一种690高强钢表面形成纳米晶的检测方法与流程

本发明涉及材料检测方法，具体涉及一种690高强钢表面形成纳米晶的检测方法。

背景技术：

随着人口的不断增长和陆上油气资源的不断消耗，海洋已成为世界油气开发的主要领域。海洋平台是集油田勘探、油气处理、发电、供热、原油产品储存和外输、人员居住于一体的综合性海洋工程装备，是实施海底油气勘探和开采的工作基地。目前世界海洋油气开发已呈现出向深海和极地进军的趋势，这对海洋平台用钢的综合性能提出了更高的要求，海洋平台用钢除了要具有高强度、高韧性、抗疲劳、抗层状撕裂、良好的焊接性和冷加工性能之外，耐海洋大气和海水腐蚀性能也尤为重要。美国、日本和欧洲一些国家早就开始了海洋石油平台用钢的研究，并开发出多种适用于深海和极地海域使用的钢种，如astm规范中的a514，jfe标准中的welten80和dnv规范中的690。我国尚无具体的海洋平台用钢标准，且在制造屈服强度大于690mpa的超高强海洋平台用钢方面与国外存在一定的技术差距。690高强钢是重要的海工用钢，在海洋潮差的作用下极易发生腐蚀损伤甚至腐蚀疲劳断裂，会严重威胁海工平台的安全。

690高强钢因具有高强度、高韧性、抗疲劳、抗层状撕裂等优异性能，以及良好的焊接性能和冷加工性能，被广泛应用于海洋工程、舰船、港口机械等行业。近年来，随着世界能源需求不断加大和可开采油气资源的减少，人类不得不对特大型海洋天然气田等富含co2、h2s、cl等强腐蚀环境的高酸性油气资源进行开采开发，特大型海洋天然气田的特点是地质结构复杂、高温高压、高腐蚀性。因此，国内外对690高强钢的需求不断增加。

由于多数工程材料的失效行为(例如接触疲劳失效，摩擦磨损等)多发生在试样的表面，并且这些失效行为对材料的表面组织和性能有很大的敏感性。因此，优化材料表面的组织和性能，能够有效的提高工程材料总体的服役寿命。纳米晶材料是指晶粒尺寸在纳米量级的晶体材料。这类固体是由尺寸至少（在一个方向上）为几纳米的结构单元（主要是晶体）所构成的多晶体。由于纳米晶粒极细，大量的原子处于晶粒之间的界面上，使界面成为一种不可忽略的结构单元。这种独特的结构特征使纳米晶材料成为有别于多晶体和非晶体的一种新材料，从而使材料在力学、磁性、介电性、超导性、光子等方面具备了许多优异的性能。尤其是当晶粒细化到纳米级后，材料的许多力学性能会发生明显的变化，例如强度和硬度的提高，有些材料还会出现超塑性的现象。因此，纳米晶的形成与否成为以690高强钢作为材料的海工平台关键零部件防腐蚀的重要指标之一。

目前，国内尚无针对金属材料的纳米晶检测宏观检测方法，只能通过对试样进行透射电镜的拍摄进行局部晶粒尺寸的观察，同时通过电子衍射，当其衍射花样呈现同心圆环的形式时，可以断言试样在所观察的区域形成纳米晶，但这种方法存在检测周期过长、破坏材料表面、偶然性较大、测量晶粒尺寸误差较大等缺陷，故上述检测方法存在在实际生产中无法得到运用，因此实际生产过程中急需一种新的检测方法用于检测690高强钢的表面是否有纳米晶的形成。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题是提供一种690高强钢表面形成纳米晶的检测方法，用以解决现有690高强钢表面纳米晶检测技术中检验周期长、破坏材料表面、偶然性较大、测量晶粒尺寸误差较大的技术问题。

为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案为：一种690高强钢表面形成纳米晶的检测方法，其创新点在于，包括以下步骤：

s1、制备若干块690高强钢样品；

s2、使若干块690高强钢样品在相同工艺、不同工艺参数下产生极端塑性应变；

s3、利用x射线衍射仪对每一块经极端塑性应变后的690高强钢样品的进行x射线衍射，得到一组x射线衍射图；

s4、对一组x射线衍射图中同一晶面的衍射峰进行分析，计算出每种工艺参数下同一晶面衍射峰的半高宽；

s5、建立工艺参数与半高宽的二维坐标系，绘制同一晶面的半高宽随工艺参数变化的曲线图；

s6、找出半高宽随工艺参数变化的曲线图中的增长拐点，通过透射电镜及电子衍射实验，验证增长拐点处所对应的极端塑性应变的工艺参数为690高强钢表面形成纳米晶的最小工艺参数；当极端塑性应变对应的工艺参数超过其最小工艺参数时，690高强钢表面形成纳米晶。

其中，产生极端塑性应变的工艺为激光冲击强化工艺、超声喷丸工艺、表面机械研磨工艺、表面机械碾压工艺中的一种。

上述的，激光冲击强化工艺的工艺参数为功率密度。

其中，所述690高强钢表面形成纳米晶的检测方法还包括所述步骤s2和步骤s3之间对极端塑性应变后的690高强钢样品进行表面处理的过程。

优选的，所述表面处理的过程具体包括以下步骤：a.采用纯乙醇或丙酮清洗剂对样品进行浸泡清洗，浸泡清洗时间为3-10min；b.对浸泡清洗后的样品进行超声清洗，超声清洗时间为1-5min，确保样品表面无残留杂质。

其中，所述透射电镜及电子衍射实验包括以下步骤：先对x射线衍射后的若干块样品分别拍摄透射电镜图，对局部晶粒尺寸的检测；后对拍摄电镜图后的若干块样品分别进行电子衍射，当其电子衍射图中花样呈现同心圆环的形状时，表明晶粒取向随机，纳米晶分布均匀，即所观察的区域存在分布均匀的纳米晶粒。

本发明的上述技术方案的有益效果如下：本发明的690高强钢表面形成纳米晶的检测方法，验证了690高强钢表面形成纳米晶的方法的可靠性，通过采用超过690高强钢表面形成纳米晶的最小工艺参数的工艺参数进行的极端塑性应变，能够产生在690高强钢表面形成纳米晶，无需破坏690高强钢材料表进行检测，适用于实际生产过程。

附图说明

图1中本发明实施例中针对不同功率密度激光冲击后若干块690高强钢样品的一组x射线衍射曲线；

图2为本发明实施例中针对同一晶面的的半高宽随功率密度变化曲线图；

图3为本发明实施例中各690高强钢样品在多个功率密度条件下进行激光冲击后透射电镜拍摄图；

图4为本发明实施例中样品在功率密度为5.09gw/cm²条件下激光冲击后的电子衍射花样图。

具体实施方式

为使本发明要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例进行详细描述。

一种690高强钢表面形成纳米晶的检测方法，包括以下步骤：

制备若干块690高强钢样品。

对若干块690高强钢样品进行相同工艺、不同工艺参数下的极端塑性应变。

对极端塑性应变后的690高强钢样品进行表面处理。

利用x射线衍射仪对每一块经极端塑性应变后的690高强钢样品进行x射线衍射，得到一组x射线衍射图。

对一组x射线衍射图中同一晶面的衍射峰进行分析，计算出每种工艺参数下同一晶面衍射峰的半高宽。

建立工艺参数与半高宽的二维坐标系，绘制同一晶面的半高宽随工艺参数变化的曲线图。

找出半高宽随工艺参数变化的曲线图中的增长拐点，增长拐点是上升过程中出现下降的拐点，通过透射电镜及电子衍射实验，验证增长拐点处所对应的极端塑性应变的工艺参数为690高强钢表面形成纳米晶的最小工艺参数；当极端塑性应变对应的工艺参数超过其最小工艺参数时，690高强钢表面形成纳米晶。

产生极端塑性应变的工艺包括激光冲击强化工艺、超声喷丸工艺、表面机械研磨工艺、表面机械碾压工艺中的一种，所述激光冲击强化工艺的工艺参数为功率密度。

实施例

一种690高强钢表面形成纳米晶的检测方法，包括以下步骤：

制备若干块690高强钢样品。

对若干块690高强钢样品分别以功率密度为1.53gw/cm²、1.98gw/cm²、2.77gw/cm²、4.07gw/cm²、5.09gw/cm²进行激光冲击强化工艺。

对激光冲击强化后的690高强钢样品进行表面处理；表面处理具体包括以下步骤：a.采用纯乙醇或丙酮清洗剂对样品进行浸泡清洗，浸泡清洗时间为3-10min；b.对浸泡清洗后的样品进行超声清洗，超声清洗时间为1-5min，确保样品表面无残留杂质。

对表面清理后的若干块690高强钢样品进行x射线衍射测定，获得不同功率密度下的激光冲击后的一组x射线衍射曲线，如图1所示。

测量所得的图1中一组x射线衍射曲线中同一晶面的的半高宽，得出一组x射线衍射中同一晶面的衍射峰半高宽数值，优选的，通过jade软件对x射线衍射曲线进行分析，经过寻峰、初步搜索物相、确定主要物相所在衍射峰、标注衍射晶面的过程从而确定衍射曲线的半高宽；同时，jade软件分析出690高强钢属于体心立方（bcc）结构，具有惯习面{110}、惯习面{200}和惯习面{211}这三个晶面，如图1中，前三组波峰分别对应惯习面{110}、惯习面{200}和惯习面{211}的衍射峰；根据x射线衍射半高宽与晶粒尺寸之间的关系得出规律，晶格畸变宽化的积分宽度对半高宽的积分宽度的关系在h、k、l之和为偶数时为0，即晶格畸变宽化的积分宽度对半高宽的积分宽度没有影响，由于690高强钢的三个晶面的h、k、l之和均为偶数，因此，690高强钢表面发生极端塑形变形时，其半高宽的宽化程度完全由晶粒细化的程度决定，所以用半高宽表征纳米晶的形成程度是合理的。

惯习面标定即晶面指数标定，包括以下步骤：1)在点阵中设定参考坐标系，设置方法与确定晶向指数时相同；2)求得待定晶面在三个晶轴上的截距，若该晶面与某轴平行，则在此轴上截距为无穷大；若该晶面与某轴负方向相截，则在此轴上截距为一负值；3)取各截距的倒数；4)将三倒数化为互质的整数比，并加上圆括号，即表示该晶面的指数，记为(hkl)。晶面指数所代表的不仅是某一晶面，而是代表着一组相互平行的晶面。另外，在晶体内凡晶面间距和晶面上原子的分布完全相同，只是空间位向不同的晶面可以归并为同一晶面族，以{hkl}表示，它代表由对称性相联系的若干组等效晶面的总和。

针对不同功率密度时所对应的x射线衍射曲线的半高宽数值，建立二维坐标系并在二维坐标系中绘制同一晶面的半高宽随功率密度变化曲线图，可选的，使用origin画图绘制同一晶面的半高宽随功率密度变化曲线图，如图2所示，图2为惯习面{110}面的半高宽随功率密度变化曲线图。

寻找半高宽随功率密度变化曲线图的第一个增长拐点a，增长拐点a处所对应的激光冲击强化工艺的功率密度为2.77gw/cm²。

通过透射电镜及电子衍射实验，如图3所示，其中，图3a为功率密度1.53gw/cm²条件下进行激光冲击后透射电镜拍摄图，图3b为为功率密度1.98gw/cm²条件下进行激光冲击后透射电镜拍摄图，图3c为为功率密度2.77gw/cm²条件下进行激光冲击后透射电镜拍摄图，图3d为功率密度4.07gw/cm²条件下进行激光冲击后透射电镜拍摄图，，图3e为功率密度5.09gw/cm²条件下进行激光冲击后透射电镜拍摄图，通过透射电镜拍摄图，实现对晶粒尺寸进行检测，发现在显微镜观测到的在小于2.77gw/cm²的功率密度激光冲击后的690高强钢样品中未发现纳米化现象,晶粒在2.77gw/cm²的功率密度激光冲击后已经呈现纳米化，尺寸在50-200nm之间的晶粒占检测区域的80%以上，证实了在增长拐点a所对应的功率密度对690高强钢样块进行激光冲击强化时，690高强钢材料已实现了表面纳米化，并且随着激光冲击强化工艺的功率密度的上升，690高强钢材料表面纳米化程度会进一步加深，在功率密度为5.09gw/cm²时，材料表面晶粒尺寸大约为100nm，同时，如图4所示，电子衍射花样为同心圆环，证明所观察区域晶粒取向随机，纳米晶分布均匀，即所观察的区域存在分布均匀的纳米晶粒。

由上，验证增长拐点a处所对应的激光冲击强化工艺的功率密度2.77gw/cm²为690高强钢表面形成纳米晶的最小功率密度；当激光冲击强化工艺的功率密度超过其最小功率密度时，690高强钢表面形成纳米晶。

本发明的690高强钢表面形成纳米晶的检测方法，验证了690高强钢表面形成纳米晶的方法的可靠性，通过采用超过690高强钢表面形成纳米晶的最小工艺参数的工艺参数进行的极端塑性应变，能够产生在690高强钢表面形成纳米晶，无需破坏690高强钢材料表进行检测，适用于实际生产过程。

以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。