北京时代之峰:硬度技术在航空工程中的应用及发展

(1)硬度计量的应用服务领域

航空工程领域中，硬度计量具有重要地位。下面列出硬度计量的几个典型应用。

烧伤是飞机结构损伤的主要形式之一，对火烧飞机结构件的检测最常用的方法是硬度测定法。通常根据烧伤构件的实际情况，使用布氏、里氏、洛氏等硬度试验代替强度性能测试以确定热损伤部位和热损伤范围。另外，作为飞机的蒙皮材料，为保障航空飞行器的高效、安全。需测定相关合金材料的维氏硬度、疲劳寿命等随热暴露时间的变化，以研究热暴露对合金组织演变及疲劳性能的影响。

在航空发动机的校准中，发动机部件的声波疲劳检测是一项重要内容，而材料的声波疲劳过程与材料的显微硬度变化呈现有一定的规律。通过对显微硬度压痕的弹塑性分析，能够获得发动机部件的材料特征，如弹性、滞弹性、塑性、韧性和断裂性能等。另外，航空发动机固体润滑材料润滑值得直接测量十分困难，通常借助维氏硬度这一间接测量手段来确定材料中固体氧化物的润滑成分，从而获得材料的润滑值。对于特种耐低温航空橡胶材料，需进行邵氏硬度、脆性温度、压缩耐寒系数、拉伸强度等试验，以解决橡胶材料的耐寒性与耐油性的平衡问题。

随着现代材料表面工程气相沉积、溅射、离子注入、高能束表面改性、热喷涂等材料的发展，试样本身或表面改性层厚度越来越小，涂层及脆硬件硬度的测试需求越来越广，例如，航空航天领域中飞机叶片等部件表面喷涂后的镀膜件、飞机座舱内安全带扣表面的镀膜材料，电子控制产品部件中的离子注入层、金属减震件的镀膜层，开关部件中导电材料的镀膜件等的硬度参数都只能通过超显微的硬度测量才可获得。

在航空、航天等微电子系统领域，传感器等微构件的弹性系数影响甚至决定其静态和动态力学特征，这在某种程度上就需要更加精确地测试和评定微构件的力学特征的方法，通常采用的方法如双轴弯折法、单轴拉伸法、谐振法等很难得到材料特性的准确值，而使用纳米硬度试验可以方便地对微悬臂梁进行弯曲形变研究并确定其弹性模量。

(2)硬度计量技术领域中普遍关注的热点技术

①马氏硬度、超显微硬度和纳米硬度的校准技术

超薄、超轻、超硬等材料是武器装备研制生产不断追求的目标，涂层、镀膜、漆膜等材料是世界武器装备必不可少的应用材料，因而各国都在此领域持续开展着相关研究工作，美国在设计和有效使用上居全面领先地位，日本在高温复合材料，法国在陶瓷复合材料，英国和日本在碳纤维技术及应用中代表着国际领先水平。到2010年塑料及其复合材料已占用军用结构材料的75%，军用材料已陆续经历并全面实现了轻质铝合金、塑料及其复合材料的成熟与先进时代，并且在未来发展的规划中，世界各国依然将更新一袋的符合材料的研制技术作为发展的研究方向。

随着各种新材料的不断出现和研制需要，硬度作为了解和评价材料特性的关键参数和重要手段始终在材料领域扮演着重要角色并同步发展着相关技术，马氏硬度、超显微硬度和纳米硬度分别是有效评价黑色金属和有色金属，超薄、超轻等脆硬性材料，以及镀层、漆膜、涂层等材料的硬度特征与韧性、断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据，所以各国都在快速发展着这几项新兴硬度试验手段，并作为前沿技术开展着相关校准技术研究工作，美国、德国、意大利和日本在此领域居世界领先地位。

②压头微形貌几何参数校准技术

压头是所有硬度试验必不可少的关键环节，直接影响测量结果的准确性，因而如何保证压头几何参数的精准再精准，将其对硬度测量结果的影响降低到最小，或是准确找到它们之间的对应关系是各国致力研究的方向。美国NIST在此领域研究较为深入，并致力于建立压头基准的概念，各国也都在开展着相关研究及比对工作。

③现场及高、低温条件下的硬度校准技术

随着硬度计量多元化发展，各国都在根据自身需求，努力发展着现场在线实用计量校准技术，从而获得更为有价值、有意义的评价参数和数据，如针对塑料、橡胶等非金属材料出现了邵氏硬度，针对复合材料出现了巴氏硬度，针对铝合金材料出现了韦氏硬度，针对大型和小型复杂形貌对象出现了超声波硬度，针对高低温特性需求出现了高低温硬度等多种现场校准方式，并伴随着新的生产工艺的不断涌现而不断的出现新的硬度评价与测量手段。

为适应我国航空工程型号的研究发展需求，当前在航空计量硬度专业的发展建设主要集中于一下几个方面：

①持续提升既有硬度计量标准的综合技术能力，健全完善硬度计量体系;

②提升压头微形貌几何参数综合校准技术能力，开展其与硬度特性的相关科研工作;

③建立满足国际洛氏硬度新定义的硬度最高标准，开展新一代洛氏硬度量传工作;

④建立微观领域超显微硬度和纳米压痕硬度的计量标准和传递标准硬度块，开展相关量值传递和溯源工作;

⑤建立仪器化压痕硬度和马氏硬度等计量标准装置，开展相关量值传递和溯源工作;

⑥建立特殊环境下的硬度计量标准装置，开展相关量值传递和溯源工作。

⑦关于硬度测量不确定度的研究，研究性的硬度试验方法等;

⑧开展国内外量值比对、能力验证、测量审核等工作，培养技术人才队伍，不断提升并保持航空工业硬度量值传递能力。