用于环形零件表层显微硬度样件制备及检测方法与流程

本发明涉及一种金属材料表层显微硬度样件制备及检测方法，具体涉及的是环形零件表层显微硬度样件制备及检测方法。

背景技术：

显微硬度是研究金属微观组织性能的重要手段，其测量原理和方法与一般硬度的测量相同，只是把硬度测定对象缩小到显微尺度以内，通常用来测定显微组织中某一组织组成物或某一相的硬度。如在分析零件表面加工硬化时，就需要测量加工试样的显微硬度，为分析材料加工硬化的程度及其影响因素提供试验数据支持。

切削加工表层结构包括紧贴基体材料的硬化层、硬化层之上的热熔层、热熔层之上的氧化层以及最表面的吸附层。以上各层厚度极其微小，切削加工表层的微观结构特征主要研究对象为1~100μm的硬化层，显微硬度是研究切削加工表层微观结构特征的重要指标。

切削加工表层显微硬度常见测试方法有三种，即断面法、阶梯法、斜切法。通过对这三种方法的比较可知：在加工硬化层深度的测试中，最简单的是断面法，但是由于切削加工硬化层深度一般只有几十微米，而硬度计所施加的压痕对角线长度一般为10~20微米左右，对于硬度呈梯度分布的待测量表面而言，所布置的有效测量点较少，使测得的硬度值不能很好地反映加工表面的实际硬度。阶梯法克服了断面法的上述缺点，但是样件制备非常困难，因而在实际的硬度测量中很少使用。斜切法克服了断面法和阶梯法的缺点，在硬化层测试分析中是最常见的，可在较小硬化层深度范围内获得较多个有效测量点，但样件制备繁琐，所需时间较长。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种环形零件表层显微硬度样件制备及检测方法，该方法与截面法相比，能够在层深方向选取更多的硬度测量点，其硬度测量精度比截面法高30%以上。

实现上述目的，本发明采取的技术方案如下：

用于环形零件表层显微硬度样件制备及检测方法，所述的方法包括以下步骤：

步骤一：截取样件；采用线切割方式在环形零件上截取一段圆弧形状的样件；

步骤二：样件磨光；对所述的样件的外圆弧形表面的一段进行磨光处理；

步骤三；选取硬度测量点：在样件的磨光面上选取多个硬度测试点；

步骤四；测试样件硬度；在所有的所述的硬度测试点上分别用HXD-1000显微硬度机测试样件硬度。

本发明相对于现有技术的有益效果是：

1.该方法改变了检测面的位置，无需进行样件镶嵌，极大节省了样件制备时间，检测效率提高了20%~40%。

2.本发明与截面法相比，本发明能够在层深方向选取更多的硬度测量点，其硬度测量精度比截面法高30%以上。

3.本发明的方法在层深方向的压痕间距较小，能更好的反映硬度沿层深方向的变化规律，对已加工表层材料的力学性能的研究具有重要意义。

附图说明

图1为本发明的方法中的样件制备过程图；

图2为实施例1的步骤三中的各个硬度测量点反映到硬化层深方向上的点之间间距的表达图，图中A表示已加工表面，图中单位为微米；

图3为实施例1的步骤三中的硬度测量点的布局图，图中箭头B的指向为取硬度测量点方向；

图4为采用本发明的方法与现有技术的截面法的检测结果对比图，图中实线表示的是采用本发明的方法得到的检测结果曲线，虚线表示的是采用现有技术的截面法得到的检测结果曲线。

图中，环形零件1、样件2、磨光面3。

具体实施方式

具体实施方式一：如图1所示，用于环形零件表层显微硬度样件制备及检测方法，所述的方法包括以下步骤：

步骤一：截取样件2；采用线切割方式在环形零件1上截取一段圆弧形状的样件2（并对样件2的内圆弧面作为底面进行磨削处理，磨削处理后的底面长为25~30mm，宽为10~15mm，目的是使样件2在后续处理和测试中保持样件2稳定）；

步骤二：样件2磨光；对所述的样件2的外圆弧形表面的一段进行磨光处理；

步骤三；选取硬度测量点：在样件2的磨光面3上选取多个硬度测试点；

步骤四；测试样件2硬度；在所有的所述的硬度测试点上分别用HXD-1000显微硬度机测试样件2硬度。

具体实施方式二：如图1所示，具体实施方式一所述的用于环形零件表层显微硬度样件制备及检测方法，步骤二中；所述的样件2磨光包括粗磨光和细磨光，所述的粗磨光采用碳化硅水磨砂纸用磨抛机进行研磨；所述的细磨光采用金相砂纸手工进行研磨。

具体实施方式三：如图1所示，具体实施方式一所述的用于环形零件表层显微硬度样件制备及检测方法，步骤三中；在所述的磨光面3上选定平行于所述的外圆弧形表面中心线的一侧边缘作为硬度测试边界，并选定靠近该硬度测试边界附近区域作为硬度测试区域，在该硬度测试区域内平行于样件2弦长方向依次选取多个硬度测试点；

由于金刚石压头对角线长度为10~20μm，相邻两测量点中心距离应大于等于金刚石压头对角线长度（故选20μm）作为两测量点的间距，反映在表层方向的垂直距离仅为测量点间距的五分之一。

具体实施方式四：具体实施方式一所述的用于环形零件表层显微硬度样件制备及检测方法，步骤四中；所述的HXD-1000维氏显微硬度机的测量参数为：HXD-1000显微硬度机的正四棱锥金刚石压头两相对面夹角为136°，所述的正四棱锥金刚石压头对角线长度为15μm，正四棱锥金刚石压头所用载荷为50g，保持时间为10s，显微硬度测试在500倍金相显微镜下进行。

具体实施方式五：具体实施方式二所述的用于环形零件表层显微硬度样件制备及检测方法，所述的粗磨光采用碳化硅水磨砂纸用磨抛机进行研磨的方法是：

将样件2放在磨抛机上并依次用400#、800#及1000#碳化硅水磨砂纸进行研磨，采用400#碳化硅水磨砂纸的研磨速度为300r/min，磨抛去除材料厚度为200μm，控制表面粗糙度不高于0.8μm，采用800#碳化硅水磨砂纸的研磨速度为500r/min，磨抛去除材料厚度为200μm，控制表面粗糙度不高于0.8μm，采用1000#碳化硅水磨砂纸的研磨速度为700r/min，磨抛去除材料厚度为100μm，控制表面粗糙度不高于0.4μm，每次更换砂纸时都要把样件2用清水清洗干净，并将样件2转动90°，用显微镜观察样件2研磨表面以确定研磨状态，保证每一次研磨的划痕方向沿着同一个方向，将样件2表面材料磨除厚度500μm，形成宽度长×宽=10mm×10mm的检测面（用于显微硬度检测）；

所述的细磨光采用金相砂纸手工进行研磨的方法是：

将粗磨光好的样件2依次用1200#和1500#金相砂纸手工研磨，采用1200#金相砂纸手工研磨方向与采用1000#碳化硅水磨砂纸进行研磨的方向成90°，采用1500#金相砂纸手工研磨方向与采用1200#金相砂纸手工研磨方向成90°，每次更换砂纸时都要把样件2用清水清洗干净；每次研磨时应确保表面粗糙度逐渐减小，最终使表面光洁度接近镜面。

实施例1：如图1~图3所示，用于环形零件表层显微硬度样件制备及检测方法，其特征在于：所述的方法包括以下步骤：

步骤一：截取样件2；采用线切割方式在深沟球轴承外圈上截取一段圆弧形状的样件2，并对样件2的内圆弧面作为底面进行磨削处理，磨削处理后的底面长为25~30mm，宽为10~15mm，目的是使样件2在后续处理和测试中保持样件2稳定；所述的深沟球轴承外圈的外圆周面直径为43mm，深沟球轴承外圈的内圆周面直径为38mm，深沟球轴承外圈的宽度为10mm，深沟球轴承外圈的材质为淬硬轴承钢GCr15；

步骤二：样件2磨光；对所述的样件2的外圆弧形表面的一段进行磨光处理；所述的样件2磨光包括粗磨光和细磨光，所述的粗磨光采用碳化硅水磨砂纸用磨抛机进行研磨；所述的细磨光采用金相砂纸手工进行研磨；粗磨光采用碳化硅水磨砂纸用磨抛机进行研磨的方法是：

将样件2放在磨抛机上并依次用400#、800#及1000#碳化硅水磨砂纸进行研磨，采用400#碳化硅水磨砂纸的研磨速度为300r/min，磨抛去除材料厚度为200μm，控制表面粗糙度不高于0.8μm，采用800#碳化硅水磨砂纸的研磨速度为500r/min，磨抛去除材料厚度为200μm，控制表面粗糙度不高于0.8μm，采用1000#碳化硅水磨砂纸的研磨速度为700r/min，磨抛去除材料厚度为100μm，控制表面粗糙度不高于0.4μm，每次更换砂纸时都要把样件2用清水清洗干净，并将样件2转动90°，用显微镜观察样件2研磨表面以确定研磨状态，保证每一次研磨的划痕方向沿着同一个方向，将样件2表面材料磨除厚度500μm，形成宽度长×宽=10mm×10mm的检测面（用于显微硬度检测）；

细磨光采用金相砂纸手工进行研磨的方法是：

将粗磨光好的样件2依次用1200#和1500#金相砂纸手工研磨，采用1200#金相砂纸手工研磨方向与采用1000#碳化硅水磨砂纸进行研磨的方向成90°，采用1500#金相砂纸手工研磨方向与采用1200#金相砂纸手工研磨方向成90°，每次更换砂纸时都要把样件2用清水清洗干净；每次研磨时应确保表面粗糙度逐渐减小，最终使表面光洁度接近镜面。

步骤三；选取硬度测量点：在所述的磨光面3上选定平行于所述的外圆弧形表面中心线的一侧边缘作为硬度测试边界，并选定靠近该硬度测试边界附近区域作为硬度测试区域，在该硬度测试区域内依次选取三条平行于样件2弦长方向的直线，并在每条直线上依次选取九个硬度测试点作为一列硬度测试点；所述的九个硬度测试点中，

设定第一个硬度测试点与第二个硬度测试点之间的距离为l₁，第二个硬度测试点反映到硬化层深方向上的点之间间距为h₁；第一个硬度测试点距离硬度测试边界为10μm；

第二个硬度测试点与第三个硬度测试点之间的距离为l₂，第三个硬度测试点反映到硬化层深方向上的点之间间距为h₂；

第三个硬度测试点与第四个硬度测试点之间的距离为l₃，第四个硬度测试点反映到硬化层深方向上的点之间间距为h₃；

第四个硬度测试点与第五个硬度测试点之间的距离为l₄，第五个硬度测试点反映到硬化层深方向上的点间距为h₄；

第五个硬度测试点与第六个硬度测试点之间的距离为l₅，第六个硬度测试点反映到硬化层深方向上的点之间间距为h₅；

第六个硬度测试点与第七个硬度测试点之间的距离为l₆，第七个硬度测试点反映到硬化层深方向上的点之间间距为h₆；

第七个硬度测试点与第八个硬度测试点之间的距离为l₇，第八个硬度测试点反映到硬化层深方向上的点之间间距为h₇；

第八个硬度测试点与第九个硬度测试点之间的距离为l₈，第九个硬度测试点反映到硬化层深方向上的点之间间距为h₈；

且h₁=h₂=h₃=h₄=h₅=h₆=h₇=h₈=20μm（图3表达为一列硬度测量点）。为了减少测量位置带来的不精确性，在与已加工表面相同深度下，每相邻两列硬度测量点之间的间距为100μm或150μm，且每个硬度测量点均测量三遍，每遍测量三次求平均值，最后在将所有的硬度测量点的平均值求和后求平均值，最后得到的结果为硬度测量点的测量值以消除测量误差的影响。上述这些硬度测量点反映到层深方向上的点之间的间距参见图2。

常规方法（截面法）的打点方式为除第一点距边界10μm外，其余各硬度测量点的垂直间距均为20μm。

步骤四：测试样件2硬度；在所有的所述的硬度测试点上分别用HXD-1000显微硬度机测试样件2硬度；其中正四棱锥金刚石压头两对面夹角为136°，对角线长度为15μm，压头所用载荷为50g，保持时间为10s，显微硬度测试是在500倍金相显微镜下进行；

步骤五：结果分析；图4为两种测试方法的测试结果对比，从图4中可看出，截面法的有效信息点非常少，而且到表层下第三个硬度测试点时，就已经到达基体位置，该方法的表层下第一个硬度测试点就已经离已加工表面10μm，早已超过硬切削加工的表面硬化层深度，并且此后每间隔20μm测试一个点，由于垂直间距比较大，也不能很好的反映回火层的硬度变化。而相比之下，本发明的方法得出的硬度变化规律比较符合实际情况，由于该方法改变了打点方式和打点位置，第一个硬度测试点距已加工表面仅有2μm左右，此后硬度测试点呈差值约为4μm的等差数列依次递增，有不少硬度测试点也经过回火层区域。综上对比可知，测量加工硬化层厚度及其硬度时，本发明提出的弦切法的测量精度要远高于截面法。