專利名稱：一種無損檢測金屬材料噴丸層顯微硬度的方法
技術領域：
本發明涉及一種金屬材料硬度檢測的方法，尤其是涉及一種無損檢測金屬材料噴丸層顯微硬度的方法。
背景技術：
硬度是指材料在另一硬材料壓入表面時，抵抗塑性變形的能力，是材料力學性能的重要指標之一。在工業生產中應用廣泛。傳統的顯微硬度測量首先需要在工件上切割出小試樣，進行鑲樣拋光，然后通過硬質壓頭壓入表面，測量壓痕面積，結合加載載荷計算出材料硬度值。傳統方法受干擾因素較多，如試樣表面是否平整、測試時試樣是否水平、壓痕是否清晰均引起測量值出現偏差。關鍵對被測試樣尺寸有限制，只能檢測小試樣硬度從而代表整體硬度，不能對大型件表面各微觀區域直接測量，測量結果與實際工件部位可能會出現偏差。噴丸強化技術，通過在材料表層引入殘余壓應力以及細化表層微觀組織，可以有效提高金屬工件疲勞性能，目前廣泛應用于工業界。其中殘余應力以及顯微硬度值為噴丸強化效果的兩項重要指標。X射線衍射技術，理論基礎比較嚴謹，實驗技術日漸完善，受試樣表面狀態影響較小，衍射數據準確，測量結果十分可靠。目前，X射線應力儀可以在大型工件表面直接測量殘余應力。而顯微硬度則需要另外制備小試樣在顯微硬度計上進行測量。 如果在測量殘余應力同時，結合衍射結果來表征材料硬度，將更加直接便捷、有效。經對現有技術文獻的檢索發現，M. Furukawa等人在《Acta Materialia, 1996, Vol. 44，No. 11，ρ4619-4629》(材料學報，2003 年，44 卷，第 11 期，第 4619-4629 頁)上發表 “Microhardness measurements and the Hall-Petch relationship in an Al-Mg alloy with submicrometer grain size”論文,研究了 Al-Mg材料中顯微硬度隨晶粒大小的變化規律。發現顯微硬度隨晶粒增大而減小。G. K. Williamson等人在《Acta Metallurgica, 1953，VOL. I,No. I p21_31》(冶金學報，1953 年，I 卷，第 I 期，第 21-31 頁)上發表了“X_ray linebroadening from filed aluminum and wolfram”論文,研究了 X射線衍射半高寬與晶粒大小的關系。發現X射線衍射半高寬隨晶粒增大而變窄。因此，通過建立半高寬與晶粒大小，以及晶粒大小與顯微硬度的關系，從而可以通過X射線衍射結果直接獲得材料顯微硬度值。

發明內容
本發明的目的就是為了克服上述現有技術存在的缺陷而提供一種方便快捷、無需破壞試樣、X射線硬度測量結果可靠性高的無損測量金屬噴丸處理后顯微硬度的方法。本發明的目的可以通過以下技術方案來實現—種無損檢測金屬材料噴丸層顯微硬度的方法包括以下步驟(I)利用氣壓式噴丸機對金屬材料進行噴丸處理，并對該金屬材料噴丸層進行X 射線衍射測量獲取衍射半高寬；
(2)利用傳統顯微硬度測量方法，結合電化學腐蝕剝層技術對噴丸試樣表面顯微硬度進行測量；(3)以衍射半高寬為橫坐標，以顯微硬度為縱坐標，建立半高寬與顯微硬度之間的關系;(4)測量金屬材料不同區域衍射半高寬，通過建立的半高寬與顯微硬度之間的關系，將測量點衍射半高寬代入計算公式中，求出所測點的顯微硬度。所述的噴丸處理中，將原始材料制備成30X10X5mm3試樣，對于低強度材料，噴丸強度應介于O. I O. 2mmA,中等強度材料應介于O. 2 O. 5mmA,而對于超高強度材料,噴丸強度應大于O. 5mmA,噴丸時間30 90秒。所述的進行X射線衍射測量時，依據不同的測試材料選擇高角衍射晶面。其工作原理是，X射線照射在晶體材料表面時，當衍射方向與衍射晶面符合布拉格衍射方程時，相應的衍射峰就會出現加強，衍射線形是由晶體材料的微結構決定，衍射半高寬是衍射線形的一個重要參數。晶粒越大衍射半高寬越窄，在測量過程中通過濾波片過濾Ka2衍射線，確保衍射X射線的單色性，從而保證了測量結果的可靠性。通過衍射峰形直接獲得半高寬。對奧氏鋼體進行X射線衍射測量時，選擇Mn-K α輻射，Fe (311)衍射晶面，Cr濾波片。對普通碳鋼進行X射線衍射測量時，選擇Cr-Ka輻射，Fe(211)衍射晶面，Ni濾波片。所述的電化學剝層技術是在電壓6V，電流IA下，以飽和NaCl溶液為電解質，剝層每次O. Olmm,共十次。與現有技術相比，本發明所提出的無損檢測金屬材料噴丸層顯微硬度的方法，測量誤差小，應該范圍廣，檢測快捷，檢測不需要破壞試樣，可以實地檢測具體區域的顯微硬度，可與殘余應力測量同步進行，對于同一種材料一旦建立起衍射半高寬與顯微硬度之間的關系，對于相同的金屬材料，在同樣的衍射條件下，可以循環使用。


圖I為實例I噴丸后顯微硬度與層深的關系；圖2為實例I噴丸后半高寬與層深的關系；圖3為實例I半高寬與顯微硬度的關系；圖4為實例I利用半高寬計算出的顯微硬度值；圖5為實例I新方法與傳統硬度測量值之間的誤差。
具體實施例方式下面結合附圖和具體實施例對本發明進行詳細說明。實施例I一種無損檢測金屬材料噴丸層顯微硬度的方法包括以下步驟(I)原始材料噴丸處理選擇S30432奧氏體不銹鋼材料，鍛造后經過固熔處理，固熔處理溫度為1100°C后隨爐冷卻至室溫。經過線切割成尺寸為30X20X5mm3。利用氣動式噴丸機，對試樣進行傳統噴丸處理，制備2種不同噴丸強度試樣。在本例中噴丸強度分別為0. 46mmA,0. 69mmA。(2)電化學腐蝕對試樣表層進行腐蝕剝層，每層厚度為O. 01mm，共十次。電化學腐蝕參數為電壓 6V,電流1A，飽和NaCl電解液。(3) X射線衍射譜線利用X射線應力儀采集噴丸處理后不同層深的衍射譜線，具體參數為管電壓 30Kv，管電流25mmA，Cr濾波片，Mn-Ka輻射，Fe (311)衍射晶面。通過衍射譜線獲得不同層深顯微硬度和半高寬數值，如圖I和圖2所示。(4)建立顯微硬度與半高寬關系利用顯微硬度計測量噴丸強度為O. 46mmA試樣顯微硬度，具體參數為載荷 1.98N，載荷保持時間15S。以不同層深半高寬為橫坐標，對應不同層深顯微硬度為縱坐標建立相應關系。如圖3所示為S30432奧氏體不銹鋼顯微硬度與半高寬之間的關系。(5)通過測量半高寬計算顯微硬度利用已知半高寬與顯微硬度的關系，計算噴丸強度為O. 46+0. 23mmA腐蝕層顯微硬度。圖4為計算出的顯微硬度與傳統方法所測顯微硬度。測量結果表明，利用衍射法測量的顯微硬度與傳統顯微硬度測量值之間的誤差較小，圖5為本例中兩者之間的誤差。與傳統顯微硬度測量相比較，X射線無損檢測材料顯微硬度可應用在金屬材料噴丸層顯微硬度表征上，優勢明顯，具有同步方便快捷，結果可信度聞。實施例2一種無損檢測金屬材料噴丸層顯微硬度的方法包括以下步驟(I)原始材料噴丸處理選擇普通碳鋼材料，鍛造后經過固熔處理，固熔處理溫度為1100°C后隨爐冷卻至室溫。經過線切割成尺寸為30X20X5mm3。利用氣動式噴丸機，對試樣進行傳統噴丸處理，制備2種不同噴丸強度試樣。在本例中噴丸強度分別為0. 46mmA,0. 69mmA。(2)電化學腐蝕對試樣表層進行腐蝕剝層，每層厚度為O. Olmm,共十次。電化學腐蝕參數為電壓 6V,電流1A，飽和NaCl電解液。(3) X射線衍射譜線利用X射線應力儀采集噴丸處理后不同層深的衍射譜線，具體參數為管電壓 30Kv，管電流25mmA，Ni濾波片，Cr-Ka輻射，Fe (211)衍射晶面。通過衍射譜線獲得不同層深顯微硬度和半高寬數值。(4)建立顯微硬度與半高寬關系利用顯微硬度計測量噴丸強度為O. 46mmA試樣顯微硬度，具體參數為載荷 1.98N，載荷保持時間15S。以不同層深半高寬為橫坐標，對應不同層深顯微硬度為縱坐標建立相應關系。(5)通過測量半高寬計算顯微硬度利用已知半高寬與顯微硬度的關系，計算噴丸強度為O. 46+0. 23mmA腐蝕層顯微硬度。
測量結果表明，利用衍射法測量的顯微硬度與傳統顯微硬度測量值之間的誤差較小。與傳統顯微硬度測量相比較，X射線無損檢測材料顯微硬度可應用在金屬材料噴丸層顯微硬度表征上，優勢明顯，具有同步方便快捷，結果可信度高。
權利要求
1.一種無損檢測金屬材料噴丸層顯微硬度的方法，其特征在于，該方法包括以下步驟(1)利用氣壓式噴丸機對金屬材料進行噴丸處理，并對該金屬材料噴丸層進行X射線衍射測量獲取衍射半高寬；(2)利用顯微硬度測量方法，結合電化學剝層技術對噴丸試樣表面顯微硬度進行測(3)以衍射半高寬為橫坐標，以顯微硬度為縱坐標，建立半高寬與顯微硬度之間的關(4)測量金屬材料不同區域衍射半高寬，通過建立的半高寬與顯微硬度之間的關系，即可得到所測點的顯微硬度。
2.根據權利要求I所述的一種無損檢測金屬材料噴丸層顯微硬度的方法，其特征在于，噴丸處理中，對于低強度材料，噴丸強度介于O. I O. 2mmA,中等強度材料介于O. 2 O.5mmA,對于超高強度材料,噴丸強度大于O. 5mmA,噴丸時間30 90秒。
3.根據權利要求I所述的一種無損檢測金屬材料噴丸層顯微硬度的方法，其特征在于，進行X射線衍射測量時，依據不同的測試材料選擇高角衍射晶面。
4.根據權利要求3所述的一種無損檢測金屬材料噴丸層顯微硬度的方法，其特征在于，對奧氏鋼體進行X射線衍射測量時，選擇Mn-Ka輻射，Fe(311)衍射晶面，Cr濾波片。
5.根據權利要求3所述的一種無損檢測金屬材料噴丸層顯微硬度的方法，其特征在于，對普通碳鋼進行X射線衍射測量時，選擇Cr-Ka輻射，Fe(211)衍射晶面，Ni濾波片。
6.根據權利要求I所述的一種無損檢測金屬材料噴丸層顯微硬度的方法，其特征在于，所述的電化學剝層技術是在電壓6V，電流IA下，以飽和NaCl溶液為電解質，剝層每次O.Olmm,共十次。
全文摘要
本發明涉及一種無損檢測金屬材料噴丸層顯微硬度的方法，對金屬材料進行噴丸處理，對噴丸層進行X射線衍射測量獲取衍射半高寬，利用傳統顯微硬度測量方法對噴丸試樣表面顯微硬度進行測量，以衍射半高寬為橫坐標，以顯微硬度為縱坐標，建立半高寬與顯微硬度之間的關系，測量金屬材料不同區域衍射半高寬，將測量點衍射半高寬代入半高寬與顯微硬度之間的計算公式中，求出所測點的顯微硬度。與現有技術相比，本方法測量誤差小，應該范圍廣，檢測快捷，檢測不需要破壞試樣，可以實地檢測具體區域的顯微硬度，可與殘余應力測量同步進行。
文檔編號G01N23/20GK102590249SQ20121000760
公開日2012年7月18日 申請日期2012年1月11日 優先權日2012年1月11日
發明者馮強, 吳雪艷, 姜傳海, 詹科, 謝樂春 申請人:上海交通大學