CN109632540A - 一种测量合金钢表层硬度的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种基于超声临界折射纵波来测量合金钢表层硬度的方法。通过研究发射探头与接收探头间距对测量超声临界折射纵波声速的影响，可以确定发射探头与接收探头临界测量间距。考虑到不同热处理标定试件微观组织对超声临界折射纵波声速的影响，超声临界折射纵波声速可以作为材料表层硬度力学性能指标的评价参量。本发明创造性地建立了材料微观组织‑硬度力学性能指标‑超声临界折射纵波声速之间的定量映射关系，从微观组织及晶格畸变程度两个角度解释上述变化关系，具有普适性。采用超声临界折射纵波声速可以无损、定量、快速评价合金钢构件表层硬度力学性能指标，预测误差满足工程应用10％的误差指标要求。

Description

一种测量合金钢表层硬度的方法
技术领域
本发明涉及一种测量合金钢表层硬度的方法。更特别地，本发明涉及基于超声临界折射纵波来测量合金钢表层硬度的方法。
背景技术
在材料实际硬度测量中，通常采用机械压痕的方法测量材料或构件的表层硬度，测量时难免会对材料或构件表面产生不同程度的压痕损伤，同时对材料或构件的表面粗糙度有一定要求，而且测试设备较大，只能在实验室离线测量，对构件尺寸大小也有一定要求，测量时需要制样。
本发明为克服现有测量方法的缺陷，研发出一种全新的测量方法，其结合材料热处理制度，建立材料或构件微观组织-硬度力学性能指标-超声临界折射纵波声速之间的定量映射关系，其中材料微观组织在超声临界折射纵波定量评价合金钢表层硬度中起着纽带作用，进一步解释了超声临界折射纵波声速随合金钢表层硬度的变化关系，为采用超声临界折射纵波声速无损、定量、快速评价合金钢构件表层硬度提供理论依据和实验方法。
发明内容
本发明作为一种合金钢表层硬度超声声速评价的研究方法，主要通过改变超声临界折射纵波发射探头和接收探头的间距，确定超声临界折射纵波声速测量的最佳距离；通过材料热处理制度，制作一组具有不同硬度梯度的标定试件，研究材料不同微观组织对超声临界折射纵波声速测量的影响。
本发明的目的在于提供一种研究测量距离及材料微观组织对超声临界折射纵波声速评价合金钢表层硬度影响的方法。通过研究发射探头与接收探头间距对测量超声临界折射纵波声速的影响，可以确定发射探头与接收探头临界测量间距。考虑到不同热处理标定试件微观组织对超声临界折射纵波声速的影响，超声临界折射纵波声速可以作为材料表层硬度力学性能指标的评价参量。本发明创造性地建立了材料微观组织-硬度力学性能指标-超声临界折射纵波声速之间的定量映射关系，从微观组织及晶格畸变程度两个角度解释上述变化关系，具有普适性。采用超声临界折射纵波声速可以无损、定量、快速评价合金钢构件表层硬度力学性能指标，预测误差满足工程应用10％的误差指标要求。
本发明测量合金钢表层硬度的方法包括如下步骤：
(1)采用相同材料制备一组不同硬度的标定试件；
(2)使用硬度计测量步骤(1)不同标定试件的硬度；
(3)搭建超声临界折射纵波声时测量系统，获得临界折射纵波最佳接收距离；
(4)测量不同标定试件临界折射纵波声时，计算得出临界折射纵波声速；
(5)对材料硬度和临界折射纵波声速进行数据拟合，得到拟合曲线和拟合函数，拟合函数作为临界折射纵波声速评价材料硬度的标定模型；
(6)对标定模型进行验证，直至预测误差满足工程应用误差指标要求；
(7)使用经步骤(6)修正后的标定模型，测量待测材料的硬度。
在优选的实施方式中，步骤(1)中，根据材料过冷奥氏体连续冷却转变曲线(Continuous cooling transformation，CCT)确定材料奥氏体化温度和保温时间，这是制定热处理的依据。依据上述参数，对材料进行退火(Annealing，A)、正火(Normalizing，N)、不同温度回火(Tempering，T)和淬火(Water Quenching，WQ)处理，回火处理包括高温回火、中温回火和低温回火，目的是通过材料的热处理制度，得到一组具有不同硬度的标定试件，为后续标定试验做准备。
在优选的实施方式中，步骤(2)中，采用布氏硬度计测量标定试件布氏硬度，测量5次求其平均值，作为不同热处理标定试件标定试验的参考硬度值。
在优选的实施方式中，步骤(3)中，搭建超声临界折射纵波声时测量系统后，采用双探头法测量临界折射纵波在标定试件上的声时，声时测量精度为纳秒量级。根据公式v＝Δd/Δt计算不同热处理标定试件临界折射纵波声速，通过改变发射探头和接收探头的间距，观察不同测量距离下临界折射纵波声时测量均方根误差和计算声速变化，得到接收临界折射纵波最佳距离，此距离作为声速计算的参考距离，为后续标定试件临界折射纵波声时测量时收发探头间距的选择提供依据。
在优选的实施方式中，步骤(4)中，依据步骤(3)所确定的最佳距离，测量材料不同热处理标定试件临界折射纵波声时，测量3次求其平均值，依据步骤(3)中声速计算公式计算材料不同热处理标定试件临界折射纵波声速，为后续标定试验做准备。
在优选的实施方式中，步骤(5)中，通过对步骤(2)获得的材料不同热处理标定试件参考硬度和步骤(4)获得的临界折射纵波声速进行数据拟合，得到拟合曲线和拟合函数，拟合函数作为临界折射纵波声速评价材料硬度的标定模型。
在优选的实施方式中，步骤(6)中，对步骤(5)中的标定模型进行验证，以相同材质任意热处理试件为验证试件，依据上述方法，测量验证试件临界折射纵波声时，计算相应临界折射纵波声速，代入所建标定模型，得到验证试件的预测硬度，采用布氏硬度计测量验证试件硬度，得到参考硬度，通过预测硬度和参考硬度计算临界折射纵波声速评价材料硬度标定模型的预测误差。如果预测误差超过工程应用10％的误差要求，则要对标定模型进行修正，重新确定拟合函数，直至预测误差满足工程应用误差指标要求，完成标定试验。
在优选的实施方式中，超声临界折射纵波声时测量系统，包括数字示波器01、高精度声时测量系统02、声时分析软件系统03、信号选择器04、50Ω负载05、临界折射纵波发射探头06、被测试件07、以及临界折射纵波接收探头08。
所述系统测量超声临界折射纵波声时的具体过程如下：根据临界折射纵波发射探头06和临界折射纵波接收探头08中心频率，在声时分析软件系统03设置激发信号的频率、周期以及电压输出水平，设置带通数字滤波器低通截止频率和高通截止频率，依据超声临界折射纵波信号位置设置声时测量门信号的位置及宽度，依据探头中心频率设置门信号的扫频范围，设置扫频间隔，高精度声时测量系统02输出高压电信号，经过50Ω负载05分压传输给临界折射纵波发射探头06，发射探头激发出临界折射纵波，临界折射纵波在被测试件07上传播，临界折射纵波接收探头08接收超声波，并将超声波信号转换为电信号传输给高精度声时测量系统02，声时分析软件系统03根据测量门信号自动计算扫频范围内超声临界折射纵波在试件上的传播平均声时及声时测量均方根误差，保存测量声时数据，高精度声时测量系统02通过信号选择器04将测量门信号和接收临界折射纵波信号同步显示在数字示波器上01，根据传播距离及测量声时，计算超声临界折射纵波在被测试件上的传播速度。
改变临界折射纵波发射探头06和临界折射纵波接收探头08的间距，改变被测试件07的热处理方法，重复步骤上述步骤，即可得到测量距离及微观组织对超声临界折射纵波声速评价材料表层硬度的影响，建立超声临界折射纵波声速评价材料表层硬度的标定模型，并对标定模型进行验证。
在相关性分析中，通过扫描电镜观察材料不同热处理标定试件的微观组织，通过XRD测量不同热处理标定试件X射线衍射图谱；采用Jade软件分析X射线衍射图，得到不同热处理标定试件微观组织晶格畸变程度；从微观组织和晶格畸变程度角度解释材料不同热处理标定试件超声临界折射纵波声速随试件布氏硬度的变化关系，可以建立材料微观组织、临界折射纵波声速与布氏硬度的定量映射关系。
附图说明
图1为超声临界折射纵波声时测量系统示意图。
图2为超声临界折射纵波探头在被测试件上的检测位置示意图。
图3(a)-(e)为超声临界折射纵波声速随声程差变化关系图。
图4为超声临界折射纵波声时测量均方根误差随测量距离变化关系图。
图5为超声临界折射纵波声速随45钢热处理制度变化关系图。
图6为超声临界折射纵波声速随45钢硬度标定曲线图。
图7为45钢标定试件硬度和超声临界折射纵波声速随晶格畸变程度变化关系图。
具体实施方式
下面结合说明书附图对本发明的具体技术方案作进一步地描述。
下文将结合附图来对本发明的原理和特征进行描述，所描述的实施例仅用于解释本发明，并不意图对本发明的范围构成任何限定，本发明所要求保护的范围仅通过所附的权利要求来限定。
实施例1
超声临界折射纵波探头检测位置如图2所示，接收探头位置保持不变，接收探头与发射探头初始距离为10mm，采用d0表示，每测量一次，发射探头与接收探头间距增加10mm，最大间距为70mm，依次采用d1、d2、d3、d4、d5、d6表示。超声临界折射纵波声速随声程差变化关系如图3所示，开展了临界折射纵波声速随收发探头间距变化的正交实验，其中v4-3＝(d4-d3)/(t4-t3)为声速变化的临界值，并且其声速最接近超声纵波在钢中的声速。临界折射纵波声时测量均方根误差随测量距离变化关系如图4所示，测量误差先增大后减小，所以选择收发探头相距40mm以上间距测量临界折射纵波声时，通过图3和图4变化关系，最终确定收发探头相距d3＝40mm和d4＝50mm时接收信号声时计算不同热处理试件的临界纵波声速。临界折射纵波声速随45钢热处理制度变化关系如图5所示。临界折射纵波声速随不同热处理45钢试件硬度标定曲线如图6所示。标定试件硬度和临界折射纵波声速随晶格畸变程度变化关系如图7所示。
采用45钢建立标定模型的过程如下：
(1)根据45钢过冷奥氏体连续冷却转变曲线(Continuous coolingtransformation，CCT)，确定其奥氏体化温度为850℃，保温0.5h，依据上述参数，对45钢试件进行退火(annealing，A)、正火(normalizing，N)、淬火(water quenching，WQ)、不同温度回火(tempering，T)，回火保温时间为0.5h，回火处理包括600℃高温回火、400℃中温回火和200℃低温回火，目的是通过45钢热处理制度，改变标定试件的微观组织，得到一组6个具有不同硬度的标定试件，为后续标定试验做准备。
(2)采用布氏硬度计测量45钢不同标定试件的布氏硬度，测量5次求其平均值，作为不同热处理45钢标定试件标定试验的参考硬度值。
(3)搭建高精度超声临界折射纵波声时测量系统，采用双探头法测量临界折射纵波在45钢标定试件上的声时，声时测量精度为纳秒量级。根据公式v＝Δd/Δt计算不同热处理45钢标定试件临界折射纵波声速。通过改变发射探头和接收探头的间距，观察不同测量距离下临界折射纵波声时测量均方根误差和计算声速变化，得到中心频率为2.5MHz时，接收超声临界折射纵波最佳距离为收发探头前沿相距40mm，此距离作为声速计算的参考距离，为后续标定试件临界折射纵波声时测量时收发探头间距的选择提供依据，选择收发探头前沿相距40mm和50mm作为45钢标定试件临界折射纵波声速计算距离，计算公式为v4-3＝(d4-d3)/(t4-t3)，其中d4＝50mm，d3＝40mm，t4和t3分别是d4和d3对应的测量临界折射纵波声时。
(4)依据步骤(3)所确定的45钢标定试件临界折射纵波声时测量时收发探头间距，测量不同热处理45钢标定试件临界折射纵波声时，测量3次求其平均值，依据步骤(3)中声速计算公式计算不同热处理45钢标定试件临界折射纵波声速，为后续标定试验做准备。
(5)根据步骤(2)获得的不同热处理45钢标定试件参考硬度和步骤(4)获得的临界折射纵波声速进行数据拟合，得到拟合曲线和拟合函数。拟合函数为v4-3＝6150.45574-0.35289H，其中H表示45钢标定试件布氏硬度，此拟合函数作为临界折射纵波声速评价45钢硬度的标定模型。
(6)对步骤(5)中的标定模型进行验证，以760℃淬火45钢试件为验证试件。测量验证试件临界折射纵波传播声时，依据上述声速计算方法，计算相应的临界折射纵波声速为6057m/s，代入步骤(5)所建标定模型，得到验证试件的预测硬度为264.8HBW。采用硬度计测量验证试件硬度，得到参考硬度为254HBW。根据预测硬度和参考硬度计算临界折射纵波声速评价45钢硬度预测模型的预测误差为4.25％，预测误差满足工程应用10％的误差指标要求，标定试验完成。
相关性分析如下：
通过扫描电镜观察不同热处理45钢标定试件微观组织，退火试件为铁素体和珠光体组织，正火试件为铁素体和珠光体组织，与退火件相比，珠光体组织含量更高，高温回火试件为索氏体组织，又称调质组织，中温回火试件为屈氏体组织，低温回火试件为回火马氏体组织，淬火试件为片状马氏体组织。通过XRD测量不同热处理45钢标定试件X射线衍射图谱，采用Jade软件分析X射线衍射图，得到不同热处理45钢标定试件微观组织晶格畸变程度。从微观组织和晶格畸变程度角度解释不同热处理45钢标定试件超声临界折射纵波声速随试件布氏硬度的变化关系，建立45钢微观组织、临界折射纵波声速与布氏硬度的定量映射关系。
虽然本发明已经以较佳实施例公开如上，但实施例并不是用来限定本发明的。在不脱离本发明之精神和范围内，所做的任何等效变化或润饰，同样属于本发明之保护范围。因此本发明的保护范围应当以本申请的权利要求所界定的内容为标准。

Claims (9)

1.一种测量合金钢表层硬度的方法，其特征在于：包括如下步骤：
(1)采用相同材料制备一组不同硬度的标定试件；
(2)使用硬度计测量步骤(1)不同标定试件的硬度；
(3)搭建超声临界折射纵波声时测量系统，获得临界折射纵波最佳接收距离；
(4)测量不同标定试件临界折射纵波声时，计算得出临界折射纵波声速；
(5)对材料硬度和临界折射纵波声速进行数据拟合，得到拟合曲线和拟合函数，拟合函数作为临界折射纵波声速评价材料硬度的标定模型；
(6)对标定模型进行验证和修正，直至预测误差满足工程应用误差指标要求；
(7)使用经步骤(6)修正后的标定模型，测量待测材料的硬度。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤(1)中，根据材料过冷奥氏体连续冷却转变曲线确定材料奥氏体化温度和保温时间，对材料进行退火、正火、不同温度回火和淬火处理，回火处理包括高温回火、中温回火和低温回火，得到一组具有不同硬度的标定试件。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于：步骤(2)中，采用布氏硬度计测量标定试件布氏硬度，测量5次求其平均值，作为不同热处理标定试件标定试验的参考硬度值。
4.根据权利要求1至3任一项所述的方法，其特征在于：步骤(3)中，搭建超声临界折射纵波声时测量系统后，采用双探头法测量临界折射纵波在标定试件上的声时，声时测量精度为纳秒量级；根据公式v＝Δd/Δt计算不同热处理标定试件临界折射纵波声速；改变发射探头和接收探头的间距，观察不同测量距离下临界折射纵波声时测量均方根误差和计算声速变化，确定接收临界折射纵波最佳距离，作为声速计算的参考距离。
5.根据权利要求1至4任一项所述的方法，其特征在于：步骤(4)中，依据步骤(3)所确定的最佳距离，测量材料不同热处理标定试件临界折射纵波声时，测量3次求其平均值；依据步骤(3)声速计算公式计算材料不同热处理标定试件临界折射纵波声速，为后续标定试验做准备。
6.根据权利要求1至5任一项所述的方法，其特征在于：步骤(5)中，通过对步骤(2)获得的材料不同热处理标定试件参考硬度和步骤(4)获得的临界折射纵波声速进行数据拟合，得到拟合曲线和拟合函数，拟合函数作为临界折射纵波声速评价材料硬度的标定模型。
7.根据权利要求1至6任一项所述的方法，其特征在于：步骤(6)中，对步骤(5)中的标定模型进行验证，以相同材质任意热处理试件为验证试件，依据上述方法，测量验证试件临界折射纵波声时，计算相应临界折射纵波声速，代入所建标定模型，得到验证试件的预测硬度，采用布氏硬度计测量验证试件硬度，得到参考硬度，通过预测硬度和参考硬度计算临界折射纵波声速评价材料硬度标定模型的预测误差；如果预测误差超过工程应用10％的误差要求，则要对标定模型进行修正，重新确定拟合函数，直至预测误差满足工程应用误差指标要求，完成标定试验。
8.根据权利要求1至7任一项所述的方法，其特征在于：超声临界折射纵波声时测量系统包括数字示波器(01)、高精度声时测量系统(02)、声时分析软件系统(03)、信号选择器(04)、50Ω负载(05)、临界折射纵波发射探头(06)、被测试件(07)、以及临界折射纵波接收探头(08)。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于：根据临界折射纵波发射探头(06)和临界折射纵波接收探头(08)中心频率在声时分析软件(03)设置激发信号的频率，设置激发信号的周期以及电压输出水平，设置带通数字滤波器低通截止频率和高通截止频率，依据超声临界折射纵波信号位置设置声时测量门信号的位置及宽度，依据探头中心频率设置门信号的扫频范围，设置扫频间隔，高精度声时测量系统(02)输出高压电信号，经过50Ω负载(05)分压传输给临界折射纵波发射探头(06)，发射探头激发出临界折射纵波，临界折射纵波在被测试件(07)上传播，临界折射纵波接收探头(08)接收超声波，并将超声波信号转换为电信号传输给高精度声时测量系统(02)，声时分析软件系统(03)根据测量门信号自动计算扫频范围内超声临界折射纵波在试件上的传播平均声时及声时测量均方根误差，保存测量声时数据，高精度声时测量系统(02)通过信号选择器(04)将测量门信号和接收临界折射纵波信号同步显示在数字示波器上(01)，根据传播距离及测量声时，计算超声临界折射纵波在被测试件上的传播速度；通过改变临界折射纵波发射探头(06)和临界折射纵波接收探头(08)间距，改变被测试件(07)热处理方法，重复上述步骤，即可得到测量距离及微观组织对超声临界折射纵波声速评价材料表层硬度的影响，建立超声临界折射纵波声速评价材料表层硬度的标定模型，并对标定模型进行验证。
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何剑锋: "超声回弹综合法在混凝土强度检测中的应用", 《住宅与房地产》 *
门平 等: "测量距离对超声表面波评价不同组织的材料表层硬度的影响", 《中国表面工程》 *

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