硬度測(cè)量在航空工程中的應(yīng)用及發(fā)展

在航空工程中的應(yīng)用及發(fā)展

（1）硬度測(cè)量的應(yīng)用服務(wù)領(lǐng)域

航空工程領(lǐng)域中，硬度測(cè)量具有重要地位。下面列出硬度測(cè)量的幾個(gè)典型應(yīng)用。

燒傷是飛機(jī)結(jié)構(gòu)損傷的主要形式之一，對(duì)火燒飛機(jī)結(jié)構(gòu)件的檢測(cè)的方法是硬度測(cè)定法。通常根據(jù)燒傷構(gòu)件的實(shí)際情況，使用布氏、里氏、洛氏等硬度試驗(yàn)代替強(qiáng)度性能測(cè)試以確定熱損傷部位和熱損傷范圍。另外，作為飛機(jī)的蒙皮材料，為保障航空飛行器的高效、安全。需測(cè)定相關(guān)合金材料的維氏硬度、疲勞壽命等隨熱暴露時(shí)間的變化，以研究熱暴露對(duì)合金組織演變及疲勞性能的影響。

在航空發(fā)動(dòng)機(jī)的校準(zhǔn)中，發(fā)動(dòng)機(jī)部件的聲波疲勞檢測(cè)是一項(xiàng)重要內(nèi)容，而材料的聲波疲勞過程與材料的顯微硬度變化呈現(xiàn)有一定的規(guī)律。通過對(duì)顯微硬度壓痕的彈塑性分析，能夠獲得發(fā)動(dòng)機(jī)部件的材料特征，如彈性、滯彈性、塑性、韌性和斷裂性能等。另外，航空發(fā)動(dòng)機(jī)固體潤(rùn)滑材料潤(rùn)滑值得直接測(cè)量十分困難，通常借助維氏硬度這一間接測(cè)量手段來確定材料中固體氧化物的潤(rùn)滑成分，從而獲得材料的潤(rùn)滑值。對(duì)于特種耐低溫航空橡膠材料，需進(jìn)行邵氏硬度、脆性溫度、壓縮耐寒系數(shù)、拉伸強(qiáng)度等試驗(yàn)，以解決橡膠材料的耐寒性與耐油性的平衡問題。

隨著現(xiàn)代材料表面工程氣相沉積、濺射、離子注入、高能束表面改性、熱噴涂等材料的發(fā)展，試樣本身或表面改性層厚度越來越小，涂層及脆硬件硬度的測(cè)試需求越來越廣，例如，航空航天領(lǐng)域中飛機(jī)葉片等部件表面噴涂后的鍍膜件、飛機(jī)座艙內(nèi)安全帶扣表面的鍍膜材料，電子控制產(chǎn)品部件中的離子注入層、金屬減震件的鍍膜層，開關(guān)部件中導(dǎo)電材料的鍍膜件等的硬度參數(shù)都只能通過超顯微的硬度測(cè)量才可獲得。

在航空、航天等微電子系統(tǒng)領(lǐng)域，傳感器等微構(gòu)件的彈性系數(shù)影響甚至決定其靜態(tài)和動(dòng)態(tài)力學(xué)特征，這在某種程度上就需要更加精確地測(cè)試和評(píng)定微構(gòu)件的力學(xué)特征的方法，通常采用的方法如雙軸彎折法、單軸拉伸法、諧振法等很難得到材料特性的準(zhǔn)確值，而使用納米硬度試驗(yàn)可以方便地對(duì)微懸臂梁進(jìn)行彎曲形變研究并確定其彈性模量。

（2）硬度測(cè)量技術(shù)領(lǐng)域中普遍關(guān)注的熱點(diǎn)技術(shù)

①馬氏硬度、超顯微硬度和納米硬度的校準(zhǔn)技術(shù)

隨著各種新材料的不斷出現(xiàn)和研制需要，硬度作為了解和評(píng)價(jià)材料特性的關(guān)鍵參數(shù)和重要手段始終在材料領(lǐng)域扮演著重要角色并同步發(fā)展著相關(guān)技術(shù)，馬氏硬度、超顯微硬度和納米硬度分別是有效評(píng)價(jià)黑色金屬和有色金屬，超薄、超輕等脆硬性材料，以及鍍層、漆膜、涂層等材料的硬度特征與韌性、斷裂性能等材料特性的重要手段，也是材料改良和新材料研制的重要依據(jù)，所以各國都在快速發(fā)展著這幾項(xiàng)新興硬度試驗(yàn)手段，并作為前沿技術(shù)開展著相關(guān)校準(zhǔn)技術(shù)研究工作，美國、德國、意大利和日本在此領(lǐng)域居地位。

②壓頭微形貌幾何參數(shù)校準(zhǔn)技術(shù)

壓頭是所有硬度試驗(yàn)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，直接影響測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確性，因而如何保證壓頭幾何參數(shù)的精準(zhǔn)再精準(zhǔn)，將其對(duì)硬度測(cè)量結(jié)果的影響降低到最小，或是準(zhǔn)確找到它們之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系是各國致力研究的方向。美國NIST在此領(lǐng)域研究較為深入，并致力于建立壓頭基準(zhǔn)的概念，各國也都在開展著相關(guān)研究及比對(duì)工作。

③現(xiàn)場(chǎng)及高、低溫條件下的硬度校準(zhǔn)技術(shù)

隨著硬度計(jì)量多元化發(fā)展，各國都在根據(jù)自身需求，努力發(fā)展著現(xiàn)場(chǎng)在線實(shí)用計(jì)量校準(zhǔn)技術(shù)，從而獲得更為有價(jià)值、有意義的評(píng)價(jià)參數(shù)和數(shù)據(jù)，如針對(duì)塑料、橡膠等非金屬材料出現(xiàn)了邵氏硬度，針對(duì)復(fù)合材料出現(xiàn)了巴氏硬度，針對(duì)鋁合金材料出現(xiàn)了韋氏硬度，針對(duì)大型和小型復(fù)雜形貌對(duì)象出現(xiàn)了超聲波硬度，針對(duì)高低溫特性需求出現(xiàn)了高低溫硬度等多種現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)方式，并伴隨著新的生產(chǎn)工藝的不斷涌現(xiàn)而不斷的出現(xiàn)新的硬度評(píng)價(jià)與測(cè)量手段。

為適應(yīng)我國航空工程型號(hào)的研究發(fā)展需求，當(dāng)前在航空計(jì)量硬度專業(yè)的發(fā)展建設(shè)主要集中于一下幾個(gè)方面：

①持續(xù)提升既有硬度計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)的綜合技術(shù)能力，健全完善硬度計(jì)量體系；

②提升壓頭微形貌幾何參數(shù)綜合校準(zhǔn)技術(shù)能力，開展其與硬度特性的相關(guān)科研工作；

③建立滿足國際洛氏硬度新定義的硬度最高標(biāo)準(zhǔn)，開展新一代洛氏硬度量傳工作；

④建立微觀領(lǐng)域超顯微硬度和納米壓痕硬度的計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)和傳遞標(biāo)準(zhǔn)硬度塊，開展相關(guān)量值傳遞和溯源工作；

⑤建立儀器化壓痕硬度和馬氏硬度等計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)裝置，開展相關(guān)量值傳遞和溯源工作；

⑥建立特殊環(huán)境下的硬度計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)裝置，開展相關(guān)量值傳遞和溯源工作。

⑦關(guān)于硬度測(cè)量不確定度的研究，研究性的硬度試驗(yàn)方法等；

⑧開展國內(nèi)外量值比對(duì)、能力驗(yàn)證、測(cè)量審核等工作，培養(yǎng)技術(shù)人才隊(duì)伍，不斷提升并保持航空工業(yè)硬度量值傳遞能力。