本發(fā)明涉及一種高溫硬度測試儀器，特別涉及一種高溫維氏硬度計(jì)。

背景技術(shù)：

布氏硬度、洛氏硬度以及維氏硬度的硬度值所代表的物理含義是材料表面抵抗堅(jiān)硬物體壓入的能力，他們可以反映材料的彈性、塑性、強(qiáng)度和韌度的一項(xiàng)綜合指標(biāo)。其中維氏硬度的測試原理是：將120kg以內(nèi)的載荷與頂角為136°的金剛石方形錐壓入材料表面，并在顯微鏡下觀察材料壓痕凹坑的表面積，將該表面積除以載荷值，即為維氏硬度值。

硬度測試本身是一個(gè)破壞性的實(shí)驗(yàn)，也就是說，單一的測試方法無法得到同一試樣在不同條件下的精準(zhǔn)硬度值，但是，材料使用時(shí)，不同溫度對于材料的硬度影響極大，因而，在諸如工具鋼材料、耐磨涂層等高溫下使用的材料而言，測試其高溫下的不同性能，具有巨大的實(shí)用價(jià)值。

想要檢驗(yàn)高溫環(huán)境下材料的維氏硬度，就需要克服以下幾個(gè)方面的問題：第一，金屬材料在高溫下的氧化問題；第二材料采用何種方式加熱并在其冷卻產(chǎn)生金相組織變化前進(jìn)行硬度測試；第三，維氏硬度需要顯微觀察壓痕的表面面積，高溫環(huán)境下如何進(jìn)行實(shí)時(shí)觀察。

授權(quán)公告號(hào)為CN201965064U的實(shí)用新型專利中公開了一種高溫硬度計(jì)，其通過真空泵與爐殼的配合，解決了待檢測硬度的材料在高溫下氧化的問題；通過保溫箱與發(fā)熱體的配合，實(shí)現(xiàn)了待檢測金屬材料的加熱問題。然而，對于第三個(gè)在高溫下實(shí)時(shí)觀察與計(jì)算壓痕面積以獲得維氏硬度值的問題，該專利并無相關(guān)結(jié)構(gòu)進(jìn)行實(shí)現(xiàn)，因而，這種結(jié)構(gòu)適合于洛氏硬度或者布氏硬度的測試，而無法應(yīng)用至高溫維氏硬度測試中。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提供一種可以在高溫環(huán)境下觀察待檢測金屬材料表面的壓痕并進(jìn)行維氏硬度值計(jì)算的高溫維氏硬度計(jì)。

本發(fā)明的上述目的是通過以下技術(shù)方案得以實(shí)現(xiàn)的：一種高溫維氏硬度計(jì)，包括有一氣氛室，所述氣氛室內(nèi)設(shè)置有用于加熱試樣的加熱裝置、循環(huán)水冷裝置、帶動(dòng)所述加熱裝置移動(dòng)的XY平臺(tái)、硬度測試裝置以及一壓痕圖像采集裝置，所述壓痕圖像采集裝置與所述加熱裝置之間設(shè)置有一冷卻盤，所述冷卻盤上設(shè)置有一觀察孔，所述觀察孔內(nèi)嵌裝有隔熱鏡片，所述冷卻盤內(nèi)通有循環(huán)對其冷卻的液體。

通過采用上述技術(shù)方案，高溫下進(jìn)行壓痕的實(shí)時(shí)觀察，需要克服的技術(shù)問題是鏡頭的高溫?zé)龤栴}，本方案中，以冷卻盤將壓痕圖像采集裝置與加熱裝置隔開，冷卻盤上的觀察孔用于圖像采集，而其余部分則通過外部循環(huán)液體進(jìn)行循環(huán)冷卻，這樣的設(shè)置下，加熱裝置的熱量一部分被隔熱鏡片阻擋，另一部分被循環(huán)的液體帶走，因此，高溫環(huán)境基本不會(huì)影響壓痕圖像采集裝置的正常工作，具備了加熱裝置以及實(shí)時(shí)的壓痕圖像采集裝置，使得本方案適合于高溫維氏硬度測試。

優(yōu)選地，所述壓痕圖像采集裝置包括有物鏡以及設(shè)置于所述物鏡內(nèi)的光學(xué)系統(tǒng)，所述光學(xué)系統(tǒng)包括有用于連接至外部計(jì)算機(jī)的CCD模塊、窄帶光源以及分束鏡，所述窄帶光源發(fā)出的單頻光照射在試樣上并反射，經(jīng)過所述分束鏡后進(jìn)入CCD模塊。

通過采用上述技術(shù)方案，金屬在加熱至800度后，其自身會(huì)發(fā)出白色光線，而這個(gè)光線本身會(huì)干擾CCD模塊的圖像采集工作，將傳統(tǒng)的光源更換成窄帶光源后，照射至加熱后的樣件表面的光為單一頻率的光線，被樣件表面反射后的光依舊為單一頻率的光線，其他頻率的光線將被濾光鏡濾去，也就是說，CCD模塊只能采集到窄帶光源發(fā)出的并被樣件表面反射的光線，樣件受熱后發(fā)出的光線將直接被濾光鏡片濾去，因而，維氏硬度計(jì)可以滿足800攝氏度以上的溫度下的高溫維氏硬度檢測的需要，且CCD模塊采集到的壓痕圖像清晰可辨，因而，可以精確的計(jì)算壓痕的面積，根據(jù)它計(jì)算出來的維氏硬度值也更加精確；而分束鏡的作用是半透半反，也就是說，只有部分頻率的光可以透過分束鏡，因此，將它設(shè)置于CCD模塊與反射光線之間，可以利用它的特性直接濾去干擾光線，只允許窄帶光源所激發(fā)的光線進(jìn)入CCD模塊，以進(jìn)一步提高壓痕的圖像采集精度。

優(yōu)選地，所述加熱裝置包括有一殼體，所述殼體內(nèi)設(shè)置有一用于放置加熱體以及待加熱試樣的加熱腔室，以及與所述加熱腔室鄰接的風(fēng)冷腔室，所述加熱腔室的外壁中設(shè)置有用于連接至循環(huán)水冷裝置以對加熱腔室外壁進(jìn)行冷卻的空心流道。

優(yōu)選地，所述加熱裝置上還設(shè)置有一水冷腔室，且其與風(fēng)冷腔室一起將加熱腔室夾于中間，所述水冷腔室與加熱腔室鄰接的側(cè)壁上設(shè)置有連通至空心流道的入水口和出水口。

通過采用上述技術(shù)方案，高溫加熱的溫度要至少高于800度，然而，加熱體外接的電源卻難以承受如此高的溫度，因此，需要加熱體上連接外部電路的位置進(jìn)行可靠的冷卻，本方案中直接增加風(fēng)冷腔室，以風(fēng)冷的形式對加熱體的冷端進(jìn)行風(fēng)冷，以保證其與外部電路的可靠連接；而加熱裝置設(shè)置于氣氛室內(nèi)，為減少其對氣氛室內(nèi)的其他裝置的熱輻射，在它的另一側(cè)設(shè)置水冷腔室，以將外部冷卻水引至加熱腔室內(nèi)的空心流道，對其進(jìn)行冷卻。

優(yōu)選地，所述加熱腔室的底壁上設(shè)置有一用于放置試樣的安置孔，所述加熱體呈U型，所述加熱體將所述安置孔包圍，所述加熱腔室的內(nèi)壁與加熱體外壁之間還填充有保溫隔熱材料。

通過采用上述技術(shù)方案，加熱體的加熱對象僅是安置孔內(nèi)的試樣，將其設(shè)置為U型，并將安置孔包圍，可以使其針對性的對試樣進(jìn)行加熱，其他位置的保溫隔熱材料的作用有兩個(gè)：一是防止加熱體的溫度散失，影響裝置的熱效率，二是防止加熱體溫度自殼體的外壁向外部輻射，影響氣氛室內(nèi)的其他裝置，因此，在加熱腔室的內(nèi)壁與加熱體外壁之間填充保溫隔熱材料，即可同時(shí)起到保溫與隔熱的作用。

優(yōu)選地，所述加熱腔室包括有一頂部開口的盒體、鉸接于所述盒體側(cè)壁邊緣的蓋板以及鎖緊所述蓋板與盒體的鎖扣，所述蓋板上對應(yīng)于安置孔的位置處設(shè)置有供所述試樣露出盒體并與壓頭接觸的透孔，所述蓋板與所述加熱體之間的距離不小于5㎜。

通過采用上述技術(shù)方案，將加熱腔室的頂部設(shè)置成頂部開口并鉸接蓋板的形式，有利于向加熱腔室內(nèi)安裝試樣；試樣安裝并加熱后，需要對其表面進(jìn)行壓痕制作，為防止壓頭與加熱腔室的外壁干涉，在蓋板上設(shè)置透孔，安裝時(shí)，只要試樣與蓋板的外頂壁齊平，竟可以保證壓頭不伸入加熱腔室內(nèi)，以防止其過熱；而將蓋板設(shè)置的距離加熱體不小于5㎜的高度處，可以在加熱體與蓋板之間形成一層空氣隔熱層，加上蓋板內(nèi)的空心流道的水冷作用，蓋板向外的熱輻射可以降至最低。

優(yōu)選地，所述加熱體為串聯(lián)至外部電路的至少兩根硅鉬棒。

通過采用上述技術(shù)方案，硅鉬棒為阻性電熱元件，其在高溫下發(fā)生氧化后會(huì)在表面生成一層石英玻璃膜，以防止其進(jìn)一步氧化，因而其具有獨(dú)特的高溫抗氧化性，并且，其最高的使用溫度可以達(dá)到1800攝氏度，可以滿足于高溫維氏硬度檢測的加熱溫度需要；并且，由于硅鉬棒的阻值不隨使用時(shí)間的長短而發(fā)生變化，因此，串聯(lián)兩根至多根硅鉬棒，當(dāng)其中的部分硅鉬棒失效時(shí)，其他硅鉬棒還可以起作用，以保證對于試樣的可靠加熱溫度。

優(yōu)選地，所述XY平臺(tái)與氣氛室的底面之間還設(shè)置有驅(qū)動(dòng)所述XY平臺(tái)升降的絲杠升降機(jī)構(gòu)。

通過采用上述技術(shù)方案，壓痕圖像采集裝置要采集試樣表面的壓痕圖像，則需要與試樣表面進(jìn)行對焦，而XY平臺(tái)本身只能帶動(dòng)加熱裝置在其所在的水平面內(nèi)進(jìn)行平移而無法升降，因此，要對焦，就需要移動(dòng)壓痕圖像采集裝置或者加熱裝置以使兩者相互靠近或者遠(yuǎn)離，而壓痕采集裝置本身內(nèi)置有光學(xué)系統(tǒng)和圖像傳輸?shù)钠骷?，移?dòng)它可能會(huì)影響圖像與外部的通訊，而通過絲杠升降機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)加熱裝置升降以完成對焦，則可以解決上述問題，且調(diào)整過程方便；此外，絲杠傳動(dòng)平穩(wěn)，有利于保持加熱裝置的平穩(wěn)升降。

優(yōu)選地，所述氣氛室包括有一手套箱以及用于控制所述手套箱內(nèi)氧氣濃度的空氣控制器，所述手套箱上還外接有一用于給所述氣氛室提供氬氣的氬氣瓶。

通過采用上述技術(shù)方案，手套箱又稱為真空手套箱、惰性氣體保護(hù)箱，是一種現(xiàn)有的用于提供無水、無氧、無塵的超純環(huán)境的裝置，利用它提供高溫硬度檢測一個(gè)超純凈環(huán)境，不需要單獨(dú)開發(fā)專用的氣氛室，配合空氣控制器，將其內(nèi)部氧氣濃度控制在1ppm以內(nèi)，保證高溫環(huán)境下金屬試樣不會(huì)發(fā)生氧化反應(yīng)而影響檢測結(jié)果；而外部的氬氣瓶向氣氛室內(nèi)通入氬氣，以利用其惰性進(jìn)一步保護(hù)試樣不受熱氧化。

綜上所述，本發(fā)明具有以下有益效果：

（1）通過對壓痕圖像采集裝置進(jìn)行適當(dāng)?shù)睦鋮s處理，使其可以安裝至高溫的氣氛室中對高溫樣件上的壓痕進(jìn)行圖像采集，以計(jì)算其在高溫環(huán)境下的維氏硬度值。

（2）利用現(xiàn)有的手套箱和空氣控制器形成純凈度的氣氛室，以防止氧氣、水汽等在高溫下與金屬試樣發(fā)生反應(yīng)，影響測試結(jié)果。

（3）壓痕圖像采集裝置中的光源采用窄帶光源，以克服金屬試樣在加熱溫度超過800攝氏度后發(fā)出光線干擾壓痕的圖像采集。

（4）利用串聯(lián)的硅鉬棒作為試樣的加熱體，不僅加熱效率高、體積小，并且其安裝結(jié)構(gòu)簡單且加熱可靠。

附圖說明

圖1是本發(fā)明的整體結(jié)構(gòu)安裝圖；

圖2是光學(xué)系統(tǒng)部分的原理圖；

圖3加熱裝置的外部結(jié)構(gòu)視圖；

圖4是打開蓋板后的加熱裝置內(nèi)部結(jié)構(gòu)視圖；

圖5是加熱腔室與底板的連接結(jié)構(gòu)視圖。

圖中，1、氣氛室；10、手套箱；11、空氣控制器；12、氬氣瓶；2、加熱裝置；20、底板；21、風(fēng)冷腔室；210、U型腔；211、冷風(fēng)機(jī)；212、盒蓋；213、散熱孔；22、加熱腔室；220、安置孔；221、蓋板；222、腰型口；23、水冷腔室；230、進(jìn)水口；231、出水口；24、限位塊；25、鎖扣；26、保溫隔熱材料；27、硅鉬棒；3、循環(huán)水冷裝置；4、XY平臺(tái)；5、硬度測試裝置；50、CBN壓頭；6、壓痕圖像采集裝置；60、光學(xué)系統(tǒng)；600、CCD模塊；601、窄帶光源；602、濾光鏡片；603、分束鏡；604、折光鏡；61、物鏡；7、冷卻盤；70、觀察孔；71、隔熱鏡片；72、冷卻管；8、絲杠升降機(jī)構(gòu)。

具體實(shí)施方式

以下結(jié)合附圖對本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)說明。

一種高溫維氏硬度計(jì)，包括有一氣氛室1，其包括有一提供純凈的無氧、無水氣純凈環(huán)境的手套箱10、設(shè)置于手套箱10內(nèi)部、用于控制手套箱10內(nèi)的氧氣、水汽濃度的空氣控制器11，以及一個(gè)設(shè)置在手套箱外部的氬氣瓶12，空氣控制器11將手套箱10內(nèi)的氧氣濃度控制在1ppm以下，氬氣瓶12通過軟管將氬氣輸入至手套箱10內(nèi)，以使其內(nèi)部充滿化學(xué)性質(zhì)不活潑的氬氣，防止金屬試樣的氧化。

氣氛室1內(nèi)的底部基座上設(shè)置有一絲杠升降機(jī)構(gòu)8，其上端連接有一受它驅(qū)動(dòng)的XY平臺(tái)4，其中：絲杠升降機(jī)構(gòu)8外接有電機(jī)，以驅(qū)動(dòng)絲杠與螺母傳動(dòng)，并最終控制連接在其端部的XY平臺(tái)4的Z軸方向的運(yùn)動(dòng)；XY平臺(tái)4則用于調(diào)整安裝于其上的物件的X和Y向的移動(dòng)。

加熱裝置2固定設(shè)置在XY平臺(tái)4上并隨之動(dòng)作，以帶動(dòng)固定在其內(nèi)部的試樣做X、Y、Z三個(gè)方向的移動(dòng)，其具體結(jié)構(gòu)敘述如下：加熱裝置2包括有依次展開的三個(gè)部分：風(fēng)冷腔室21、加熱腔室22以及水冷腔室23，如圖3中所示，加熱腔室22包括有一頂部開口的盒體，其頂部的開口上鉸接有蓋板221，蓋板221上與鉸接的一端相對的邊上還設(shè)置有鎖扣25，用于鎖合蓋板221與盒體的蓋合關(guān)系；盒體底部的中央位置處設(shè)置有一安置孔220，用于放置待檢驗(yàn)試樣，蓋板221上還設(shè)置有一穿透蓋板221的腰型口222，用于試樣安裝好后伸出于進(jìn)行檢驗(yàn)，并且，在試樣安裝好之后，其頂部應(yīng)當(dāng)至少與蓋板的外頂壁齊平。

加熱體采用U型設(shè)置的硅鉬棒27，硅鉬棒27的兩個(gè)端部延伸至風(fēng)冷腔室21內(nèi)，硅鉬棒27環(huán)繞于安置孔220的外圈，以環(huán)繞加熱的方式對試樣進(jìn)行加熱，硅鉬棒27的外圈與盒體的內(nèi)壁之間填充保溫隔熱材料26，其可以采用聚氨酯材料，防止硅鉬棒27的熱量散失至氣氛室1內(nèi)，為防止硅鉬棒27的熱量對氣氛室1內(nèi)的其他裝置產(chǎn)生影響，蓋板221與硅鉬棒27之間的垂直距離不小于5㎜，以使兩者之間間隔形成一空氣層，阻止熱量的散失。

如圖4至5中所示，風(fēng)冷腔室21包括有一用于硅鉬棒27穿過的U型腔210，U型腔210的底部向遠(yuǎn)離加熱腔室22的一端延伸形成有一底板20，底板20上設(shè)置有若干限位塊24，用于限定安裝至底板20上的盒蓋212，盒蓋212的外壁上固定設(shè)置有連通至風(fēng)冷腔室21內(nèi)部的冷風(fēng)機(jī)211，以向底板20和盒蓋212之間的空間吹入冷風(fēng)，以對硅鉬棒27上鏈各個(gè)端部上的通電電纜進(jìn)行冷卻，盒蓋212的另一側(cè)壁上還設(shè)置有若干散熱孔213，用于排出盒蓋212內(nèi)的高溫氣體。

如圖3中所示，水冷腔室23設(shè)置于加熱腔室22的另一端，其內(nèi)設(shè)置有兩根水管，加熱腔室22的盒體上（包括蓋板221）內(nèi)均設(shè)置有空心流道（圖中未示出），兩根水管均連通至空心流道內(nèi)，以對加熱腔室22進(jìn)行循環(huán)水冷卻，水冷腔室23上遠(yuǎn)離加熱腔室22的一側(cè)壁上設(shè)置有進(jìn)水口230和出水口231，兩根水管自兩個(gè)水口進(jìn)入水冷腔室23，以將循環(huán)冷水引入、將熱交換后的熱水引出加熱裝置2。

加熱裝置2上設(shè)置硬度測試裝置5，其包括有一自動(dòng)轉(zhuǎn)塔臺(tái)以及固定于其上的CBN壓頭50，需要對試樣進(jìn)行壓制時(shí)，自動(dòng)轉(zhuǎn)塔臺(tái)帶動(dòng)CBN壓頭50轉(zhuǎn)至與蓋板221上的腰型口222相對的位置，并驅(qū)動(dòng)其下壓完成試樣表面的加載工作；此處采用CBN材料制成的壓頭，主要是為配合硅鉬棒27的加熱溫度，硅鉬棒27可以將試樣加熱至1600至1800攝氏度，而在這個(gè)溫度下，普通的藍(lán)寶石壓頭在加載一段時(shí)間后會(huì)碎裂，因此，本方案中采用CBN壓頭50，以適應(yīng)高溫下的硬度檢測。

在硬度測試裝置5之上，設(shè)置有壓痕圖像采集裝置6。根據(jù)背景技術(shù)中交代的維氏硬度值的計(jì)算原理可知，要想獲得材料的維氏硬度值，就必須觀察加載完成后試樣表面的壓痕，并依據(jù)改壓痕面積和加載的外力的大小，計(jì)算材料的維氏硬度，這里應(yīng)當(dāng)指出，高溫維氏硬度檢測之所以難以做到，主要是在高溫下進(jìn)行壓痕圖像采集，極大的受到高溫的影響，并且，當(dāng)試樣加熱至800攝氏度之上后，自身就會(huì)發(fā)出光線，一般的圖像采集系統(tǒng)難以準(zhǔn)確的捕捉試樣表面的壓痕的圖像輪廓，也就難以進(jìn)行準(zhǔn)確的維氏硬度值計(jì)算。為解決這個(gè)問題，發(fā)明人對壓痕圖像采集裝置6中的光學(xué)系統(tǒng)60進(jìn)行了改進(jìn)，并為壓痕圖像采集裝置6單獨(dú)配置一塊冷卻盤7。

具體來說，冷卻盤7設(shè)置在加熱裝置2與壓痕圖像采集裝置6之間，其整體為一塊圓形中空盤體，在盤體中央設(shè)置有一個(gè)觀察孔70，其直徑尺寸為10mm，以恰好適應(yīng)于壓痕圖像采集裝置6的圖像采集需要，在觀察孔70內(nèi)嵌裝有一塊隔熱鏡片71，以隔離加熱裝置2中散發(fā)的熱量。在中空盤體上連接有與水冷腔室23內(nèi)結(jié)構(gòu)相同的循環(huán)冷卻裝置，以向中空盤體內(nèi)通入冷卻液體的冷卻管72。這樣，隔熱鏡片71盡可能隔離加熱裝置2向外發(fā)出的熱輻射，冷卻管72內(nèi)流動(dòng)的冷卻液體帶走盤體接收到的熱量，以保護(hù)壓痕圖像采集裝置6不受加熱裝置2的高溫的影響。

壓痕圖像采集裝置6具體包括有一物鏡61以及設(shè)置在物鏡61內(nèi)的光學(xué)系統(tǒng)60，物鏡61與CBN壓頭50共同設(shè)置于自動(dòng)轉(zhuǎn)塔臺(tái)上，以在壓痕加載完成后通過物鏡61進(jìn)行壓痕圖像的采集。

光學(xué)系統(tǒng)60包括有一CCD模塊600、一個(gè)窄帶光源601、分束鏡603以及折光鏡604，其光路連接方式敘述如下：窄帶光源601向外部發(fā)出單一波長的光，單頻光線在折光鏡604和分束鏡603的折光下進(jìn)一步聚焦，最后通過物鏡61打在試樣的壓痕表面，反射的光線與試樣在高溫下發(fā)出的光線一同反射回來，分束鏡603濾去反射光線中不屬于窄帶光源601反射光線的部分（即濾去雜光），濾光后的光束進(jìn)入CCD模塊600內(nèi)，并最終傳輸至外部計(jì)算機(jī)進(jìn)行硬度值計(jì)算。

本實(shí)施例的使用步驟敘述如下：

首先調(diào)整好氣氛室1內(nèi)的氧氣濃度后，開啟蓋板221，將試樣固定至安置孔220內(nèi)；

蓋合并通過鎖扣25鎖緊加熱腔室22,后，給硅鉬棒27通電，使其開始產(chǎn)生熱量對試樣進(jìn)行加熱，并同時(shí)啟動(dòng)循環(huán)水冷裝置3以及冷卻盤7上的冷卻液體的流動(dòng)；

待加熱溫度達(dá)到預(yù)設(shè)值后，驅(qū)動(dòng)自動(dòng)轉(zhuǎn)塔臺(tái)帶動(dòng)CBN壓頭50對準(zhǔn)腰型口222，并調(diào)整XY平臺(tái)4和絲杠升降機(jī)構(gòu)8，以使試樣與CBN壓頭50正對；

對CBN壓頭50加載，使其在試樣表面產(chǎn)生壓痕；

再次驅(qū)動(dòng)自動(dòng)轉(zhuǎn)塔臺(tái)，將物鏡61對準(zhǔn)壓痕；

開啟壓痕圖像采集裝置6，進(jìn)行壓痕圖像采集，并依據(jù)壓痕面積進(jìn)行試樣在高溫下的維氏硬度值計(jì)算。

本具體實(shí)施例僅僅是對本發(fā)明的解釋，其并不是對本發(fā)明的限制，本領(lǐng)域技術(shù)人員在閱讀完本說明書后可以根據(jù)需要對本實(shí)施例做出沒有創(chuàng)造性貢獻(xiàn)的修改，但只要在本發(fā)明的權(quán)利要求范圍內(nèi)都受到專利法的保護(hù)。