專利名稱：鋼鐵表面硬化層深度檢測方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種材料的非接觸無損檢測方法，具體涉及一種對硬化鋼鐵的表面硬化層深度輪廓進(jìn)行無損檢測的方法。

背景技術(shù)：
通過各種熱處理或機(jī)械處理方法，例如滲碳淬火、碳氮共滲、噴鍍等等，可以在鋼鐵表面形成硬化層。一個硬化的鋼鐵樣品可以認(rèn)為是一個不均勻的系統(tǒng)，包括一個不均勻?qū)?硬化層)和一個基底層(未硬化核心層)。不均勻?qū)拥奈锢硇再|(zhì)參數(shù)，如顯微硬度，熱導(dǎo)率，熱擴(kuò)散系數(shù)，都是深度的函數(shù)，沿深度方向有不同的分布。
為檢測表面硬化層的深度，現(xiàn)有技術(shù)中，通常采用顯微組織測量法或者顯微硬度測量法。顯微組織測量法通過對樣品切開截面，沿深度方向逐點(diǎn)進(jìn)行顯微觀測實(shí)現(xiàn)測量，該方法需要通過截取樣品進(jìn)行，是破壞性的，不能適用于具有無損檢測要求的場合，且非常耗時；顯微硬度測量法例如維氏顯微硬度測量則通過加以微小載荷并通過顯微鏡觀察壓痕計算硬度，該方法亦會對材料表面造成損傷，并且，不易獲得表面硬化層深度輪廓的確切數(shù)據(jù)。
因此，如何通過無損檢測的方法，實(shí)現(xiàn)對鋼鐵表面硬化層深度輪廓的檢測，是本領(lǐng)域技術(shù)人員正在研究的問題。
光熱輻射技術(shù)(PTR)是一種測量材料熱物理性質(zhì)非常有效的無損檢測方法。光熱輻射技術(shù)的基本原理是，當(dāng)一束被調(diào)制的激光照射被測樣品，樣品吸收光能量后，探測其表面發(fā)射出的熱輻射量，此時，樣品的熱輻射隨著調(diào)制光的頻率而發(fā)生變化。光熱輻射技術(shù)的重要應(yīng)用之一是對材料熱物理性質(zhì)的非破壞性測量，和基于熱擴(kuò)散深度(熱探針)的特性，通過對入射能量的頻率掃描，對復(fù)合結(jié)構(gòu)或熱性質(zhì)不均勻材料的表面或幾毫米深的近表面的缺陷特性的探測。光熱輻射的這種特性在層狀結(jié)構(gòu)的研究中備受關(guān)注，PTR技術(shù)被應(yīng)用到兩層，三層，甚至多層的薄膜結(jié)構(gòu)的無損檢測中。而鋼鐵表面硬化層則是一種連續(xù)變化的薄層結(jié)構(gòu)，如何通過對鋼鐵表面硬化層熱物理性質(zhì)的檢測，來實(shí)現(xiàn)對硬度輪廓的檢測，是本發(fā)明需要解決的問題。


發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明目的是提供一種對鋼鐵表面硬化層的深度輪廓的檢測方法，通過非接觸無損檢測，獲得鋼鐵表面硬度沿深度分布的函數(shù)。
為達(dá)到上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是一種鋼鐵表面硬化層深度檢測方法，包括下列步驟 (1)將經(jīng)過調(diào)制的激光束照射在待測樣品上，用紅外探測器接收樣品的熱輻射，獲得熱輻射信號隨入射激光束調(diào)制頻率變化的測量值； (2)根據(jù)步驟(1)獲得的測量值采用正向數(shù)值擬合算法擬合獲得熱導(dǎo)率隨深度變化的輪廓曲線； (3)根據(jù)熱導(dǎo)率變化的極限值確定待測樣品硬化層的深度。
上述技術(shù)方案中，所述步驟(2)中的擬合方法是，將待測樣品的表面硬化層分成N層，此時整個系統(tǒng)包括N+2層，其中，0層與M層分別是空氣和基底層，1到N層是細(xì)分的表面硬化層，基底層假設(shè)為半無限厚，N取大于或等于30，將每個細(xì)分的層看作均勻?qū)?，采用激光光熱輻射技術(shù)的分層算法進(jìn)行三維模型擬合，獲得所述熱導(dǎo)率隨深度變化的輪廓曲線。
上文中，1到N層是近表面的不均勻?qū)?即將表面硬化層進(jìn)行細(xì)分獲得)，基底層假設(shè)為半無限厚(相比于毫米或亞毫米量級而言，基底可看作無限厚)，由于表面硬化層的厚度一般在1毫米左右，當(dāng)N取大于或等于30時，每個細(xì)分層都很薄，可看作均勻?qū)?，采用激光光熱輻射技術(shù)的分層算法進(jìn)行三維模型擬合，獲得所述熱導(dǎo)率隨深度變化的輪廓曲線；所述調(diào)制的激光束照射在樣品上的光斑可變，從毫米/亞毫米(聚焦)到平面光束(擴(kuò)展到幾個厘米甚至更大)，取決于系統(tǒng)激光能量和樣品性質(zhì)。
由于上述技術(shù)方案運(yùn)用，本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有下列優(yōu)點(diǎn) 1.本發(fā)明采用光熱輻射技術(shù)，通過熱物理性質(zhì)深度輪廓的重建得到鋼鐵樣品表面硬化層的深度，經(jīng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，得到重建的熱導(dǎo)率曲線與顯微硬度曲線有很好的一致性。
2.本發(fā)明在進(jìn)一步的技術(shù)方案中，通過將連續(xù)變化的硬化層結(jié)構(gòu)細(xì)分成許多薄層，如果薄層足夠多(一般30層左右)，則每層之間差別就很小，且每層都可近似成均勻?qū)?，使之可以采用三維模型擬合，解決了現(xiàn)有技術(shù)中當(dāng)采用一維模型擬合時，要求激光光斑足夠大的問題，可以采用任意的激光光斑進(jìn)行檢測，包括小光斑和大光斑。



圖1是本發(fā)明實(shí)施例一中分層結(jié)構(gòu)示意圖； 圖2是實(shí)施例一中由公式(7)式取不同參數(shù)得到的不同的熱導(dǎo)率曲線； 圖3是實(shí)施例一中采用的光熱輻射裝置示意圖； 圖4、5、6分別為實(shí)施例一中樣品A1，A2，A3的實(shí)驗(yàn)結(jié)果與理論擬合結(jié)果的比較圖； 圖7是實(shí)施例一中擬合得到的熱導(dǎo)率隨深度變化曲線； 圖8是實(shí)施例一中采用破壞性顯微硬度測量法得到的樣品A1，A2，A3顯微硬度隨深度變化曲線。
其中1、激光器2、鎖相放大器3、樣品4、探測器5、前置放大器。

具體實(shí)施例方式 下面結(jié)合附圖及實(shí)施例對本發(fā)明作進(jìn)一步描述 實(shí)施例一 一個硬化的鋼鐵樣品可以認(rèn)為是一個不均勻的系統(tǒng)，包括一個不均勻?qū)?硬化層)和一個基底層(未硬化核心層)。不均勻?qū)拥奈锢硇再|(zhì)參數(shù)，如顯微硬度、熱導(dǎo)率、熱擴(kuò)散系數(shù)，都是深度的函數(shù)，沿深度方向有不同的分布。為了定量地測量不均勻系統(tǒng)，在此提出一種多層的熱波傳播模型，并用它來簡化復(fù)雜的不均勻性。參見附圖1所示，不均勻?qū)颖环殖蒒層，每一層都可以認(rèn)為是均勻的。當(dāng)層數(shù)選擇合適的時候(例如，層數(shù)足夠大)，這個多層的模型與連續(xù)的模型十分接近。從圖1中可以看出，整個系統(tǒng)包括N+2層，0層與M層分別是空氣和基底層(假設(shè)基底層為半無限大)，1到N層是近表面的不均勻?qū)印?br> 假設(shè)第i層的熱導(dǎo)率，熱擴(kuò)散率和厚度分別為ki，αi和Li。一束高斯光束沿Z軸垂直于樣品表面入射，調(diào)制頻率為f，半徑為a，功率為P。第i層產(chǎn)生的光熱溫度場符合熱傳導(dǎo)方程 其中αi＝ki/ρici(第i層的熱擴(kuò)散系數(shù))，z＝L1+L2+...+Li(第i層和i+1層的界面)，和z＝0處的邊界條件分別為 其中R1，AS表示樣品表面反射率和吸收系數(shù)，a是入射光斑半徑。通過Hankel變換，得到Hankel空間的溫度場分布 其中 在計算中，首先計算出γ1，0和gN，方程(4)中的系數(shù)g1可以由方程(5)的遞推公式得到。通過對方程(4)進(jìn)行Hankel逆變換，得到樣品表面的溫度場分布，方程(6)。這個分布可以由PTR實(shí)驗(yàn)直接測量到。
用正向數(shù)值擬合算法來重建硬化樣品的熱物理性質(zhì)深度輪廓。首先，假設(shè)一個適當(dāng)?shù)臄?shù)學(xué)公式來表示熱導(dǎo)率/熱擴(kuò)散系數(shù)，考慮到硬化樣品的一般特性，這個預(yù)先假設(shè)的公式必須遵循以下的幾個原則(1)熱物理性質(zhì)參數(shù)應(yīng)該是一個沿深度Z軸方向單調(diào)的函數(shù)不管是增函數(shù)還是減函數(shù)；(2)熱物理性質(zhì)曲線將在一定的深度達(dá)到飽和，并與未硬化層一致；(3)公式中的參數(shù)應(yīng)該盡可能的少，以便減少擬合的復(fù)雜程度和擬合所用的時間。方程(7)給出假設(shè)公式 其中 其中k0和

分別是不均勻?qū)拥膬蓚€邊界z＝0，L0的熱導(dǎo)率值。L0是不均勻?qū)拥目偤穸?。方?7)可以表示各種可能的隨深度單調(diào)變化的曲線形式，如圖2。熱導(dǎo)率曲線由k0，

，q和L0決定。各參數(shù)如下曲線(K1)k0＝36，kL0＝51.9，q＝2e3，L0＝5mm；曲線(K2)k0＝36，kL0＝51.9，q＝0.5e3，L0＝5mm；曲線(K3)k0＝36，kL0＝51.9，q＝-2e3，L0＝5mm；曲線(K4)k0＝51.9，kL0＝36，q＝1e3，L0＝5mm；曲線(K5)k0＝51.9，kL0＝36，q＝-1e3，L0＝5mm。從圖2可以看出，如果選取合適的參數(shù)，公式7可以表示任意形式的單調(diào)曲線。
分別取三組樣品，樣品為滲碳硬化的AISI 9310鋼(0.08％-0.13％C，0.45％-0.65％Mn，0.15％-0.3％Si)，A1，A2，A3為硬化深度不同的三個樣品。樣品為直徑30mm的圓形平面，厚度9.5mm。PTR實(shí)驗(yàn)測量平面樣品表面的PTR信號。未硬化的AISI 9310鋼的熱物理參數(shù)為k＝36.0489w/m·k，ρ＝7750g/cm3，c＝493.93J/kg·℃。實(shí)驗(yàn)樣品經(jīng)過標(biāo)準(zhǔn)的工業(yè)滲碳硬化處理，根據(jù)不同的硬化處理過程，樣品表面形成深度為0.5到2mm的硬化層。PTR實(shí)驗(yàn)裝置如圖3所示。入射光源為高功率半導(dǎo)體激光器1(～20w)，入射激光由周期變化的電流調(diào)制，其調(diào)制頻率由計算機(jī)控制鎖相放大器2提供，范圍從1Hz到10000Hz；實(shí)驗(yàn)中，使用光斑半徑大約1mm(強(qiáng)度下降到(1/e)的半寬)的高斯光束，經(jīng)聚焦的光束照射在樣品3上，樣品產(chǎn)生的紅外熱輻射由探測器4接收，經(jīng)前置放大器5放大后，通過計算機(jī)處理。
圖4，5，和6分別為樣品A1，A2，A3的實(shí)驗(yàn)結(jié)果與理論擬合結(jié)果的比較。擬合得到的熱導(dǎo)率隨深度變化曲線如圖7。在擬合過程中，有4個擬合參數(shù)k0，L0，q，和光斑半徑a。其它參數(shù)為kL0＝kM＝36.0489(w/m·k)，αM＝kM/ρc＝9.4173×10-6(m2/s)(未硬化層的熱導(dǎo)率與熱擴(kuò)散系數(shù))。圖4，5，6可以看出，溫度場振幅、相位理論擬合結(jié)果與實(shí)驗(yàn)曲線十分吻合，但PTR實(shí)驗(yàn)的信噪比非常有限，尤其是在高頻部分，信噪比較低。如圖7所示，樣品A1的熱導(dǎo)率擬合曲線達(dá)到飽和的速度比A2，A3慢，也就是說，樣品A1是3個樣品中硬化層最厚的，其次是A2，最薄的是A3。A1，A2，A3具體的擬合結(jié)果為A1樣品k0＝21(w/m·k)，L0＝2.9mm，q＝84；2.5A2樣品k0＝21.6(w/m·k)，L0＝2.4mm，q＝978.12；A3樣品k0＝24(w/m·k)，L0＝2.1mm，q＝1169.97。擬合得到的光斑半徑大約為0.8mm，這與實(shí)驗(yàn)測量的數(shù)據(jù)十分接近。
從圖7中可以看出，熱導(dǎo)率曲線從表面開始單調(diào)上升到一特定深度的時候達(dá)到飽合，熱導(dǎo)率值不再隨著深度變化，而是達(dá)到一個固定的值。這個特定的深度就是不均勻?qū)拥纳疃?，也就是硬化鋼鐵表面硬化層的深度。擬合參數(shù)L0即表示不均勻?qū)拥暮穸?，是熱?dǎo)率曲線達(dá)到飽和，與芯部未硬化層的熱導(dǎo)率相同時的深度，也就是理論模型中1層到N層的總厚度。所以通過對熱導(dǎo)率曲線的擬合可以得到不均勻?qū)拥纳疃?。從?shí)驗(yàn)樣品A1、A2、A3的理論擬合結(jié)果可以得到三個樣品硬化層的深度，即L0A1＝2.9mm、L0A2＝2.4mm、L0A3＝2.1mm。
為驗(yàn)證重建的熱導(dǎo)率深度輪廓以及測得的硬化層深度值，我們用破壞性顯微硬度壓印方法對3個樣品的硬度曲線進(jìn)行測量，這是目前工業(yè)上通用的檢測方法。結(jié)果如圖8。樣品A1，A2，A3在硬度下降到440HV時的深度分別大約為2.45mm，1.95mm，1.1mm。
可以看出熱導(dǎo)率曲線與硬度曲線存在很好的反相關(guān)的關(guān)系。我們可以定量的找到熱導(dǎo)率和硬度的變化率關(guān)系。我們分別定義熱導(dǎo)率變化率與硬度變化率為rateK＝(kL0-k0)/kL0，和rateH＝(H0-HL0)/H0，結(jié)果如表1。
表1熱導(dǎo)率變化率與硬度變化率 表2硬化層深度測量的PTR方法與顯微硬度法的比較 熱導(dǎo)率變化率與硬度變化率非常一致，說明硬度的變化率與熱物理性質(zhì)變化率有密切聯(lián)系。因?yàn)轱@微硬度測量法給出的數(shù)據(jù)非常有限，達(dá)到飽和的硬度應(yīng)該比顯微硬度測量給出的硬度值要低。因此，達(dá)到飽和的硬化層深度應(yīng)當(dāng)比顯微硬度測量給出的深度更深。圖8中的虛線給出了顯微硬度曲線的多項(xiàng)式擬合的變化趨勢曲線，可以看出，樣品A1，A2，A3達(dá)到飽和時的硬化層深度分別為LA1＝2.73mm，LA2＝2.19mm，LA3＝1.90mm。這與PTR方法擬合重建的結(jié)果，即2.9，2.4和2.1mm非常接近。
從表2中可以看出，用PTR方法與顯微硬度法測量得到的硬化層深度的值非常接近，兩者之間存在一個穩(wěn)定的比率。三個樣品的比率平均值為1.08，這個比率可以用來對PTR擬合方法得到的硬化層深度進(jìn)行校準(zhǔn)，我們用PTR擬合方法得到的硬化層深度值除以1.08即可得到硬化樣品滲碳硬化層的總深度。
權(quán)利要求
1.一種鋼鐵表面硬化層深度檢測方法，其特征在于，包括下列步驟
(1)將經(jīng)過調(diào)制的激光束照射在待測樣品上，用紅外探測器接收樣品的熱輻射，獲得熱輻射信號隨入射激光束調(diào)制頻率變化的測量值；
(2)根據(jù)步驟(1)獲得的測量值采用正向數(shù)值擬合算法擬合獲得熱導(dǎo)率隨深度變化的輪廓曲線；
(3)根據(jù)熱導(dǎo)率變化的極限值確定待測樣品硬化層的深度。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的鋼鐵表面硬化層深度檢測方法，其特征在于所述步驟(2)中的擬合方法是，將待測樣品的表面硬化層分成N層，此時整個系統(tǒng)包括N+2層，其中，0層與M層分別是空氣和基底層，1到N層是細(xì)分的表面硬化層，基底層假設(shè)為半無限厚，N取大于或等于30，將每個細(xì)分的層看作均勻?qū)樱捎眉す夤鉄彷椛浼夹g(shù)的分層算法進(jìn)行三維模型擬合，獲得所述熱導(dǎo)率隨深度變化的輪廓曲線。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種鋼鐵表面硬化層深度的非接觸無損檢測方法，其特征在于，包括下列步驟(1)將經(jīng)過調(diào)制的激光束照射在待測樣品上，用紅外探測器接收樣品的熱輻射，獲得熱輻射信號隨入射激光束調(diào)制頻率變化的測量值；(2)根據(jù)步驟(1)獲得的測量值采用正向數(shù)值擬合算法擬合獲得熱導(dǎo)率隨深度變化的輪廓曲線；(3)根據(jù)熱導(dǎo)率變化的極限值確定待測樣品硬化層的深度。本發(fā)明采用光熱輻射技術(shù)，通過熱物理性質(zhì)深度輪廓的重建得到鋼鐵樣品表面硬化層的深度，經(jīng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，得到重建的熱導(dǎo)率曲線與顯微硬度曲線有很好的一致性。
文檔編號G01N25/20GK101344384SQ200810196260
公開日2009年1月14日 申請日期2008年8月25日 優(yōu)先權(quán)日2008年8月25日
發(fā)明者王欽華, 宏 曲 申請人:蘇州大學(xué)