一种新型无接触无损测量材料硬度的方法技术

本发明专利技术涉及一种新型无接触无损测试材料硬度的方法，该技术要点是，以强度为0.50+0.30+0.15mmA喷丸处理后的GCr15钢为研究对象，其表面具有较大的残余压应力和细化的组织结构，在高温退火时组织结构也会回复，实际可通过FWHM变化来间接表达组织结构的变化，同时残余压应力也会减小，并引起表面硬度的降低。通过不同温度下FWHM和残余应力随退火时间的变化趋势，建立不同退火温度下材料表面硬度与FWHM及残余应力的关系式。在对相同材料的硬度测试时，只需通过XRD技术测量对应的FWHM和残余应力大小，结合得到的关系式，即可计算得到硬度值。此方法为XRD测试技术的延伸，测试中不与试样接触，属于完全无损测试，不但便捷而且更有效。可以广泛应用于金属材料硬度的测量。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及的是采用X射线衍射(XRD)技术来测量金属材料的硬度，可用于金属材料或零部件表面硬度无接触无损测量领域。
技术介绍
为建立材料微观组织结构和残余应力与硬度之间的关系，本方法采用了具有微观组织结构和残余应力梯度变化都较大的喷丸件表层进行技术表征。喷丸是用大量高速的弹丸连续冲击材料表面，在材料表层产生较大的残余压应力，并使得表层晶粒尺寸变小，显微畸变增大，残余压应力以及微观组织结构的改变在表面形成硬化层，两者都对材料喷丸层硬度有所贡献，起到良好的强化效果。一般情况下，在高温下退火时，喷丸层的残余应力及微观组织结构都会发生变化，并因此带来硬度的变化，通过建立三者之间的变化关系，可实现对硬度的精确表征。通常，测量喷丸层硬度都采用传统压痕法，即通过硬度仪压头在表面留下的压痕面积、深度或大小等来判断硬度的大小。但此测试过程产生的压痕会对材料或器件(尤其是正在使用中的零部件以及厚度、体积较小的零部件)本身造成损害，甚至失效。为避免此类不利现象的出现，本专利采取XRD测试技术，设计了一种无接触无损的硬度检测方法，尤其适合具有较大残余压应力和微观组织结构变化的材料硬度的测量。XRD测试硬度技术要点是，建立材料样品喷丸表面不同温度下XRD衍射峰半高宽(FWHM)、残余应力与硬度之间的关系式：第一，利用XRD技术测试样品喷丸表面不同温度下FWHM随退火时间的变化关系，并测量不同温度下退火不同时间后的硬度值，建立不同温度下样品喷丸表面FWHM与其硬度之间的关系式，由于FWHM是与微观组织结构(主要是晶块尺寸和微观畸变)有关的量，即相当于建立了材料表面微观组织结构与其硬度之间的关系式；第二，利用XRD应力测试技术，测试不同温度下样品喷丸表面的残余压应力随退火时间的变化关系，对第一步得到的FWHM与硬度之间的关系式进行修正，得到残余压应力对硬度贡献的量化关系。通过建立不同材料喷丸层FWHM、残余压应力和硬度之间的关系式，在后续测量相同材料硬度过程中，只需通过XRD技术得到此材料FWHM和残余压应力的数值，即可准确表征此种材料或零部件喷丸层硬度的大小。此方法不但便捷有效而且属于完全无接触无损检测，可完全避免硬度测量对材料或器件的破坏。本专利技术的专利技术目的是克服传统硬度测量方法的不足，提供一种既能准确表征材料硬度的方法，又能完全避免被测材料破坏的新型硬度测试技术。
技术实现思路
本专利技术提供了一种无接触无损测量喷丸层硬度的新型技术，在准确表征喷丸层硬度同时，还可以完全避免对测试材料的损坏。本专利技术是通过以下技术方案实现的，具体步骤、工作过程和原理如下：(1)选取GCr15钢作为原始材料制备成30×10×5mm3试样，利用气压式喷丸机对试样进行复合喷丸处理，复合喷丸工艺包括三道工序，第一道工序喷丸强度为0.50mmA，第二道工序喷丸强度为0.30mmA，两次喷丸的弹丸介质不变(铸钢丸，直径为0.6mm)，第三道工序喷丸强度为0.15mmA，第三次喷丸的弹丸介质为陶瓷丸，粒径更小(直径为0.3mm)，经过三道工序喷丸后的样品表面具有较大的残余压应力和细化的微观组织结构。(2)建立残余应力与退火温度和时间的关系喷丸后的样品在不同温度下进行退火处理，在一定温度下，随时间的延长，残余压应力会逐渐减小，根据XRD测试应力方法可得到不同温度下残余压应力随时间的变化关系，其测试原理是，利用X衍射应力分析测量方法，为了与残余应力测量相配套，选择Fe(211)衍射晶面，X射线弹性常数为S2/2＝5.92×10-6MPa-1及S1＝-1.28×10-6MPa-1，在2θ范围内确保衍射峰完整。利用不同温度下退火时间为横坐标以及已测对应的残余压应力为纵坐标，建立残余应力与退火时间之间的关系。(3)材料X射线衍射，获取衍射线形，建立FWHM与退火时间的关系。利用和第(2)步一样的退火过程，利用XRD测试方法获取衍射线形，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。根据测试材料的衍射谱线，选择Fe(211)衍射晶面。具体测试参数为：管电压：40Kv，管电流：30mmA，Cu-Kα辐射，用Ni为滤波片，以确保衍射X射线的单色性，扫描步长和速度分别设置为0.01°和2°/min，从而保证了测量结果的可靠性。通过衍射峰形直接获得FWHM，利用不同温度退火时衍射峰FWHM，间接表征材料的不同温度下喷丸表面组织结构随退火时间之间的关系。(4)建立不同退火温度下材料表面硬度与退火时间之间的关系其工作原理是，采用DHV-1000型显微硬度计，根据自带的压痕图象分析软件，测量不同温度下喷丸表面显微硬度随退火时间的变化关系，测试条件为：施加载荷50g，保持载荷时间15s，在表面随机测量3个点的显微硬度，最后取其平均值进行表征。(5)建立不同退火温度下材料表面XRD峰线FWHM与硬度之间的关系其工作原理是，利用第(3)步和第(4)步测试的不同温度下FWHM和硬度值，建立不同退火温度下材料表面XRD峰线FWHM与硬度之间的关系式，比较不同退火温度下硬度与FWHM之间的关系，来间接说明组织结构对喷丸表面硬度的贡献。(6)建立不同退火温度下材料喷丸表面硬度与FWHM及残余应力的关系通过对比高温和低温退火时硬度与FWHM之间的关系，对不同温度下残余应力对硬度的贡献进行解释，并对FWHM与硬度之间的关系式进行修正，在式中引入残余应力，即间接说明组织结构和残余应力对硬度的大小都有贡献，并建立材料喷丸表面硬度与FWHM及残余应力的精确关系式。在对相同材料硬度测试时，只需通过XRD技术测量对应的FWHM和残余应力大小，结合得到的关系式，即可得到硬度值。本专利技术的有益效果是：本专利技术所提出的无接触无损检测硬度的方法，可完全消除传统硬度测试方法对材料的损害。与传统喷丸技术相比，对于测试硬度后的材料尤其是成品零部件的使用性能完全没有影响。附图说明图1：退火过程中GCr15钢喷丸表面Fe(211)面FWHM随时间的变化图2：不同温度下GCr15钢表面残余应力随退火时间的变化图3：不同温度下GCr15钢退火时喷丸表面显微硬度随时间的变化图4：不同温度退火时GCr15钢喷丸表面硬度随FWHM的变化具体实施方式结合本专利技术的内容提供以下实施例：(1)原始材料喷丸处理选择牌号为GCr15钢，热处理工艺：在840℃加热15min后油淬，在200℃保持120min退火。经过线切割成尺寸为：30×20×5mm3。利用气动式喷丸机，对试样进行复合喷丸处理，喷丸工艺包括三道工序：第一道工序喷丸强度为0.50mmA，第二道工序喷丸强度为0.30mmA，两次喷丸的弹丸介质不变(铸钢丸，直径为0.6mm)，第三道工序喷丸强度为0.15mmA，第三次喷丸的弹丸介质为陶瓷丸，粒径更小(直径为0.3mm)。(2)退火处理对试样在不同温度下进行退火，退火温度分别为：300℃、400℃、500℃和600℃，保温时间从0-120min之间变化。(3)X射线衍射谱线采集利用X射线衍射仪采集不同退火温度和时间的喷丸表面衍射谱线，管电压：40Kv，管电流：30mmA，Cu-Kα辐射，用Ni为滤波片，以确保衍射X射线的单色性，扫描步长和速本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种新型无接触无损测试材料硬度的方法，其特征是采用XRD方法测试相应衍射面FWHM及残余应力来表征材料的硬度。其中，利用FWHM来表示微观组织结构对材料硬度的贡献；在利用残余应力表征硬度值时，只用其数值，不考虑其计量单位。

【技术特征摘要】
1.一种新型无接触无损测试材料硬度的方法，其特征是采用XRD方法测试相应衍射面FWHM及残余应力来表征材料的硬度。其中，利用FWHM来表示微观组织结构对材料硬度的贡献；在利用残余应力表征硬度值时，只用其数值，不考虑其计量单位。2.根据权利要求1所述，首先建立材料残余应力与退火温度和时间的关系，喷丸后的样品在不同温度下进行退火处理，在一定温度下，随时间的延长，残余压应力会逐渐减小，根据XRD测试应力方法可得到不同温度下残余压应力随时间的变化关系，其测试原理是，利用X衍射应力分析测量方法，为了与残余应力测量相配套，选择Fe(211)衍射晶面，X射线弹性常数为S2/2＝5.92×10-6MPa-1及S1＝-1.28×10-6MPa-1，在2θ范围内确保衍射峰完整。测定不同温度下退火时间对应的残余压应力，建立残余应力与退火温度和时间之间的变化关系。3.根据权利要求1所述，还需通过XRD测试技术获取衍射线形，建立FWHM与退火时间的关系。利用和权利要求2所述一样的退火过程，利用XRD测试方法获取衍射线形，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。根据测试材料的衍射谱线，选择Fe(211)衍射晶面。具体测试参数为：管电压：40Kv，管电流：30mmA，Cu-Kα辐射，用Ni为滤波片，以确保衍射X射线的单色性，扫描步长和速度分别设置为0.01°和2°/min，从而保证了测量结果的可靠性。通过衍射峰形可获得F...

【专利技术属性】
技术研发人员：付鹏，徐志军，初瑞清，李伟，黄宝绪，王长征，
申请(专利权)人：聊城大学，
类型：发明
国别省市：山东;37