硬度測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）硬度測量的應(yīng)用服務(wù)領(lǐng)域

航空工程領(lǐng)域中，硬度測量具有重要地位。下面列出硬度測量的幾個(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)件的檢測的方法是硬度測定法。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)固體潤滑材料潤滑值得直接測量十分困難，通常借助維氏硬度這一間接測量手段來確定材料中固體氧化物的潤滑成分，從而獲得材料的潤滑值。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。