里氏硬度冲击碰撞过程研究

　　一、里氏硬度试验原理

　　里氏硬度是以能量测量为基础的硬度试验方法, 其原理是使一个保持恒定能量(11N·mm)的冲击体冲击到静止的材料样品上, 再回弹起来, 测量回弹时尚存在于试样中的能量( 残余能量), 该残余能量即表示里氏硬度的大小。其测量方法是通过测量冲击体距试样表面1mm位置处的冲击速度和反弹速度, 作为动能的表征量。由这两个速度求得的商与1000的乘积定义为里氏硬度值。其公式为:

　　式中: HL———里氏硬度符号; v

　　f———冲击体的反弹速度, m/s; v

　　c———冲击体的冲击速度, m/s。

　　二、基本碰撞过程描述

　　为了简要说明里氏硬度冲击体与硬度块的碰撞过程,我们首先忽略冲击体及硬度块的本身材料特性, 假定一个长度为l的理想弹性冲击体, 从高度为h处自由下落, 撞击到一个刚性试验面上。则碰撞速度和碰撞应力分别为

　　式中: g———重力加速度; ρ

　　0———冲击体的初始密度;

　　C0———纵波声速。

　　这里, E为冲击体弹性模量。

　　碰撞过程可以用质点速度和应力变化加以描述( 如图1所示)。

　　首先, 碰撞之前(t≤0) 整个冲击体中的应力和质点速度分别为(该区表示为A区)

　　碰撞发生时, 应力σ0产生一个压缩波, 以速度C0从碰撞接触面向杆内传播。压缩波后(该区表示为B区,)

　　经过时间t=l/C0后, 压缩波传播到杆的末端。由于末端为自由面, 则压缩波反射为拉伸波。反射应力为

　　反射拉伸应力波后区域 ( 该区表示为C区, l /C0 的应力和质点速度分别为

　　在时间t=2l/C0时, 该拉伸波又传播到碰撞接触面, 并发生反射, 反射应力为

　　第2次反射波后的区域(该区表示为D区, 2l/C0 的应力为

　　即该区承载拉应力。由于碰撞面只能承载压应力而不能承载拉应力, 则冲击体与碰撞试验面脱离, 使原来的碰撞试验面变为自由面, 并使碰撞过程结束。整个冲击体的脱离速度为

　　考虑重力效应, 冲击体的回弹速度应为

　　三、实际碰撞过程分析

　　在实际碰撞过程中, 由于冲击体及硬度块材料的声阻抗、弹性模量、压缩模量和剪切模量等物理特性的影响, 需要对上述结论进行进一步分析。

　　在一般情况下, 冲击体结构由两部分组成: 一部分是直径为 Φ3mm, 高度为 2mm的球冠形碳化钨球头; 另一部分是高度为 35mm左右的铝杆。由于碳化钨球头的声阻抗远大于铝材, 且几何尺寸较小, 在实际的冲击碰撞过程中, 冲击波在碳化钨球头内的传递时间短, 能量损失小, 因此, 对冲击体的反弹速度衰减的贡献极小, 为了简化理论分析过程, 本文采用冲击体主体铝杆的材料参数代替整个冲击体的相关参数,以忽略碳化钨球头对反弹能量的影响。同时, 考虑到冲击体前端碳化钨球头的弹性模量较高, 因此与硬度块的碰撞过程可以采用上面的刚性碰撞模型进行理论分析。