硬度測量在航空工程中的應用及發(fā)展

在航空工程中的應用及發(fā)展

（1）硬度測量的應用服務領域

航空工程領域中，硬度測量具有重要地位。下面列出硬度測量的幾個典型應用。

燒傷是飛機結(jié)構(gòu)損傷的主要形式之一，對火燒飛機結(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)件的實際情況，使用布氏、里氏、洛氏等硬度試驗代替強度性能測試以確定熱損傷部位和熱損傷范圍。另外，作為飛機的蒙皮材料，為保障航空飛行器的高效、安全。需測定相關合金材料的維氏硬度、疲勞壽命等隨熱暴露時間的變化，以研究熱暴露對合金組織演變及疲勞性能的影響。

在航空發(fā)動機的校準中，發(fā)動機部件的聲波疲勞檢測是一項重要內(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。通過對顯微硬度壓痕的彈塑性分析，能夠獲得發(fā)動機部件的材料特征，如彈性、滯彈性、塑性、韌性和斷裂性能等。另外，航空發(fā)動機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。對于特種耐低溫航空橡膠材料，需進行邵氏硬度、脆性溫度、壓縮耐寒系數(shù)、拉伸強度等試驗，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，航空航天領域中飛機葉片等部件表面噴涂后的鍍膜件、飛機座艙內(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，開關部件中導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)和動態(tài)力學特征，這在某種程度上就需要更加精確地測試和評定微構(gòu)件的力學特征的方法，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確值，而使用納米硬度試驗可以方便地對微懸臂梁進行彎曲形變研究并確定其彈性模量。

（2）硬度測量技術領域中普遍關注的熱點技術

①馬氏硬度、超顯微硬度和納米硬度的校準技術

隨著各種新材料的不斷出現(xiàn)和研制需要，硬度作為了解和評價材料特性的關鍵參數(shù)和重要手段始終在材料領域扮演著重要角色并同步發(fā)展著相關技術，馬氏硬度、超顯微硬度和納米硬度分別是有效評價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)展著這幾項新興硬度試驗手段，并作為前沿技術開展著相關校準技術研究工作，美國、德國、意大利和日本在此領域居地位。

②壓頭微形貌幾何參數(shù)校準技術

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

③現(xiàn)場及高、低溫條件下的硬度校準技術

隨著硬度計量多元化發(fā)展，各國都在根據(jù)自身需求，努力發(fā)展著現(xiàn)場在線實用計量校準技術，從而獲得更為有價值、有意義的評價參數(shù)和數(shù)據(jù)，如針對塑料、橡膠等非金屬材料出現(xiàn)了邵氏硬度，針對復合材料出現(xiàn)了巴氏硬度，針對鋁合金材料出現(xiàn)了韋氏硬度，針對大型和小型復雜形貌對象出現(xiàn)了超聲波硬度，針對高低溫特性需求出現(xiàn)了高低溫硬度等多種現(xiàn)場校準方式，并伴隨著新的生產(chǎn)工藝的不斷涌現(xiàn)而不斷的出現(xiàn)新的硬度評價與測量手段。

為適應我國航空工程型號的研究發(fā)展需求，當前在航空計量硬度專業(yè)的發(fā)展建設主要集中于一下幾個方面：

①持續(xù)提升既有硬度計量標準的綜合技術能力，健全完善硬度計量體系；

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

③建立滿足國際洛氏硬度新定義的硬度最高標準，開展新一代洛氏硬度量傳工作；

④建立微觀領域超顯微硬度和納米壓痕硬度的計量標準和傳遞標準硬度塊，開展相關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量標準裝置，開展相關量值傳遞和溯源工作；

⑥建立特殊環(huán)境下的硬度計量標準裝置，開展相關量值傳遞和溯源工作。

⑦關于硬度測量不確定度的研究，研究性的硬度試驗方法等；

⑧開展國內(nèi)外量值比對、能力驗證、測量審核等工作，培養(yǎng)技術人才隊伍，不斷提升并保持航空工業(yè)硬度量值傳遞能力。