沖擊磨損率的數(shù)學模型其中高速水流攜沙顆粒沖擊磨損試驗獲得材料的沖擊磨損量：δm＝m0－m1，并計算材料的單位面積的體積沖擊磨損率y即：y＝δm/(ρs)；(ρ表示材料密度，s表示磨損面積)。步驟4：根據(jù)y∝h/e的理論模型，將步驟2測定的數(shù)據(jù)代入步驟3建立的模型；使用originlab軟件的擬合公式：y＝kx+b對實際測得的磨損率δv和h/e進行線性擬合，分別獲得當h取值h0時和h取值h1時關于y與h/e關系式所對應的擬合參數(shù)k、b。本發(fā)明的有益效果是：硬化后的數(shù)學模型所計算的預測結果更接近實測值，能較好的預測沖擊載荷工況下的磨損失重率。尤其對于易發(fā)生加工硬化現(xiàn)象的金屬材料，該硬化后磨損預測數(shù)學模型的預測結果與實際磨損結果相符合，能對實際工況下預測材料的耐磨性提供更準確的指導。附圖說明為了更清楚地說明本發(fā)明實施例或現(xiàn)有技術中的技術方案，下面將對實施例或現(xiàn)有技術描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本發(fā)明的一些實施例，對于本領域普通技術人員來講，在不付出創(chuàng)造性勞動的前提下，還可以根據(jù)這些附圖獲得其他的附圖。圖1為本發(fā)明一種金屬材料沖擊磨損量的預測方法的流程圖；圖2為本發(fā)明中是δv與h0/e關系圖；圖3為本發(fā)明中δv與h1/e關系圖；圖4位本發(fā)明中硬度測試裝置的結構示意圖；圖5為本發(fā)明中硬度的側視截面圖；圖6為本發(fā)明中側板與定位塊的俯視截面圖。具體實施方式下面結合附圖對本發(fā)明的優(yōu)選實施例進行詳細闡述，以使本發(fā)明的優(yōu)點和特征能更易于被本領域技術人員理解，從而對本發(fā)明的保護范圍做出更為清楚明確的界定。如圖1-圖6所示，本發(fā)明提供了一種用于金屬沖擊磨損量預測的硬度測試裝置，包括主軸1、轉(zhuǎn)盤2、以及3個壓頭3，壓頭3固定在轉(zhuǎn)盤2上，在主軸1的外面套有軸套4，轉(zhuǎn)盤2設置在軸套4的下方。主軸1在軸套4內(nèi)的部分設有凸臺5，軸套4的底部向內(nèi)彎折形成第一彎折部6，軸套4的頂部向內(nèi)彎折形成第二彎折部7，在凸臺5底部和彎折部之間設有套在主軸1上的彈簧8；在軸套4下方一側設有側板9，主軸1下端穿出軸套4與一定位塊10連接固定，轉(zhuǎn)盤2通過轉(zhuǎn)軸設置在定位塊10的一側，轉(zhuǎn)軸13一端插入在定位塊10的一側，另一端插入到轉(zhuǎn)盤2中，轉(zhuǎn)盤2能圍繞轉(zhuǎn)軸13轉(zhuǎn)動；定位塊的另一側設有凸起11，嵌入在側板9上的滑槽12中。在工作狀態(tài)下，轉(zhuǎn)盤2的上緣均抵在軸套4的底部(與壓頭3軸向垂直的轉(zhuǎn)盤邊緣均為直邊)，當需要切換壓頭3的時候，只需要將轉(zhuǎn)盤2向下拉一點，此時即可轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)盤2調(diào)切換壓頭2，調(diào)整完畢后松開轉(zhuǎn)盤，在彈簧8的彈力作用下轉(zhuǎn)盤2的上緣又抵在了軸套4的底部。本發(fā)明一種金屬材料沖擊磨損量的預測方法，提供了一種材料加工硬化的硬度測試方法，其通過包括檢測加工硬化后硬化值，建立硬化前后的h/e比值和沖擊磨損失重對應關系等步驟在內(nèi)，為沖擊載荷作用工況下的材料磨損預測提供更準確的理論指導。參見圖1，為按照本發(fā)明實施的提高耐磨性預測準確性方法的流程圖。下面以高錳鋼zgmn13為例進行詳細說明：采用前述的硬度測試裝置，是一種布氏硬度計，采用10mm/29400n的試驗力測定高錳鋼的初始硬度值h0；將2.5mm壓頭定位于10mm壓頭壓縮后的凹坑中心，采用1839n的試驗力進行第二次硬度測試試驗，測定壓縮過后高錳鋼的硬度值h1。利用nanosuiteg200納米壓痕儀測定高錳鋼的彈性模量值e。進行數(shù)據(jù)處理獲得高錳鋼原始硬度與彈性模量的比值h0/e和二次壓縮的硬度值與彈性模量的比值h1/e。將高錳鋼進行高速水流攜沙顆粒沖擊磨損試驗，通過高精度(0.1mg)電子稱稱重獲得高錳鋼的沖擊磨損量。通過y＝δm/(ρs)；δm＝m0-m1(表示磨損失重量，ρ表示材料密度，s表示磨損面積)，計算材料的單位面積的體積沖擊磨損率y采用以高錳鋼為例的方法進行多種材料(q235、30crmo、1cr13、304、al6061、ta2、alcrfeconicu高熵合金)沖擊磨損率和h/e的數(shù)據(jù)采集。根據(jù)y∝h/e的理論模型，使用originlab軟件的擬合公式：y＝kx+b對測得的磨損率y和h/e(此時當h取值h1)進行線性擬合，如圖2獲得關于y與h1/e關系式對應的擬合參數(shù)k、b。將兩組數(shù)據(jù)線性擬合獲得的擬合參數(shù)分別代入y＝kx+b獲得受沖擊載荷工況下的磨損率的對應的預測數(shù)學模型。硬化后的磨損率預測公式：y＝2.539×(1000×(h1/e))-1.02使用該預測數(shù)學關系式，在評估受沖擊載荷作用工況下材料的耐磨性時，就可直接將材料加工硬化后的硬度值與彈性模量的比值代入數(shù)學關系式求取其預測磨損率，在此就不再贅述。由于本發(fā)明中充分考慮了受載荷沖擊工況下材料發(fā)生加工硬化后會影響材料耐磨性，更真實的接近沖擊載荷工況下的磨損行為，從而能提高預測沖擊載荷工況下材料磨損率的準確性。從獲得的試驗數(shù)據(jù)和數(shù)學模型計算的預測結果(如表1)來看，硬化后的數(shù)學模型所計算的預測結果更接近實測值，能較好的預測沖擊載荷工況下的磨損失重率。特別針對于高錳鋼、合金不銹鋼等易發(fā)生加工硬化現(xiàn)象的金屬材料，該硬化后磨損預測數(shù)學模型的預測結果與實際磨損結果相符合，能對實際工況下預測材料的耐磨性提供更準確的指導。表1實際磨損率與預測磨損率的數(shù)據(jù)對比以上所述，僅為本發(fā)明的具體實施方式，但本發(fā)明的保護范圍并不局限于此，任何不經(jīng)過創(chuàng)造性勞動想到的變化或替換，都應涵蓋在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。因此，本發(fā)明的保護范圍應該以權利要求書所限定的保護范圍為準。當前第1頁12當前第1頁12