物质表面塑变过程的三维观测

　　1　引　言

　　物质表面粗糙度(光洁度)是指制品加工后实际的微观的表面几何形状与理想的正确的表面几何形状之间的误差,它的基本特征是微观不平度,即既有线性特征又有几何形状特征[1,2]。表面粗糙度对制品的装配性、密封性、噪声、疲劳、磨损、腐蚀等均有较大影响,因而它是评定金属制品表面质量的重要内容之一。物质表面粗糙度的测量和显示方法很多,如:光学法、比较法、印模法、激光散斑干涉法等。使用的方法不同,测得的物质表面的粗糙度不同。郑月林等人于1985年用双棱镜产生两束不同方向的平面波同时照射粗糙物质表面,从散射光场的相关度得到了物质表面粗糙度[3],可使粗糙度的测量范围达1～40μm;使用激光束与被测工件表面成一定角度照射时,除一部分被金属表面吸收外,大部分都被金属表面反射和散射。反射光的方向遵循反射定律,反射散斑近似圆形,且散射光能量分布为高斯曲线,不同的表面粗糙度的能量分布曲线是不同的,利用数字显示方法可以显示出不同的表面粗糙度,这种方法测量范围为Ra≤1μm;使用PCD的方法利用实验公式Ra=0.088GCP+0.32通过测量GCP得到物质表面粗糙度Ra=0.1～0.5μm[4,5];余慧等人设计的表面粗糙度非接触测量系统能用于软金属材料工程表面、纸张、木材、橡胶等非金属表面、光学元件、集成电路表面以及皮肤、动植物表面粗糙度的测量[6]。本文分析的方法是:晶粒的不均匀变形导致了晶体金属的塑性变形,使平滑的表面逐渐变得粗糙,把塑变后的特定区域的粗糙表面的三维轮廓图,使用计算机进行显示[7,8],同时,通过扫描电子显微镜观察相同区域的晶粒外形模式图,也可由摄像机把晶粒外形拍摄下来,经电路及计算机处理作为影像数据,重叠显示在粗糙面外形轮廓图上。这种方法具有:稳定性好、示值直观可靠、测量容易、准确度高、处理数据方便等优点。

　　2　实验过程

　　2.1　试验样本及测量表面形状的三维方法

　　用晶体钢作原料,此钢是韧化的,晶粒尺寸大约150～350μm。由于材料是热轧的,晶粒的形状呈现各向异性。实验中用到的两个样本,一个是从晶粒的长度方向压缩,另一个是从晶粒的宽度方向压缩。样本尺寸为15×15×15mm,测量表面的尺寸为3.0×3.0mm,且在测量面的四周均用划线表示。两个样本均被压缩,并且使得应变ε每变化0.05可计算一下测量结果。

　　图1表示对表面形状的三维测量的方块流程图。实验中用到模拟数字转换器、控制A-D转换和数字整理的计算机。通过模拟测量装置测得的数据,制作的轮廓图形的电压信号是模拟式信号。再通过A-D转换器模拟信号转换成数字信号,并输入计算机,计算机就会把表面形状的三维模拟式图显示出来。