CN102590249A - 一种无损检测金属材料喷丸层显微硬度的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种无损检测金属材料喷丸层显微硬度的方法，对金属材料进行喷丸处理，对喷丸层进行X射线衍射测量获取衍射半高宽，利用传统显微硬度测量方法对喷丸试样表面显微硬度进行测量，以衍射半高宽为横坐标，以显微硬度为纵坐标，建立半高宽与显微硬度之间的关系，测量金属材料不同区域衍射半高宽，将测量点衍射半高宽代入半高宽与显微硬度之间的计算公式中，求出所测点的显微硬度。与现有技术相比，本方法测量误差小，应该范围广，检测快捷，检测不需要破坏试样，可以实地检测具体区域的显微硬度，可与残余应力测量同步进行。
Description
技术领域
本发明涉及一种金属材料硬度检测的方法，尤其是涉及一种无损检测金属材料喷丸层显微硬度的方法。
背景技术
硬度是指材料在另一硬材料压入表面时，抵抗塑性变形的能力，是材料力学性能的重要指标之一。在工业生产中应用广泛。传统的显微硬度测量首先需要在工件上切割出小试样，进行镶样抛光，然后通过硬质压头压入表面，测量压痕面积，结合加载载荷计算出材料硬度值。传统方法受干扰因素较多，如试样表面是否平整、测试时试样是否水平、压痕是否清晰均引起测量值出现偏差。关键对被测试样尺寸有限制，只能检测小试样硬度从而代表整体硬度，不能对大型件表面各微观区域直接测量，测量结果与实际工件部位可能会出现偏差。
喷丸强化技术，通过在材料表层引入残余压应力以及细化表层微观组织，可以有效提高金属工件疲劳性能，目前广泛应用于工业界。其中残余应力以及显微硬度值为喷丸强化效果的两项重要指标。X射线衍射技术，理论基础比较严谨，实验技术日渐完善，受试样表面状态影响较小，衍射数据准确，测量结果十分可靠。目前，X射线应力仪可以在大型工件表面直接测量残余应力。而显微硬度则需要另外制备小试样在显微硬度计上进行测量。如果在测量残余应力同时，结合衍射结果来表征材料硬度，将更加直接便捷、有效。
经对现有技术文献的检索发现，M.Furukawa等人在《Acta Materialia，1996，Vol.44，No.11，p4619-4629》(材料学报，2003年，44卷，第11期，第4619-4629页)上发表“Microhardness measurements and the Hall-Petch relationship in an Al-Mg alloy with submicrometergrain size”论文，研究了Al-Mg材料中显微硬度随晶粒大小的变化规律。发现显微硬度随晶粒增大而减小。G.K.Williamson等人在《Acta Metallurgica，1953，VOL.1，No.1 p21-31》(冶金学报，1953年，1卷，第1期，第21-31页)上发表了“X-ray linebroadening from filed aluminum and wolfram”论文，研究了X射线衍射半高宽与晶粒大小的关系。发现X射线衍射半高宽随晶粒增大而变窄。因此，通过建立半高宽与晶粒大小，以及晶粒大小与显微硬度的关系，从而可以通过X射线衍射结果直接获得材料显微硬度值。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种方便快捷、无需破坏试样、X射线硬度测量结果可靠性高的无损测量金属喷丸处理后显微硬度的方法。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
一种无损检测金属材料喷丸层显微硬度的方法包括以下步骤：
(1)利用气压式喷丸机对金属材料进行喷丸处理，并对该金属材料喷丸层进行X射线衍射测量获取衍射半高宽；
(2)利用传统显微硬度测量方法，结合电化学腐蚀剥层技术对喷丸试样表面显微硬度进行测量；
(3)以衍射半高宽为横坐标，以显微硬度为纵坐标，建立半高宽与显微硬度之间的关系；
(4)测量金属材料不同区域衍射半高宽，通过建立的半高宽与显微硬度之间的关系，将测量点衍射半高宽代入计算公式中，求出所测点的显微硬度。
所述的喷丸处理中，将原始材料制备成30×10×5mm3试样，对于低强度材料，喷丸强度应介于0.1～0.2mmA，中等强度材料应介于0.2～0.5mmA，而对于超高强度材料，喷丸强度应大于0.5mmA，喷丸时间30～90秒。
所述的进行X射线衍射测量时，依据不同的测试材料选择高角衍射晶面。其工作原理是，X射线照射在晶体材料表面时，当衍射方向与衍射晶面符合布拉格衍射方程时，相应的衍射峰就会出现加强，衍射线形是由晶体材料的微结构决定，衍射半高宽是衍射线形的一个重要参数。晶粒越大衍射半高宽越窄，在测量过程中通过滤波片过滤Ka2衍射线，确保衍射X射线的单色性，从而保证了测量结果的可靠性。通过衍射峰形直接获得半高宽。
对奥氏钢体进行X射线衍射测量时，选择Mn-Kα辐射，Fe(311)衍射晶面，Cr滤波片。
对普通碳钢进行X射线衍射测量时，选择Cr-Kα辐射，Fe(211)衍射晶面，Ni滤波片。
所述的电化学剥层技术是在电压6V，电流1A下，以饱和NaCl溶液为电解质，剥层每次0.01mm，共十次。
与现有技术相比，本发明所提出的无损检测金属材料喷丸层显微硬度的方法，测量误差小，应该范围广，检测快捷，检测不需要破坏试样，可以实地检测具体区域的显微硬度，可与残余应力测量同步进行，对于同一种材料一旦建立起衍射半高宽与显微硬度之间的关系，对于相同的金属材料，在同样的衍射条件下，可以循环使用。
附图说明
图1为实例1喷丸后显微硬度与层深的关系；
图2为实例1喷丸后半高宽与层深的关系；
图3为实例1半高宽与显微硬度的关系；
图4为实例1利用半高宽计算出的显微硬度值；
图5为实例1新方法与传统硬度测量值之间的误差。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。
实施例1
一种无损检测金属材料喷丸层显微硬度的方法包括以下步骤：
(1)原始材料喷丸处理
选择S30432奥氏体不锈钢材料，锻造后经过固熔处理，固熔处理温度为1100℃后随炉冷却至室温。经过线切割成尺寸为：30×20×5mm3。利用气动式喷丸机，对试样进行传统喷丸处理，制备2种不同喷丸强度试样。在本例中喷丸强度分别为：0.46mmA，0.69mmA。
(2)电化学腐蚀
对试样表层进行腐蚀剥层，每层厚度为0.01mm，共十次。电化学腐蚀参数为：电压6V，电流1A，饱和NaCl电解液。
(3)X射线衍射谱线
利用X射线应力仪采集喷丸处理后不同层深的衍射谱线，具体参数为：管电压：30Kv，管电流：25mmA，Cr滤波片，Mn-Kα辐射，Fe(311)衍射晶面。通过衍射谱线获得不同层深显微硬度和半高宽数值，如图1和图2所示。
(4)建立显微硬度与半高宽关系
利用显微硬度计测量喷丸强度为0.46mmA试样显微硬度，具体参数为：载荷1.98N，载荷保持时间：15S。以不同层深半高宽为横坐标，对应不同层深显微硬度为纵坐标建立相应关系。如图3所示为S30432奥氏体不锈钢显微硬度与半高宽之间的关系。
(5)通过测量半高宽计算显微硬度
利用已知半高宽与显微硬度的关系，计算喷丸强度为0.46+0.23mmA腐蚀层显微硬度。图4为计算出的显微硬度与传统方法所测显微硬度。
测量结果表明，利用衍射法测量的显微硬度与传统显微硬度测量值之间的误差较小，图5为本例中两者之间的误差。与传统显微硬度测量相比较，X射线无损检测材料显微硬度可应用在金属材料喷丸层显微硬度表征上，优势明显，具有同步方便快捷，结果可信度高。
实施例2
一种无损检测金属材料喷丸层显微硬度的方法包括以下步骤：
(1)原始材料喷丸处理
选择普通碳钢材料，锻造后经过固熔处理，固熔处理温度为1100℃后随炉冷却至室温。经过线切割成尺寸为：30×20×5mm3。利用气动式喷丸机，对试样进行传统喷丸处理，制备2种不同喷丸强度试样。在本例中喷丸强度分别为：0.46mmA，0.69mmA。
(2)电化学腐蚀
对试样表层进行腐蚀剥层，每层厚度为0.01mm，共十次。电化学腐蚀参数为：电压6V，电流1A，饱和NaCl电解液。
(3)X射线衍射谱线
利用X射线应力仪采集喷丸处理后不同层深的衍射谱线，具体参数为：管电压：30Kv，管电流：25mmA，Ni滤波片，Cr-Kα辐射，Fe(211)衍射晶面。通过衍射谱线获得不同层深显微硬度和半高宽数值。
(4)建立显微硬度与半高宽关系
利用显微硬度计测量喷丸强度为0.46mmA试样显微硬度，具体参数为：载荷1.98N，载荷保持时间：15S。以不同层深半高宽为横坐标，对应不同层深显微硬度为纵坐标建立相应关系。
(5)通过测量半高宽计算显微硬度
利用已知半高宽与显微硬度的关系，计算喷丸强度为0.46+0.23mmA腐蚀层显微硬度。
测量结果表明，利用衍射法测量的显微硬度与传统显微硬度测量值之间的误差较小。与传统显微硬度测量相比较，X射线无损检测材料显微硬度可应用在金属材料喷丸层显微硬度表征上，优势明显，具有同步方便快捷，结果可信度高。
Claims (6)
1.一种无损检测金属材料喷丸层显微硬度的方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
(1)利用气压式喷丸机对金属材料进行喷丸处理，并对该金属材料喷丸层进行X射线衍射测量获取衍射半高宽；
(2)利用显微硬度测量方法，结合电化学剥层技术对喷丸试样表面显微硬度进行测量；
(3)以衍射半高宽为横坐标，以显微硬度为纵坐标，建立半高宽与显微硬度之间的关系；
(4)测量金属材料不同区域衍射半高宽，通过建立的半高宽与显微硬度之间的关系，即可得到所测点的显微硬度。
2.根据权利要求1所述的一种无损检测金属材料喷丸层显微硬度的方法，其特征在于，喷丸处理中，对于低强度材料，喷丸强度介于0.1～0.2mmA，中等强度材料介于0.2～0.5mmA，对于超高强度材料，喷丸强度大于0.5mmA，喷丸时间30～90秒。
3.根据权利要求1所述的一种无损检测金属材料喷丸层显微硬度的方法，其特征在于，进行X射线衍射测量时，依据不同的测试材料选择高角衍射晶面。
4.根据权利要求3所述的一种无损检测金属材料喷丸层显微硬度的方法，其特征在于，对奥氏钢体进行X射线衍射测量时，选择Mn-Kα辐射，Fe(311)衍射晶面，Cr滤波片。
5.根据权利要求3所述的一种无损检测金属材料喷丸层显微硬度的方法，其特征在于，对普通碳钢进行X射线衍射测量时，选择Cr-Kα辐射，Fe(211)衍射晶面，Ni滤波片。
6.根据权利要求1所述的一种无损检测金属材料喷丸层显微硬度的方法，其特征在于，所述的电化学剥层技术是在电压6V，电流1A下，以饱和NaCl溶液为电解质，剥层每次0.01mm，共十次。
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