无损伤测定物质弹性的方法及装置制造方法及图纸

到目前为止，检测材料的弹性参数的各种方法大都是在样品上，而不是在实际工件上进行的。本发明专利技术能够直接在工件上无损伤地测定工件材料的弹性。为了无损伤地测定工件（１）的弹性（见图６），用加载装置（７）把透明材料制成的压头（２）压向工件（１）。压头的两主曲面的主曲率半径已知。由于弹性变形在工件（１）和压头（２）之间会出现一个接触面（３）。光学系统（４）和（６）经透明的压头照射在接触面上。在加载的同时通过一测长装置（５）对接触面的大小进行测定，通过力传感器（８）测定法向力，然后，根据赫兹公式，利用法向力、接触面尺寸和主曲率半径求出材料的弹性值。本发明专利技术尤其适用于无损伤地测定材料的弹性，特别是在科研和质量监控中对实际工件进行测定。（*该技术在2018年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】
本项专利技术涉及一种无损伤测定物质弹性，尤其塑料制品的弹性的新方法以及相应的测量装置。其特征在于有一个由透明材料制成的压头，它的两个主曲面的主曲率半径为已知，用一定的法向力将压头压在待测工件上，在压头和工件之间会产生一个接触面。在法向力作用及测量法向力的同时，测出该接触面的大小。这样，材料的弹性参数就可以根据赫兹公式由已知的法向力，接触面积和主曲率半径计算出来。到目前为止，材料的弹性参数大多是通过对试样进行拉伸试验测定的。由于材料的参数可随诸如温度、加载速度等因素的影响而变化，因而工件的实际参数与从样品上所测到的数值相比，会有或多或少的偏差。在测定金属工件的硬度时，比如在布氏或维氏方法中，尽管材料参数“硬度”可以可以直接在工件上测得，但此材料参数实际上由压痕槽的塑性变形导出。按德国工业标准DIN53505用肖氏方法，以及用球压法按DIN53519和DIN53456测定塑料的硬度时，虽然压入深度在法向力作用的同时得到测定，但在这些方法中，样品相对较薄，材料变形相对较大，塑性变形不可避免。这样在计算硬度时，就不可能找到一个能准确提供变形和作用力之间关系的弹性理论作为理论基础，此外，由于台架的变形等影响因素，尽管有预加负荷的定义，压入深度的测量也不准确。综上所述，利用上述硬度测量方法尽管也可以直接在工件上测定硬度，布氏硬度测试甚至也可以部分地保证无损伤的操作，但是它们所测算出来的硬度值只适用于各自定义的标准条件下的测试压力和压头，不可以直接应用于弹性理论之中。尽管这种硬度值可以换算成弹性模量，但这样换算的结果很不精确。本项专利技术的目的是开发一种新的方法和相应的装置，使之能够直接在工件上无损伤地测量该工件的弹性或材料的弹性参数。为了实现这一目标，我们引入一个材料弹性方面的中间参数“接触模量”，它由下式定义Ek1=E11-ν12.--(1)]]>其中，E1为弹性模量，ν1为材料的横缩系数。附图说明图1和图2形象地展示了用本专利技术无损伤地测量材料弹性模量的原理。它有一个由特殊透明材料制成的、一般呈透镜状的物体，也就是压头2，它的主曲率半径为已知，该压头在一定法向压力FZ作用下压向待测工件1。由于弹性变形，在压头2和工件1之间就会形成一个接触面3。该接触面由一光源4所发出的一束光所照射，接触面的大小将由一个主要基于光学或光电原理制成的长度测量装置5来测定。为了能够准确施加法向力，可将工件(见图2)或者压头(见图3-5)安装在一导向装置11上并且用加载装置7来施压或调节，所施的法向压力将由一个压力传感器8测定。要使压力能得到良好的传递，可将工件固定在载物台上，将压头固定在压头筒10上。为了对压力进行微调或较长时间保持压力不变，可在加载装置中串联一个弹性元件，比如说，这可以由一个机械弹簧12或一个液压缓冲装置来实现。值得注意的是，当压头表面呈凸形时，而工件的待测面为鼓形时，它们之间的接触面就呈椭圆形(图1a)；当工件的待测面为平面(图1b)或球形时，接触面就是圆形。接触配对的接触模量Ek就可以按照赫兹公式由接触面的长短轴a和b、接触配对的等效半径Re以及所施加的法向力FZ计算出来 这里s*和l*为赫兹系数，它们由两相互接触的物体的主曲率半径RX1、RY1、RX2、RY2所确定，可在Eschmann，P.；Hasbargen，L.；Weigand，K.1978年所著的“Die Wlzlagerpraxis”-《滚动轴承实验》一书中由函数式cosτ=|1Rx1-1Ry1+1Rx2-1Ry2|/(1Rx1+1Ry1+1Rx2+1Ry2)--(3)]]>在表格中查出。这里的下标1指工件，2指压头；下标x和y指的是个主曲方向；等效半径Re由相互接触物体的主曲半径按下式算出1Re=1Rx1+1Ry1+1Rx2+1Ry2--(4)]]>如果压头表面为圆柱形，而待测面为一平面或圆柱形时，接触区3为矩形(图1c)。接触模量可以从接触区的边长B和a按下式求出Ek=8FzReπBa2-----(5)]]>如果工件压头的材料不同，则有下列通式 如果接触配对的接触模量EK已按此法求出，而压头的弹性模量EZ和横向收缩系数νZ为已知，那么就可以按下列求出工件1的接触模量EK1Ek=-1---(7)]]>当工件的横向收缩系数ν1为已知时，就可由工件的接触模量EK1按下式导出工件的弹性模量E1E1＝(1-ν12)Ek1(8)应用本专利技术的方法时必须注意以下前提条件1)首先，赫兹公式的半空间条件必须得到满足。即工件的待测面附近必须是实心的；从长、宽和厚度三个方面看其实心范围不应小于接触面短半径的3～5倍；2)其次，在工件一侧的接触面附近的主曲面上必须具有恒定的主曲率半径，例如圆柱形、球形、鼓形或为一平面等。其主曲率半径必须为已知，或者是可以测定的。3)第三，压力负荷不可超出待测材料的线性弹性区域。采用此方法时，压头2应优先采用透明材料如玻璃或兰宝石制成，用于测定较软的材料如橡胶、塑料、树脂等。在某些特定情况下，压头也可采用不透明材料。比如要测试较硬的材料时就应选用相应的硬质不透明材料制成的压头。在这种情况下，接触面不能透过压头从其背面来观察，测算时就要选用所施加的最大法向压力值和相对应的最大接触面尺寸。这个最大接触面一般以触痕的方式显示在压头2和工件1上，尤其是当在待测面上涂一层干燥的薄膜时，接触区在卸载后就可以从接触面的正面清楚地观察到。值得注意的是，该触痕完全是弹性变形的记录，它有别于硬度测量所产生的压痕槽，无塑性变形成分。在卸载后以及在接触配对相互分离之后，压头可以被推或转到一边，这样就可以用测长装置5来测量接触面在工件上留下的触痕。还有一些特殊情况，比如脉冲载荷作用时，虽然压头是透明的，但可能不能在施加压力负荷的同时测量接触面的大小，这时最大接触面的测量也可以在撤掉负荷之后，透过由透明材料制成的压头来测定。在工件1内部所产生的压应力受压头和工件的曲率半径等因素影响。要把这种应力控制在一个适当范围内，就应选用适当的压头形状及相应的曲率半径。为了使接触面不发生畸变和易于加载，一般压头背面是平面状，另一面是平面或曲面，如凹形，凸形或圆柱形。接触面的测量精度受接触面3与其周边之间的反差影响较大。为了提高这种反差，可以在工件1上涂一层极薄的薄膜，待薄膜干后再测量，可以提高这种反差。将压头表面制成光面或毛面或在其表面涂一层极薄的薄膜干燥后，也可以达到同样的目的。此外，还可将一薄膜(厚度＜10μm)置于压头2和工件之间，这样可以使接触面清晰地印在薄膜上；薄膜越薄，其测量精度就越高。采用不同波长的适当光源也可提高这种反差。尤其是采用平行光束照射接触面以及采用光学的或光电子途径进行测量，在这里光源4及测长装置5的光学主轴必须垂直于接触面3以及接触面的镜像面3′。部件4和部件5虽然设置在不同的部位，用一分束器6就可以满足上述要求。应该注意不让任何散射光射入接触面3而进入光路最后到达测长装置5。本专利技术要求在一般情况下使用不变的或准静态的法向负荷压力。要测量材料在动态负荷条件下的性能，就要使所施加的法向力随时间而变化，比如周期性或脉冲式。这时加载装置7和测长装置5也要相应选择动态式的，如伺本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种无损测量材料弹性，尤其是塑料材料弹性的方法，其特征在于：将一由透明材料制成的压头用一恒定或变化的法向力压在待测工件上，该压头表面具有两个主曲率半径，且该主曲率半径已知或可测；在施加法向力的同时，用透射过压头的光照射在压头和工件之 间由于弹性变形而产生的接触面上，并由一测长装置测定接触面尺寸；利用接触面的尺寸、法向力及主曲率半径，根据赫兹公式计算工件材料的弹性，即接触模量，并由此导出弹性模量。

【技术特征摘要】
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【专利技术属性】
技术研发人员：尹学军，
申请(专利权)人：尹学军，
类型：发明
国别省市：DE[德国]