本發(fā)明涉及材料檢測方法，具體涉及一種690高強鋼表面形成納米晶的檢測方法。

背景技術(shù)：

隨著人口的不斷增長和陸上油氣資源的不斷消耗，海洋已成為世界油氣開發(fā)的主要領(lǐng)域。海洋平臺是集油田勘探、油氣處理、發(fā)電、供熱、原油產(chǎn)品儲存和外輸、人員居住于一體的綜合性海洋工程裝備，是實施海底油氣勘探和開采的工作基地。目前世界海洋油氣開發(fā)已呈現(xiàn)出向深海和極地進軍的趨勢，這對海洋平臺用鋼的綜合性能提出了更高的要求，海洋平臺用鋼除了要具有高強度、高韌性、抗疲勞、抗層狀撕裂、良好的焊接性和冷加工性能之外，耐海洋大氣和海水腐蝕性能也尤為重要。美國、日本和歐洲一些國家早就開始了海洋石油平臺用鋼的研究，并開發(fā)出多種適用于深海和極地海域使用的鋼種，如astm規(guī)范中的a514，jfe標準中的welten80和dnv規(guī)范中的690。我國尚無具體的海洋平臺用鋼標準，且在制造屈服強度大于690mpa的超高強海洋平臺用鋼方面與國外存在一定的技術(shù)差距。690高強鋼是重要的海工用鋼，在海洋潮差的作用下極易發(fā)生腐蝕損傷甚至腐蝕疲勞斷裂，會嚴重威脅海工平臺的安全。

690高強鋼因具有高強度、高韌性、抗疲勞、抗層狀撕裂等優(yōu)異性能，以及良好的焊接性能和冷加工性能，被廣泛應(yīng)用于海洋工程、艦船、港口機械等行業(yè)。近年來，隨著世界能源需求不斷加大和可開采油氣資源的減少，人類不得不對特大型海洋天然氣田等富含co2、h2s、cl等強腐蝕環(huán)境的高酸性油氣資源進行開采開發(fā)，特大型海洋天然氣田的特點是地質(zhì)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、高溫高壓、高腐蝕性。因此，國內(nèi)外對690高強鋼的需求不斷增加。

由于多數(shù)工程材料的失效行為(例如接觸疲勞失效，摩擦磨損等)多發(fā)生在試樣的表面，并且這些失效行為對材料的表面組織和性能有很大的敏感性。因此，優(yōu)化材料表面的組織和性能，能夠有效的提高工程材料總體的服役壽命。納米晶材料是指晶粒尺寸在納米量級的晶體材料。這類固體是由尺寸至少（在一個方向上）為幾納米的結(jié)構(gòu)單元（主要是晶體）所構(gòu)成的多晶體。由于納米晶粒極細，大量的原子處于晶粒之間的界面上，使界面成為一種不可忽略的結(jié)構(gòu)單元。這種獨特的結(jié)構(gòu)特征使納米晶材料成為有別于多晶體和非晶體的一種新材料，從而使材料在力學(xué)、磁性、介電性、超導(dǎo)性、光子等方面具備了許多優(yōu)異的性能。尤其是當晶粒細化到納米級后，材料的許多力學(xué)性能會發(fā)生明顯的變化，例如強度和硬度的提高，有些材料還會出現(xiàn)超塑性的現(xiàn)象。因此，納米晶的形成與否成為以690高強鋼作為材料的海工平臺關(guān)鍵零部件防腐蝕的重要指標之一。

目前，國內(nèi)尚無針對金屬材料的納米晶檢測宏觀檢測方法，只能通過對試樣進行透射電鏡的拍攝進行局部晶粒尺寸的觀察，同時通過電子衍射，當其衍射花樣呈現(xiàn)同心圓環(huán)的形式時，可以斷言試樣在所觀察的區(qū)域形成納米晶，但這種方法存在檢測周期過長、破壞材料表面、偶然性較大、測量晶粒尺寸誤差較大等缺陷，故上述檢測方法存在在實際生產(chǎn)中無法得到運用，因此實際生產(chǎn)過程中急需一種新的檢測方法用于檢測690高強鋼的表面是否有納米晶的形成。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是提供一種690高強鋼表面形成納米晶的檢測方法，用以解決現(xiàn)有690高強鋼表面納米晶檢測技術(shù)中檢驗周期長、破壞材料表面、偶然性較大、測量晶粒尺寸誤差較大的技術(shù)問題。

為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明所采用的技術(shù)方案為：一種690高強鋼表面形成納米晶的檢測方法，其創(chuàng)新點在于，包括以下步驟：

s1、制備若干塊690高強鋼樣品；

s2、使若干塊690高強鋼樣品在相同工藝、不同工藝參數(shù)下產(chǎn)生極端塑性應(yīng)變；

s3、利用x射線衍射儀對每一塊經(jīng)極端塑性應(yīng)變后的690高強鋼樣品的進行x射線衍射，得到一組x射線衍射圖；

s4、對一組x射線衍射圖中同一晶面的衍射峰進行分析，計算出每種工藝參數(shù)下同一晶面衍射峰的半高寬；

s5、建立工藝參數(shù)與半高寬的二維坐標系，繪制同一晶面的半高寬隨工藝參數(shù)變化的曲線圖；

s6、找出半高寬隨工藝參數(shù)變化的曲線圖中的增長拐點，通過透射電鏡及電子衍射實驗，驗證增長拐點處所對應(yīng)的極端塑性應(yīng)變的工藝參數(shù)為690高強鋼表面形成納米晶的最小工藝參數(shù)；當極端塑性應(yīng)變對應(yīng)的工藝參數(shù)超過其最小工藝參數(shù)時，690高強鋼表面形成納米晶。

其中，產(chǎn)生極端塑性應(yīng)變的工藝為激光沖擊強化工藝、超聲噴丸工藝、表面機械研磨工藝、表面機械碾壓工藝中的一種。

上述的，激光沖擊強化工藝的工藝參數(shù)為功率密度。

其中，所述690高強鋼表面形成納米晶的檢測方法還包括所述步驟s2和步驟s3之間對極端塑性應(yīng)變后的690高強鋼樣品進行表面處理的過程。

優(yōu)選的，所述表面處理的過程具體包括以下步驟：a.采用純乙醇或丙酮清洗劑對樣品進行浸泡清洗，浸泡清洗時間為3-10min；b.對浸泡清洗后的樣品進行超聲清洗，超聲清洗時間為1-5min，確保樣品表面無殘留雜質(zhì)。

其中，所述透射電鏡及電子衍射實驗包括以下步驟：先對x射線衍射后的若干塊樣品分別拍攝透射電鏡圖，對局部晶粒尺寸的檢測；后對拍攝電鏡圖后的若干塊樣品分別進行電子衍射，當其電子衍射圖中花樣呈現(xiàn)同心圓環(huán)的形狀時，表明晶粒取向隨機，納米晶分布均勻，即所觀察的區(qū)域存在分布均勻的納米晶粒。

本發(fā)明的上述技術(shù)方案的有益效果如下：本發(fā)明的690高強鋼表面形成納米晶的檢測方法，驗證了690高強鋼表面形成納米晶的方法的可靠性，通過采用超過690高強鋼表面形成納米晶的最小工藝參數(shù)的工藝參數(shù)進行的極端塑性應(yīng)變，能夠產(chǎn)生在690高強鋼表面形成納米晶，無需破壞690高強鋼材料表進行檢測，適用于實際生產(chǎn)過程。

附圖說明

圖1中本發(fā)明實施例中針對不同功率密度激光沖擊后若干塊690高強鋼樣品的一組x射線衍射曲線；

圖2為本發(fā)明實施例中針對同一晶面的的半高寬隨功率密度變化曲線圖；

圖3為本發(fā)明實施例中各690高強鋼樣品在多個功率密度條件下進行激光沖擊后透射電鏡拍攝圖；

圖4為本發(fā)明實施例中樣品在功率密度為5.09gw/cm²條件下激光沖擊后的電子衍射花樣圖。

具體實施方式

為使本發(fā)明要解決的技術(shù)問題、技術(shù)方案和優(yōu)點更加清楚，下面將結(jié)合附圖及具體實施例進行詳細描述。

一種690高強鋼表面形成納米晶的檢測方法，包括以下步驟：

制備若干塊690高強鋼樣品。

對若干塊690高強鋼樣品進行相同工藝、不同工藝參數(shù)下的極端塑性應(yīng)變。

對極端塑性應(yīng)變后的690高強鋼樣品進行表面處理。

利用x射線衍射儀對每一塊經(jīng)極端塑性應(yīng)變后的690高強鋼樣品進行x射線衍射，得到一組x射線衍射圖。

對一組x射線衍射圖中同一晶面的衍射峰進行分析，計算出每種工藝參數(shù)下同一晶面衍射峰的半高寬。

建立工藝參數(shù)與半高寬的二維坐標系，繪制同一晶面的半高寬隨工藝參數(shù)變化的曲線圖。

找出半高寬隨工藝參數(shù)變化的曲線圖中的增長拐點，增長拐點是上升過程中出現(xiàn)下降的拐點，通過透射電鏡及電子衍射實驗，驗證增長拐點處所對應(yīng)的極端塑性應(yīng)變的工藝參數(shù)為690高強鋼表面形成納米晶的最小工藝參數(shù)；當極端塑性應(yīng)變對應(yīng)的工藝參數(shù)超過其最小工藝參數(shù)時，690高強鋼表面形成納米晶。

產(chǎn)生極端塑性應(yīng)變的工藝包括激光沖擊強化工藝、超聲噴丸工藝、表面機械研磨工藝、表面機械碾壓工藝中的一種，所述激光沖擊強化工藝的工藝參數(shù)為功率密度。

實施例

一種690高強鋼表面形成納米晶的檢測方法，包括以下步驟：

制備若干塊690高強鋼樣品。

對若干塊690高強鋼樣品分別以功率密度為1.53gw/cm²、1.98gw/cm²、2.77gw/cm²、4.07gw/cm²、5.09gw/cm²進行激光沖擊強化工藝。

對激光沖擊強化后的690高強鋼樣品進行表面處理；表面處理具體包括以下步驟：a.采用純乙醇或丙酮清洗劑對樣品進行浸泡清洗，浸泡清洗時間為3-10min；b.對浸泡清洗后的樣品進行超聲清洗，超聲清洗時間為1-5min，確保樣品表面無殘留雜質(zhì)。

對表面清理后的若干塊690高強鋼樣品進行x射線衍射測定，獲得不同功率密度下的激光沖擊后的一組x射線衍射曲線，如圖1所示。

測量所得的圖1中一組x射線衍射曲線中同一晶面的的半高寬，得出一組x射線衍射中同一晶面的衍射峰半高寬數(shù)值，優(yōu)選的，通過jade軟件對x射線衍射曲線進行分析，經(jīng)過尋峰、初步搜索物相、確定主要物相所在衍射峰、標注衍射晶面的過程從而確定衍射曲線的半高寬；同時，jade軟件分析出690高強鋼屬于體心立方（bcc）結(jié)構(gòu)，具有慣習(xí)面{110}、慣習(xí)面{200}和慣習(xí)面{211}這三個晶面，如圖1中，前三組波峰分別對應(yīng)慣習(xí)面{110}、慣習(xí)面{200}和慣習(xí)面{211}的衍射峰；根據(jù)x射線衍射半高寬與晶粒尺寸之間的關(guān)系得出規(guī)律，晶格畸變寬化的積分寬度對半高寬的積分寬度的關(guān)系在h、k、l之和為偶數(shù)時為0，即晶格畸變寬化的積分寬度對半高寬的積分寬度沒有影響，由于690高強鋼的三個晶面的h、k、l之和均為偶數(shù)，因此，690高強鋼表面發(fā)生極端塑形變形時，其半高寬的寬化程度完全由晶粒細化的程度決定，所以用半高寬表征納米晶的形成程度是合理的。

慣習(xí)面標定即晶面指數(shù)標定，包括以下步驟：1)在點陣中設(shè)定參考坐標系，設(shè)置方法與確定晶向指數(shù)時相同；2)求得待定晶面在三個晶軸上的截距，若該晶面與某軸平行，則在此軸上截距為無窮大；若該晶面與某軸負方向相截，則在此軸上截距為一負值；3)取各截距的倒數(shù)；4)將三倒數(shù)化為互質(zhì)的整數(shù)比，并加上圓括號，即表示該晶面的指數(shù)，記為(hkl)。晶面指數(shù)所代表的不僅是某一晶面，而是代表著一組相互平行的晶面。另外，在晶體內(nèi)凡晶面間距和晶面上原子的分布完全相同，只是空間位向不同的晶面可以歸并為同一晶面族，以{hkl}表示，它代表由對稱性相聯(lián)系的若干組等效晶面的總和。

針對不同功率密度時所對應(yīng)的x射線衍射曲線的半高寬數(shù)值，建立二維坐標系并在二維坐標系中繪制同一晶面的半高寬隨功率密度變化曲線圖，可選的，使用origin畫圖繪制同一晶面的半高寬隨功率密度變化曲線圖，如圖2所示，圖2為慣習(xí)面{110}面的半高寬隨功率密度變化曲線圖。

尋找半高寬隨功率密度變化曲線圖的第一個增長拐點a，增長拐點a處所對應(yīng)的激光沖擊強化工藝的功率密度為2.77gw/cm²。

通過透射電鏡及電子衍射實驗，如圖3所示，其中，圖3a為功率密度1.53gw/cm²條件下進行激光沖擊后透射電鏡拍攝圖，圖3b為為功率密度1.98gw/cm²條件下進行激光沖擊后透射電鏡拍攝圖，圖3c為為功率密度2.77gw/cm²條件下進行激光沖擊后透射電鏡拍攝圖，圖3d為功率密度4.07gw/cm²條件下進行激光沖擊后透射電鏡拍攝圖，，圖3e為功率密度5.09gw/cm²條件下進行激光沖擊后透射電鏡拍攝圖，通過透射電鏡拍攝圖，實現(xiàn)對晶粒尺寸進行檢測，發(fā)現(xiàn)在顯微鏡觀測到的在小于2.77gw/cm²的功率密度激光沖擊后的690高強鋼樣品中未發(fā)現(xiàn)納米化現(xiàn)象,晶粒在2.77gw/cm²的功率密度激光沖擊后已經(jīng)呈現(xiàn)納米化，尺寸在50-200nm之間的晶粒占檢測區(qū)域的80%以上，證實了在增長拐點a所對應(yīng)的功率密度對690高強鋼樣塊進行激光沖擊強化時，690高強鋼材料已實現(xiàn)了表面納米化，并且隨著激光沖擊強化工藝的功率密度的上升，690高強鋼材料表面納米化程度會進一步加深，在功率密度為5.09gw/cm²時，材料表面晶粒尺寸大約為100nm，同時，如圖4所示，電子衍射花樣為同心圓環(huán)，證明所觀察區(qū)域晶粒取向隨機，納米晶分布均勻，即所觀察的區(qū)域存在分布均勻的納米晶粒。

由上，驗證增長拐點a處所對應(yīng)的激光沖擊強化工藝的功率密度2.77gw/cm²為690高強鋼表面形成納米晶的最小功率密度；當激光沖擊強化工藝的功率密度超過其最小功率密度時，690高強鋼表面形成納米晶。

本發(fā)明的690高強鋼表面形成納米晶的檢測方法，驗證了690高強鋼表面形成納米晶的方法的可靠性，通過采用超過690高強鋼表面形成納米晶的最小工藝參數(shù)的工藝參數(shù)進行的極端塑性應(yīng)變，能夠產(chǎn)生在690高強鋼表面形成納米晶，無需破壞690高強鋼材料表進行檢測，適用于實際生產(chǎn)過程。

以上所述是本發(fā)明的優(yōu)選實施方式，應(yīng)當指出，對于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明所述原理的前提下，還可以作出若干改進和潤飾，這些改進和潤飾也應(yīng)視為本發(fā)明的保護范圍。