用于金属冲击磨损量预测的硬度测试装置及预测方法

摘要

本发明公开了一种用于金属冲击磨损量预测的硬度测试装置及预测方法，采用布氏硬度计测得待测金属同一位置加工硬化前以及加工硬化后的硬度值；测出待测金属的弹性模量；通过冲击磨损试验机对待测金属进行高速水流携沙颗粒冲击磨损试验，并记录待测金属加工硬化前以及加工硬化后的冲击磨损量；建立预冲击磨损率模型，并结合待测金属的冲击磨损量求出磨损率模型中的未知参数，本发明通过硬化后的数学模型所计算的预测结果更接近实测值，能较好的预测冲击载荷工况下的磨损失重率。尤其对于易发生加工硬化现象的金属材料，该硬化后磨损预测数学模型的预测结果与实际磨损结果相符合，能对实际工况下预测材料的耐磨性提供更准确的指导。

说明书

技术领域

本发明属于冲击磨损预测技术领域，尤其涉及一种用于金属冲击磨损量预测的硬度测试 装置及预测方法。

背景技术

在耐磨性预测方面，一般认为硬度是表征材料耐磨性的重要属性(磨损量∝1/H)，即材料 硬度越高，相对耐磨性越好。大量的证据表明弹性模量也是表征磨损性能的重要指标，特别 是在材料发生不可恢复的塑性变形后，材料的硬度和弹性模量之比在预测耐磨性方面优于硬 度值；材料的弹性模量是物质本身固有属性，是不随外在作用力而变化的。但是大多数金属 材料在受到较大冲击载荷作用后都会发生加工硬化形象，比如文献(董仕节,卢宗津,毛致远. 高速氧氧化铝粒子冲击下的高锰钢的磨损特性.机械工程材料,1997,21(1):18-21.&Yan W, Fang L,Sun K,Xu Y.Effect of surface work hardening onwear behavior of Hadfield steel.Mater. Sci.Eng.2007,A460-461:542-549)中提到高锰钢在受到高速氧化铝粒子冲击和喷丸处理后，表 面硬度值从HV200迅速提升到HV680，文中测试硬化后磨粒磨损试验发现其耐磨性得到了很 大的提高。文献(M.C.Lin,L.S.Chang,H.C.Lin,C.H.Yang,K.M.Lin,A study of high-speed slurry erosion of NiCrBSithermal-sprayed coating[J],Surface&Coating Technology 2006,201:3193-3198) 中提到304不锈钢受到冲击磨损后表面也发生了加工硬化现象，可见，冲击载荷作用下的表面硬度值增加势必会影响材料的耐磨性。在A.Leyland、A.Matthews等人的文章(On thesignificance of the H/E ratio in wear control:a nanocomposite coatingapproach to optimised tribological behavior.Wear 2000,246:1-11&Designcriteria for wear-resistant nanostructured and glassy-metal coatings.Surfaceand Coatings Technology 2004,177–178:317–324.)中提出使用H/E 比值来评估材料的耐磨性比使用硬度评估耐磨性更合理，近年来，J.J.Roa,G.Fargas等人在前 人研究基础上进行更深入的探讨认为：材料耐磨性＝H/E(Dependence of nanoindentation hardnesswith crystallographic orientation of austenite grains in metastable stainlesssteels. Materials Science&Engineering A 2015,645:188-195.)；然而材料在受到冲击载荷作用下的磨损 时，磨损表面硬度值已发生变化，这说明传统的耐磨性预测表达式已不适用于冲击载荷作用 的工况环境下的磨损预测。而且目前国内外对于冲击载荷作用下的耐磨性预测，仍没有系统、 准确的预测方法。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明针对冲击载荷作用下的耐磨性问题，从材料的加工硬 化现象和耐磨性预测传统理论出发，发明了一种新型的提高冲击载荷下材料耐磨性预测准确 性的方法，以解决现有预测方法应用范围狭窄，难以实现更多实际工程应用的弊端。为管道、 挡板及阀门等易受冲击部件的失效分析、优化设计、风险评估及使用寿命预测提供理论支撑。

本发明的上述技术问题主要是通过下述技术方案得以解决的：

一种用于金属冲击磨损量预测的硬度测试装置，包括主轴、转盘、若干压头，压头固定 在转盘上，在主轴的外面套有轴套，转盘设置在轴套的下方。

进一步的，主轴在轴套内的部分设有凸台，轴套的底部向内弯折形成第一弯折部，轴套 的顶部向内弯折形成第二弯折部，在凸台底部和弯折部之间设有套在主轴上的弹簧；在轴套 下方一侧设有侧板，主轴下端穿出轴套与一定位块连接固定，转盘通过转轴设置在定位块的 一侧，定位块的另一侧设有凸起，嵌入在侧板上的滑槽中。

一种金属材料冲击磨损量的预测方法，使用一种包含可进行压头切换的压头部件装置的 布氏硬度计进行硬度试验；所述压头部件装置包括压头固定座和轴套连接的转塔定位装置： 所述压头固定座设置有与压头尺寸相对应的三个压头孔，包括三个压头直径分别为2.5mm、 5mm、10mm。所述压头固定座通过连杆连接主机身；

所述的可切换压头部件的优势在于当需要切换测试参数时，只需要手动旋转转塔，压头 定位装置可自动将压头定位于主轴中心线上，在保证被测试样位置不变的情况下，当切换压 头时，可保证第二次硬度测试是在第一次硬度测试压缩过后的局部硬化区内；这样的设计是 为了利用第一次硬度测试时对材料进行了局部压缩，即对材料进行了加工硬化处理，从而达 到模拟冲击载荷作用后材料发生加工硬化的目的。

选取Q235、高锰钢、30CrMo、1Cr13、304、Al6061、TA2、AlCrFeCoNiCu高熵合金等 材料作为数据采集对象进行模拟加工硬化的硬度测试方法，该方法包括以下步骤

步骤1包括：

步骤1.1)在一种可自由切换多种布氏压头的布氏硬度计上采用压头单位压力为10mm/29400N的压头进行硬度测试试验，测定待测金属材料的初始硬度值H₀，即加工硬化前的硬度值；

步骤1.2)保证测试试样位置不变，通过切换压头选用单位压力为2.5mm/1839N的压头在 步骤1.1所测硬度凹坑中心区域进行第二次硬度试验，测定压缩加工硬化后的硬度值H₁；

步骤1.3)进一步地，利用NanoSuite G200纳米压痕仪测定金属材料的弹性模量值E，

这里采用的弹性模量测试仪为Agilent Technologies公司的NanoSuite G200纳米压痕仪其 加载能力最大为500mN，位移分辨率小于0.01纳米，最大压入深度大于500微米。

通过步骤1.1、1.2所述的硬度测试试验和步骤1.3所述的弹性模量试验，获得H₀/E、H₁/E>

步骤2：通过高速射流式冲击磨损试验机进行高速水流携沙颗粒冲击磨损试验分别测试 Q235、高锰钢、30CrMo、1Cr13、304不锈钢、Al6061、TA2、AlCrFeCoNiCu高熵合金在加工硬化前的冲击磨损量和加工硬化后的冲击磨损量相同条件下的冲击磨损量。

所述高速颗粒冲击磨损试验中的沙，颗粒为SiO₂、Al₂O₃的混合物，颗粒尺寸在0.3～0.8mm>

步骤3：建立预测冲击磨损率的数学模型

其中高速水流携沙颗粒冲击磨损试验获得材料的冲击磨损量：Δm＝m_0－m₁，并计算材料的单位>

步骤4：根据Y∝H/E的理论模型，将步骤2测定的数据代入步骤3建立的模型；使用OriginLab软件的拟合公式：Y＝kX+b对实际测得的磨损率ΔV和H/E进行线性拟合，分别获得当H取值H₀时和H取值H₁时关于Y与H/E关系式所对应的拟合参数k、b。

本发明的有益效果是：硬化后的数学模型所计算的预测结果更接近实测值，能较好的预 测冲击载荷工况下的磨损失重率。尤其对于易发生加工硬化现象的金属材料，该硬化后磨损 预测数学模型的预测结果与实际磨损结果相符合，能对实际工况下预测材料的耐磨性提供更 准确的指导。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，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发明的一 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为本发明一种金属材料冲击磨损量的预测方法的流程图；

图2为本发明中是ΔV与H0/E关系图；

图3为本发明中ΔV与H1/E关系图；

图4位本发明中硬度测试装置的结构示意图；

图5为本发明中硬度的侧视截面图；

图6为本发明中侧板与定位块的俯视截面图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的优选实施例进行详细阐述，以使本发明的优点和特征能更易于 被本领域技术人员理解，从而对本发明的保护范围做出更为清楚明确的界定。

如图1-图6所示，本发明提供了一种用于金属冲击磨损量预测的硬度测试装置，包括主 轴1、转盘2、以及3个压头3，压头3固定在转盘2上，在主轴1的外面套有轴套4，转盘 2设置在轴套4的下方。

主轴1在轴套4内的部分设有凸台5，轴套4的底部向内弯折形成第一弯折部6，轴套4 的顶部向内弯折形成第二弯折部7，在凸台5底部和弯折部之间设有套在主轴1上的弹簧8； 在轴套4下方一侧设有侧板9，主轴1下端穿出轴套4与一定位块10连接固定，转盘2通过转轴设置在定位块10的一侧，转轴13一端插入在定位块10的一侧，另一端插入到转盘2中，转盘2能围绕转轴13转动；定位块的另一侧设有凸起11，嵌入在侧板9上的滑槽12中。

在工作状态下，转盘2的上缘均抵在轴套4的底部(与压头3轴向垂直的转盘边缘均为 直边)，当需要切换压头3的时候，只需要将转盘2向下拉一点，此时即可转动转盘2调切换 压头2，调整完毕后松开转盘，在弹簧8的弹力作用下转盘2的上缘又抵在了轴套4的底部。

本发明一种金属材料冲击磨损量的预测方法，提供了一种材料加工硬化的硬度测试方法， 其通过包括检测加工硬化后硬化值，建立硬化前后的H/E比值和冲击磨损失重对应关系等步 骤在内，为冲击载荷作用工况下的材料磨损预测提供更准确的理论指导。

参见图1，为按照本发明实施的提高耐磨性预测准确性方法的流程图。下面以高锰钢 ZGMn13为例进行详细说明：

采用前述的硬度测试装置，是一种布氏硬度计，采用10mm/29400N的试验力测定高锰钢 的初始硬度值H₀；将2.5mm压头定位于10mm压头压缩后的凹坑中心，采用1839N的试验力进行第二次硬度测试试验，测定压缩过后高锰钢的硬度值H₁。

利用NanoSuite G200纳米压痕仪测定高锰钢的弹性模量值E。

进行数据处理获得高锰钢原始硬度与弹性模量的比值H₀/E和二次压缩的硬度值与弹性>1/E。

将高锰钢进行高速水流携沙颗粒冲击磨损试验，通过高精度(0.1mg)电子称称重获得高 锰钢的冲击磨损量。

通过Y＝Δm/(ρS)；Δm＝m0-m1(表示磨损失重量，ρ表示材料密度，S表示磨损面积)， 计算材料的单位面积的体积冲击磨损率Y

采用以高锰钢为例的方法进行多种材料(Q235、30CrMo、1Cr13、304、Al6061、TA2、AlCrFeCoNiCu高熵合金)冲击磨损率和H/E的数据采集。

根据Y∝H/E的理论模型，使用OriginLab软件的拟合公式：Y＝kX+b对测得的磨损率 Y和H/E(此时当H取值H₁)进行线性拟合，如图2获得关于Y与H₁/E关系式对应的拟合>

将两组数据线性拟合获得的拟合参数分别代入Y＝kX+b获得受冲击载荷工况下的磨损 率的对应的预测数学模型。

硬化后的磨损率预测公式：Y＝2.539×(1000×(H1/E))-1.02

使用该预测数学关系式，在评估受冲击载荷作用工况下材料的耐磨性时，就可直接将材 料加工硬化后的硬度值与弹性模量的比值代入数学关系式求取其预测磨损率，在此就不再赘 述。

由于本发明中充分考虑了受载荷冲击工况下材料发生加工硬化后会影响材料耐磨性，更 真实的接近冲击载荷工况下的磨损行为，从而能提高预测冲击载荷工况下材料磨损率的准确 性。

从获得的试验数据和数学模型计算的预测结果(如表1)来看，硬化后的数学模型所计 算的预测结果更接近实测值，能较好的预测冲击载荷工况下的磨损失重率。特别针对于高锰 钢、合金不锈钢等易发生加工硬化现象的金属材料，该硬化后磨损预测数学模型的预测结果 与实际磨损结果相符合，能对实际工况下预测材料的耐磨性提供更准确的指导。

表1实际磨损率与预测磨损率的数据对比

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何不经 过创造性劳动想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护 范围应该以权利要求书所限定的保护范围为准。