一种用于风机主轴无损在线检测布氏硬度的方法

技术领域

本发明涉及一种用于风机主轴无损在线检测布氏硬度的方法，特别是一种材料牌号为42CrMo4风机主轴无损在线检测布氏硬度的方法，属于金属材料硬度测试技术领域。

背景技术

对于在役机组无论是火电、风电，还是其他行业，若要期间检查，首要方法就是采用非破坏性方法对其进行检测，例如：硬度检测、无损检测以及现场金相检测等。因为硬度与强度之间存在正比关系，工程上常被用来衡量性能的优劣。现场检测硬度的方法普遍均使用便携式里氏硬度计，便携式里氏硬度计的优点就在于其体积小、重量轻、测试简便、携带方便、检测效率高、对试验表面损伤轻微等，因此其在在役设备的现场检测中得到了广泛的应用。

受现有技术的制约，现有检测技术尚无法较为准确的对材料牌号为42CrMo4风机主轴的布氏硬度进行无损在线检测。

虽然便携式里氏硬度计在在役设备的现场检测应用广泛，但是目前还没有标准是采用里氏硬度值作为判定依据的。一般情况下，均是将里氏硬度值换算为布氏硬度值来进行判定，那么能否准确地进行换算就十分重要了。现在里氏硬度与布氏硬度之间的转换是依据GB/T 17394.4-2014《金属材料里氏硬度试验第４部分：硬度值换算表》中的表１获得的，然而表１所适用的测试对象为“碳钢、低合金钢和铸钢”，严格来说，并不适用于风机主轴；若按表１进行换算，势必会造成偏差，不能反映所测部件的真实硬度情况。因此必须进行对比试验，找出与其相符合的里氏硬度与布氏硬度换算关系，以填补风机主轴材料里氏硬度测试标准的空白。

尽管GB/T 17394.4-2014《金属材料里氏硬度试验第１部分：试验方法》中未曾提到有关对比试验的要求，但由于GB/T 17394.4-1998《金属里氏硬度试验方法》对对比试验有明确要求：“对于特定材料，欲将里氏硬度值较准确地换算为其他硬度值，必须进行对比试验以得到相应的换算关系。”。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术存在的上述不足，提出一种用于风机主轴无损在线检测布氏硬度的方法，特别是材料牌号为42CrMo4风机主轴无损在线检测里氏硬度的方法，在阐明布氏硬度法（动态试验法）与里氏硬度法（静态试验法），以及拟合方法和拟合模型与不同工艺和参数之间关系的基础上，为对风机主轴在役状态精确评估和增强质量工具对使用过程的精准控制提供依据。

本发明的目的是由以下方式实现的：

一种用于风机主轴无损在线检测布氏硬度的方法，通过对布氏硬度法（动态试验法）与里氏硬度法（静态试验法）进行分析，以及拟合方法和拟合模型与工艺和参数之间的关系，构建基于真实组织演变的本构模型；再构建预测模型；最后通过有限元分析技术将上述模型嵌入到有限元系统中，得到不同工艺条件下的硬度分布规律。

所述的分析具体是指：对硬度分布特征、变化规律等进行分析。

所述的真实组织演变的本构模型基于不同工艺的实施，包括：退火、正火和调质工艺。

所述的预测模型是指：根据材料的布氏硬度与里氏硬度的关系，结合本构模型的表达式，得到材料在常温下的置信区间，进而得到里氏硬度的方程。

所述的嵌入具体是指基于有限元技术，利用假设检验验证方程的显著性，即得到假设检验值P大于0.05的回归方程。

本发明涉及一种实现上述方法的系统，包括：工艺实施处理单元、布氏硬度与里氏硬度试验检测单元、布氏硬度与里氏硬度建模单元以及验证单元，其中：工艺实施处理单元输出微观组织变化规律并传输给布氏硬度与里氏硬度试验检测单元，布氏硬度与里氏硬度试验检测单元输出硬度变化规律并传输给布氏硬度与里氏硬度建模单元，布氏硬度与里氏硬度建模单元输出解析表达式并通过有限元技术传输给验证单元，并与布氏硬度与里氏硬度试验检测单元的输出结果进行对比。

本发明的有益效果如下：

本发明整体解决了现有技术无法对材料牌号为42CrMo4风机主轴无损在线准确检测布氏硬度的技术问题。

与现有技术相比，本发明基于处理工艺过程中微观组织真实演变规律，建立了适用于42CrMo4成品风机主轴布氏硬度与里氏硬度的本构模型，可准确预测42CrMo4成品风机主轴布氏硬度分布值。本发明为实现对风机主轴在役状态精确评估、增强质量工具对使用过程的精准控制以及提高服役零件的疲劳寿命提供依据。相比于现有检测技术，本发明可大大降低人力物力成本，提高效率，同时填补风机主轴里氏硬度无损在线检测的空白。

附图说明

图1为本发明的流程示意图。

具体实施方式

实施例1

如图1所示，本实施例涉及一种材料牌号为42CrMo4风机主轴无损在线检测布氏硬度的方法，该材料由大量索氏体和少量铁素体组成，具体操作包括以下步骤：

步骤一、将材料牌号为42CrMo4风机主轴材料进行切割制成试样3组。分别对3组试样进行退火处理、正火处理及调质处理。从这3组中各选取1块进行切割、镶嵌、抛光和腐蚀后制成金相试样，置于光学显微镜下观察试样微观组织形貌。

步骤二、在步骤一的基础上，通过铣床、磨床分别对3组试样进行表面加工，在布氏硬度机进行测试试验得到布氏硬度数据；之后分别将3组试样置于里氏硬度机上，在每个布氏硬度点附近以不影响检测结果为前提进行里氏硬度测试试验，每个布氏硬度点附近进行多个里氏硬度测试试验，将其平均值作为1组里氏硬度有效值进行记录，共得到与布氏硬度数据相对应的里氏硬度数据。

步骤三、在步骤二的基础上，基于权值关系建立适用于材料牌号为42CrMo4风机主 轴材料的本构模型，该模型包括模型拟合相关性，其表达式为：

所述的权值关系包括：加权特性以及其权与单个点具有的偏离程度。

所述的建模过程具体如下：

①由于最小二乘法是根据与中间某处的远近来加权，其权与单个点具有的显著偏离有关，因此选择数值拟合方法为最小二乘法；

②根据硬度的定义和性质，选择拟合模型为一次函数，因此在此基础上建立的模型为：y=a+bx，其中a，b均为常数，x为里氏硬度值，y为布氏硬度值。

③在不同工艺条件下，材料的均匀性会有所不同，预测结果存在波动性，可引入概率为95%的置信区间进行修正，得到置信区间的范围，其表达式为：

④根据本构模型表达式：y=a+bx，带入置信区间

步骤四、基于有限元技术，采用假设检验对本构方程进行检验，假设检验表达式为：|t|>t

本实例共加工9块并分为3组（每3块试样为1组）试样，试样尺寸为200﹡100﹡20mm，通过测量，最终得到30组数据。经过具体实际实验，在不同的工艺状态下，得到的实验数据如下所示：

综上可见，材料牌号为42CrMo4风机主轴材料的布氏硬度和里氏硬度关系特征，与碳钢、低合金钢和铸钢材料不同，本发明基于权值关系和不同工艺解析建模方法、引入相关性预测方法以及有限元技术假设检验，故本发明对于材料牌号为42CrMo4风机主轴材料无损在线检测布氏硬度预测精度较高，省去了成本高、操作复杂的布氏硬度试验终检手段。

上述具体实施可由本领域技术人员在不背离本发明原理和宗旨的前提下以不同的方式对其进行局部调整，本发明的保护范围以权利要求书为准且不由上述具体实施所限，在其范围内的各个实现方案均受本发明之约束。