[发明专利]一种激光冲击强化后金属表层显微硬度的无损检测方法

说明书

技术领域

本发明涉及激光加工领域，特指一种激光冲击强化后金属表层显微硬度的无损检测方法，特别适用于对激光冲击强化后金属件表层显微硬度进行无损测量。

背景技术

激光冲击强化技术是一种新型的金属表面改性技术，利用强激光诱导的冲击波力学效应对材料进行加工，具有高压、高能、超快和超高应变率等特点，其形成的残余压应力层能有效地消除材料内部的应力集中和抑制裂纹的萌生和扩展，能够显著提高金属零件的疲劳寿命以及抗腐蚀和抗磨损能力，大量的研究证明激光冲击强化技术是延长裂纹萌生时间降低裂纹扩展速度提高材料寿命的有效手段。

正电子湮没技术（PositronAnnihilationTechnique，PAT），是一项较新的核物理技术，它利用正电子在凝聚物质中的湮没辐射带出物质内部的微观结构、电子动量分布及缺陷状态等信息，从而提供一种非破坏性的研究手段而备受人们青睐，现在正电子湮没技术已经进入固体物理、半导体物理、金属物理、原子物理、表面物理、超导物理、生物学、化学和医学诸多领域，特别是材料科学研究中，正电子对微观缺陷研究和相变研究正发挥着日益重大的作用。

金属件表面的显微硬度测量，是衡量激光冲击强化对材料表层改性效果的重要指标。然而传统的硬度测量方法主要是通过硬度仪将压头（金刚石圆锥、钢球或硬质合金球）分两个步骤压入试样表面，经规定保持时间后，卸除主试验力，测量在初试验力下的残余压痕深度、对角线长度或边长，根据测得的值及常数N和S计算硬度，该方法会在金属件表面造成大小不一的压痕，表面完整性及表面形貌受到影响，这是实际应用中所不愿意看到的。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明提供了一种激光冲击强化后金属表层显微硬度的无损检测方法，针对经激光冲击强化处理后的金属件，先测量其表面的多普勒展宽谱的S参数值，再使用硬度仪测量其对应位置的显微硬度值，最后将所测得的硬度值与S参数值采用最小二乘法进行线性拟合，得到二者之间的线性关系曲线。对需要进行硬度测量的激光冲击强化后的金属件，先测量其表面各点处多普勒展宽谱的S参数，再根据S参数与硬度值的关系曲线可估算出表面各点处的硬度值；本发明实现了经激光冲击强化后金属件表层显微硬度的无损测量，有效避免了经硬度仪测量所造成的金属表层存在压痕的不足，保证了金属件的表面完整性，不影响其表面形貌。

其具体步骤为：

(1)选取经激光冲击强化后的金属件，先在其表面选取n个点，测量经激光冲击强化后各点处的多普勒展宽谱的S参数值，视为S1、S2······Sn；其中激光冲击强化过程中工艺参数为：激光脉冲能量3-12J，脉宽5-20ns，光斑直径1-3mm，横向搭接率和纵向搭接率均为30-50%，所选点数n≥5。

(2)使用硬度仪测量步骤(1)中对应点处的显微硬度值M，视为M1、M2······Mn。

(3)采用最小二乘法对S参数值与显微硬度值进行线性拟合，得到显微硬度值M随S参数值变化的关系曲线；线性拟合方程式为M=b+k×S，k为线性系数，b是拟合直线中的截距；其中；；；；；。

(4)选取要进行表面硬度测量的激光冲击强化后的金属件，先测量其待测部位的表面多普勒展宽谱的S参数值，根据步骤(3)中的拟合曲线估算出该处的显微硬度值；其中激光冲击强化过程中工艺参数同步骤（1）。

本发明的有益效果：采用上述方法对经激光冲击强化后的金属件表面显微硬度进行非接触式测量，可避免在金属件表面产生大小不一的压痕，该方法有效改善了传统硬度测量方法所造成的表面形貌及表面完整性受损等缺陷，同时多普勒展宽谱的S参数值得大小还标志着经激光冲击冲击强化后金属件表层位错及孪晶密度的大小，S参数值越大位错及孪晶的密度也越大，激光冲击强化效果越好。

附图说明

表1：316L不锈钢经激光冲击强化后表面6个点的S参数值及使用硬度仪所测得的显微硬度值。

表2：实施例中用于验证拟合直线准确度的5个试验点所对应的S参数值、硬度估算值及硬度实际测量值。

图1：实施例中使用本文所述方法估算出的316L不锈钢经激光冲击强化后表面5个点的显微硬度与使用硬度仪在对应点处测得的显微硬度对比图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明的具体实施方式做详细的说明，但本发明不应仅限于实施例。

本实施例所采用金属件基体材料为316L不锈钢，其几何尺寸为120mm×60mm×15mm，在其表面中间部位选取30mm×30mm的方形区域进行激光冲击强化处理。