表面為曲面的金屬表面硬化層深度的測量方法

專利名稱：：表面為曲面的金屬表面硬化層深度的測量方法
技術領域：
：本發明涉及一種材料的非接觸無損檢測方法，具體涉及一種對經過表面硬化處理的金屬樣品的表面硬化層深度輪廓進行無損檢測的方法。
背景技術：
：金屬材料(尤其是鋼鐵)的表面硬化層深度及輪廓是材料一個重要指標，是航空航天、船舶、汽車、熱處理等工業中關鍵部件的必測參數。現有的國際標準測量方法是破壞性接觸測量，即采用所謂的"壓痕"(indentation)方式。在一拋光的待測樣品表面，放上一特殊設計的針狀壓痕頭，壓痕頭上施加特定的負載和相應的時間，從而在樣品表面留下一壓痕。通過測量壓痕的尺寸，并采用合適的校準公式，獲得樣品的硬度。為了獲得樣品的硬度隨深度的變化輪廓，樣品必須被從截面切開并拋光，從切面沿著深度方向進行壓痕測試，進而得到硬度輪廓。這樣的測試過程既是破壞性的又非常費時，而且不能用于實時和實樣檢測。光熱輻射測量法(PTR技術)是在光聲光譜技術的基礎上發展起來的一種新型的非接觸的無損檢測技術。激光光熱輻射技術的基本原理是用一束經過頻率調制的激光入射到待測物體(目標)的表面。物體吸收光束能量后導致局部的溫度升高，從而引起物體紅外輻射的變化。選用適當的紅外探測器(如HgCdTe,InSb等)，髙效的紅外光學系統以及相關檢測技術，可以探測到這一由于激光入射引起的紅外輻射信號。所探測到的紅外輻射信號除了跟材料的物理性質有關外，還與材料表面的幾何形狀有關。這種紅外輻射信號與材料物理性質和幾何形狀的依賴關系形成了激光光熱輻射測量的基礎。然而，縱觀這些年來激光光熱輻射技術的發展，不難發現，到目前為止，所有的研究都集中在大尺寸的平面物體。這是由于該技術在發展初期為減少研究的復雜性將重點放在機理和可行性的研究方面。但是，隨著技術的發展和研究的深入，僅對平面大尺寸物體進行研究顯然是不夠的。一個典型的例子就是3對金屬表面硬化層的研究。由于實際工業生產中的待測試樣千變萬化，可能是任何形狀，平面的、柱面的、球面的、或任意曲面樣品(如航空發動機的齒輪)等等。如何拓展該技術到適用于任意曲面或者發展一種能消除試樣表面幾何形狀影響的新方法是該技術面臨的一個至關重要的基礎性難題，是關系到該技術能否真正走向實際應用的一個關鍵。申請人在一份在先的中國發明專利申請中，公開了利用PTR技術對平面鋼鐵樣品的表面硬化深度和輪廓進行無損檢測的方法，然而在實際應用中，如何對圓柱的(螺絲、釘子)、球形的(滾球軸承)或是任意形狀的樣品的表面硬化深度和輪廓進行無損檢測至今仍然是空白。針對上述問題，發明人對柱面和球面單層樣品和二層樣品的光熱輻射場分布進行了研究，首次驗明了光熱輻射場對柱面和球面試樣幾何形狀的定量依賴關系。2006年，西班牙研究人員也報道了用矩陣方法進行柱面和球面樣品的研究。然而，這些研究表明，對于曲面樣品的PTR檢測，后處理極其復雜，并且需要引入曲面形狀信息和曲率，因而難以在實際檢測中應用。
發明內容本發明目的是提供一種表面為曲面的金屬表面硬化層深度的測量方法，消除曲面形狀和曲率對PTR信號的影響，使得對曲面樣品的金屬表面硬化層的深度的非接觸無損檢測變得簡單而實用。為達到上述目的，本發明采用的技術方案是一種表面為曲面的金屬表面硬化層深度的測量方法，包括下列步驟(1)對待硬化的樣品采用光熱輻射測量法進行測量，得到樣品表面溫度場的振幅和相位相對于調制光的頻率變化的掃描測量值；(2)將待硬化的樣品進行表面硬化處理，獲得硬化后的樣品；(3)對硬化后的樣品采用光熱輻射測量法進行測量，得到樣品表面溫度場的振幅和相位相對于調制光的頻率變化的掃描測量值(4)根據步驟(1)和(3)中的測量值，進行自歸一化處理，得到對應于頻率值的歸一化的振幅和相位的值；(5)根據步驟(4)中獲得的歸一化振幅和歸一化相位，利用平面理論采用正向數值擬合算法擬合獲得熱導率隨深度變化的輪廓曲線；(6)由熱導率輪廓曲線分析得出硬化深度。上述技術方案中，步驟(4)中所述的自歸一化處理是，對應每一頻率值，歸一化振幅為硬化后的樣品在該頻率下的振幅除以待硬化的樣品在該頻率下的振幅，歸一化相位為硬化后的樣品在該頻率下的相位減去待硬化的樣品在該頻率下的相位。上文中，光熱輻射測量法是一種非接觸無損檢測方法，將經過頻率調制的激光束照射在待測樣品上，用紅外探測器接收樣品的熱輻射，獲得熱輻射信號隨入射激光束調制頻率變化的測量值，包括振幅和相位值。對熱導率輪廓曲線的分析通常是根據熱導率變化的極限值確定待測樣品硬化層的深度。由于上述技術方案運用，本發明與現有技術相比具有下列優點.-1.本發明采用光熱輻射技術，通過熱物理性質深度輪廓的重建得到金屬樣品表面硬化層的深度，經實驗驗證，得到重建的熱導率曲線與顯微硬度曲線有很好的一致性。2.本發明創造性地提出了對樣品在硬化處理前和硬化處理后分別進行光熱輻射測量，再進行歸一化處理的方法，從而消除了曲面形狀和曲率對PTR信號影響，這樣，可以在不知道曲面樣品的表面形狀和精確尺寸如直徑等的情況下，定量測定曲面樣品的表面非均勻性質的輪廓，實現了對表面為曲面的金屬樣品的表面硬化層厚度的測量，并且測量方法簡單實用。圖1是本發明實施例一中的實驗裝置示意框圖圖2是實施例一中平面樣品的檢測曲線對比示意圖3是實施例一中三個不同直徑的圓柱樣品及對應平面樣品的歸一化振幅實驗曲線圖4是實施例一中三個不同直徑的圓柱樣品及對應平面樣品的歸一化相位實驗曲線；圖5是實施例一中直徑D-18mm的非均勻圓柱樣品的實驗數據結果和理論擬合結果；圖6是直徑D-10mm的非均勻圓柱樣品的實驗數據結果和理論擬合結果；圖7是直徑D=4mm的非均勻圓柱樣品的實驗數據結果和理論擬合結果；圖8是平面樣品的實驗數據結果和理論擬合結果；圖9是由三個樣品及對應平面的實驗數據擬合得到的表面硬化層的熱傳導率曲線；圖io是實施例二中多層平面樣品模型示意圖11是實施例二中圓柱模型兩組不同q值的熱傳導k深度曲線；圖12是實施例二中圓柱樣品的振幅自歸一化曲線；圖13是實施例二中圓柱樣品的位相自歸一化曲線；圖14是實施例二中采用常規信號歸一化方法處理的光熱信號振幅曲線；圖15是實施例二中采用常規信號歸一化方法處理的光熱信號位相曲線;圖16是實施例二中兩組不同q值的熱傳導k深度曲線；圖17是實施例二中球面樣品的振幅自歸一化曲線；圖18是實施例二中球面樣品的位相自歸一化曲線；圖19是實施例二中采用常規信號歸一化方法處理的光熱信號振幅曲線;圖20是實施例二中采用常規信號歸一化方法處理的光熱信號位相曲線。其中1、半導體激光器；2、離軸拋物面鏡；3、HgCdTd紅外探測器；4、前置放大器；5、鎖相放大器；6、電腦；7、樣品；8、電源。具體實施方式下面結合附圖及實施例對本發明作進一步描述實施例一一種表面為曲面的金屬表面硬化層深度的測量方法，具體實施過程如下實驗樣品為經過表面熱處理的AISI1020鋼(C:17%—23%,Mn:35%—65%,P《3.5%，S《3.5。/。)的非均勻圓柱，樣品直徑分別為D=18mm，D=10mm和D-4mm,長度都為30mm,每種尺寸的圓柱樣品含有兩個，其中一個進行表面硬化處理，一個未進行硬化處理，作為參考樣品。AISI1020鋼的熱物理系數為k=50.63W/mK,p=7850g/cm3，c=468.608J/kg",a=k/Pc=13.7663Xl(T(ni7s)。實驗測量裝置如附圖l所示(各儀器的性能和參數見表1)，主要6由Jenoptik半導體激光器1、電源8、擴束系統、離軸拋物面鏡2、HgCdTd紅外探測器3、Ge濾光片、前置放大器4、鎖相放大器5以及電腦6組成。表1實驗儀器<table>tableseeoriginaldocumentpage7</column></row><table>一束被頻率調制的光束經過擴束后調成平行光照射在測量樣品上后，引起樣品內部的溫度變化，并產生熱輻射的變化，樣品發出的紅外輻射被離軸拋物面鏡系統收集并被一個HgCdTd紅外探測器(EG&GJudsonModelJ15D12-M204-S01M-60)檢測到。探測器檢測的信號又被一個低噪聲前置放大器(EG&GJudsonPA101)放大后進入鎖相放大器(EG&GInstumetns，Model7265),最后被數據被電腦采集。實驗過程中，通過計算機程序設置起始、結束頻率，經過RS232標準串行口按相應指令的形式傳給鎖相放大器，進而改變調制頻率，由鎖相放大器輸出該頻率處的信號的相對振幅和位相。PTR整個檢測過程是頻率掃描，從中獲得信號在各個頻率處振幅和相位的信息。PTR實驗中使用的是連續調制的方式，因而需要對入射光的強度進行調制。本實施例中使用激光器的外部調制模式，由外部提供一定頻率的正弦電壓，則激光器輸出的光功率也是相同頻率的正弦信號。由于激光器本身功率的限制，外部提供的電壓信號的范圍需要在0.75V4.18V之間。由于鎖相放大器只可以輸出一個正負的展蕩正弦信號，所以需要在鎖相放大器與激光器之間加一個可以將基準直流電壓提升的電路將鎖相放大器輸出的正負的展蕩正弦信號提升到激光器的閾值范圍內的正弦電壓信號。首先用一個平面樣品來進行測試系統的調試，通過移動紅外探測器、樣品位置和離軸拋物面鏡，最終使得平面樣品和探測器都在離軸拋物鏡系統的焦平面上。當用圓柱樣品來取代平面樣品后，還需要進行一些特別調整需將樣品的前表面的頂點確切地放置在離軸拋物鏡系統的焦點上，從而使得探測器探測到的是該點的溫度場變化，其它點發射出的熱波場將不被探測器所探測到。調整后，通過移動透鏡將激光光束擴束到光斑直徑約為22mm，以便于足夠大到能夠近似于平行光。測量包括下列步驟(1)對未進行硬化處理的樣品采用光熱輻射測量法進行測量，得到樣品表面溫度場的振幅和相位相對于調制光的頻率變化的一系列測量值；(2)將進行表面硬化處理，獲得硬化后的樣品(可以采用第一個樣品進行處理，也可以采用與第一個樣品同樣的另一個樣品進行處理)；(3)對硬化后的樣品采用光熱輻射測量法進行測量，得到樣品表面溫度場的振幅和相位相對于調制光的頻率變化的一系列測量值；(4)根據步驟(1)和(3)中的測量值，進行自歸一化處理，得到對應于頻率值的歸一化的振幅和相位的一系列值；(5)根據步驟(4)中獲得的歸一化振幅和歸一化相位，利用平面理論采用正向數值擬合算法擬合獲得熱導率隨深度變化的輪廓曲線；(6)由熱導率輪廓曲線分析得出硬化深度。作為對比，對經過硬化后樣品的表面硬化深度輪廓用顯微硬度法測得硬度曲線(由蘇州工業園區姑蘇電爐有限公司的顯微測量儀測得，屬于破壞性測量)。用破壞性測量獲得的硬度曲線如附圖2所示。其中擬合的曲線為實驗曲線的多項式擬合曲線。從圖中可見硬度從表面769HV(HardnessVickers)變化到197HV時的深度為0.9mm。采用類似的方法對圓柱樣品進行檢測，其中，對歸一化后的數值采用平面的擬合方法進行擬合，獲得硬化層的熱導率(K)輪廓曲線。三個圓柱樣品的直徑不同，如前所述，樣品經歷了同樣的熱處理過程，因而應具有相同的硬化層深度。附圖3給出了三個不同直徑的圓柱樣品及對應平面樣品的歸一化振幅實驗曲線，附圖4則給出了歸一化相位實驗曲線。從圖中我們看出不同直徑圓柱樣品的歸一化曲線均與平面樣品的歸一化曲線很好地吻合。8圖5、圖6、圖7和圖8分別給出了直徑為D=18mm，D=10mm，和D=4mm的非均勻圓柱以及平面樣品的實驗數據結果和理論擬合結果。由三個樣品及對應平面的實驗數據擬合得到的表面硬化層的熱傳導率曲線如圖9所示。由圖5至圖8可以看到，實驗數據和理論擬合結果在低頻段很好的吻合，在髙頻段噪聲比較大。分析可能是由于表面粗糙度引起的。根據熱擴散長度公式"=V^，頻率髙的，熱擴散長度相對短，這樣樣品表面情況對測量結果的影響較低頻段大。在理論擬合中，需擬合的參數有^和q,^以及工Q。樣品的實驗數據擬合得出的參數見表2。其中擬合參數存在的一些誤差可能是主要是由于儀器誤差和物體表面粗糙度不同所引起的。三個參數中^的差別最大，可能是由于在樣品放置時位置的不同所引起的，也有可能是擬合誤差所導致的。擬合得到的參數￡。為表面硬化層熱性質達到飽和時的厚度。由于這三個樣品是在同一條件下(同一批)進行硬化處理的，因而這三個樣品可以被認為應該具有相同的硬化深度及輪廓。從以上的擬合結果可以清楚地看出這三個樣品及對應平面的擬合結果髙度自洽。表2根據三個樣品及對應平面的實驗數據擬合得到的參數<table>tableseeoriginaldocumentpage9</column></row><table>圖5,圖6和圖7的樣品是同一批進行處理的，因而它們的表面硬化層的性質應該是相同的。從三個樣品實驗數據擬合得到的參數可以看到，擬合得到的熱物理參數三個樣品的熱物理參數基本相同，與實際吻合。從圖9中可以看出，熱導率曲線從表面開始單調上升到一特定深度的時候達到飽合，熱導率值不再隨著深度變化，而是達到一個固定的值。這個特定的深度就是不均勾層的深度，也就是硬化鋼鐵表面硬化層的深度。擬合參數Lo即表示不均勻層的厚度，是熱導率曲線達到飽和，與芯部未硬化層的熱導率相同時的深度，也就是理論模型中1層到N層的總厚度。所以通過對熱導率曲線的擬合可以得到不均勻層的深度。從實驗樣品的理論擬合結果可以得到三個樣品硬化層的深度。從表3中可以看出，用PTR方法與顯微硬度法測量得到的硬化層深度的值非常接近，兩者之間存在一個穩定的比率，這個比率平均值為1.22。這個比率可以用來對PTR擬合方法得到的硬化層深度進行校準，我們用PTR擬合方法得到的硬化層深度值除以1.22即可得到硬化樣品滲碳硬化層的總深度。表3硬化層深度測量的PTR方法與顯微硬度法的比較樣品直徑D(mm)PTR方法測量值顯微硬度法測量值兩者比率(PTR/顯微硬度法)D=180.9950.9mm1.11D=101.140.9mm1.27D=41.030.9mm1.14平面1.150.9mm1.28實施例二本發明檢測方法的理論分析(l)圓柱樣品模型和計算公式設有一束光強為7。，調制頻率為f=2<)的激光束照射在圓柱樣品上，則樣品吸收光后引起溫度的變化和紅外輻射的變化，用相應的紅外探測器(如HgCdTe)即可探測到樣品的熱輻射一一即光熱信號。設表面硬化層是多層構成的不均勻層，即由N層不同材料組成多層圓柱模型。、，"'分別表示第i層的熱傳導率和熱擴散率；"'和"'"分別表示第i層的外半徑和內半徑。圓柱表面任意一點的溫度場可以表示為r一)^2"'Cw(2,1)(g)—(,)'"wsin(^70)cos0-sin0式中"'；r(w2—1)(22)系數丄,，《,滿足10<formula>formulaseeoriginaldocumentpage11</formula>(3)平面樣品的多層模型和計算公式圖IO給出多層的平面樣品模型。如圖IO所示，整個系統有N+1層，0層空氣層，1層到N-1層是熱導率連續變化的不均勻層，N層是均勻基底層(假設基底層為半無限大)。第i層的熱傳導率和熱擴散率分別為&和a'表示。每一層厚度為1,"(/)—"(/+1)(1=1，...，^1)。一束調制的髙斯光束沿z軸垂直照射在多層平面樣品上，光斑半徑為"，調制頻率為/，強度為尸。多層平面樣品表面的溫度場為7;(r,z=0,co)=|°"(A,z=0，ffl)/。(Ar)Aca=「&(0)1+g,2:g-午j。(Ar)緒其中-25,+1ii+—,十I，'J,十|—-<3/+l—^_1-\o一Vw1+6,1+6,",(4)曲面樣品的信號歸一化測量原理觀察圓柱樣品的PTR信號，我們發現外半徑相同的樣品(如一層均勻圓柱樣品和非均勻圓柱樣品)之間存在許多共同的幾何參數，如角度參數e和^。通過研究發現自歸一化處理可將共同的一些幾何參數消除或部分消除。歸一化后的PTR信號將主要或只取決于材料的熱物理性質，從而減少了分析圓柱樣品PTR信號的復雜性。非均勻圓柱和球樣品的熱物理參數可以是任意連續變化的，在此我們用多層的圓柱模型和球面模型來研究非均勻的圓柱樣品及球面樣品(如鋼表面硬化層)。考慮到硬化樣品的一般特性，硬化層內熱物理參數的變化應遂循以下的幾個規律(1)熱物理性質參數應該是一個沿深度Z軸方向單調的函數不管是增函數還是減函數；(2)熱物理性質曲線將在一定的深度達到飽和，并與未硬化層一致；(3)考慮到數據擬合效率，熱物理參數深度輪廓的表達應該盡可能簡潔，以減少擬合的復雜程度和擬合所用的時間。我們將熱傳導率的表達式定義為1—、//A",A=l+A、,A錨ivt曰幼抽.ifcB金玄*fr.&其中-e',"。."式中^為第N層的熱傳導率系數；為第1層的熱傳導率系數；《為熱傳導率斜率；￡。為表面硬化層的深度。如果選取合適的參數，由公式(3.1)定義的熱傳導率曲線表達式可以表示各種可能的隨深度單調變化的曲線形式，當參數取為一定值還可以表示為隨著深度變化熱傳導率趨向飽和的曲線。熱擴散率a與熱傳導率^之間的關系為a=——Pc(3.2)其中P是材料的密度，c是比熱。由于在熱處理過程中，鋼樣品的密度和比熱一般都不會發生變化，^作為硬化鋼的參數常常被假定為一個常量，因而表面硬化層熱擴散率a可表示為.1+AJ，其中一aKM-一"。.3)式中A為第一層的熱擴散率，^'為第N層的熱擴散率。雖然熱擴散率"的表達與熱傳導率^表達式相同，但是我們可以通過取不同的參數獲得與熱擴散率a不同變化的熱傳導率曲線，從而可以單獨研究熱傳導率參數和熱擴散率參數對PTR信號的影響。自歸一化過程如下第一，非均勻圓柱或球面樣品(如硬化圓柱或球面樣品)用熱物理性質均勻的圓柱或球面樣品(未硬化的樣品)的PTR信號來進行歸一化。其中一層均勻圓柱樣品的半徑等于非均勻圓柱樣品的外半徑，均勻圓柱或球樣品的熱物理性質與非均勻圓柱或球樣品的中心區域(未硬化層)的熱物理性質相同。第二，非均勻平面樣品用半無限厚平面均勻樣品進行歸一化。其中半無13限厚均勻樣品的熱物理性質與非均勻平面樣品底層(未硬化層)的熱物理性質相同。半無限厚平面的振幅和相位是按照著名的一維理論模型建立的。第三，比較曲面樣品歸一化結果與平面樣品歸一化結果之間的一致性。下面用自歸一化過程分析非均勻圓柱樣品的PTR信號。非均勻圓柱樣品的中心層由AISI1018號鋼("=51.^=13.57x10-S2")組成。表面硬化層的熱物理性質是連續漸變的。假設一束光強為^的光照射到被測的非均勻和一層均勻圓柱樣品上，光束的尺寸足夠大到能夠覆蓋非均勻和一層均勻圓柱樣品的整個上表面即0=90°。PTR信號是在^^5G"的位置進行測量(考慮到一般性)。每層圓柱的半徑用公式"'="'—)/(〃一)x(卜1)，("1，2,…W-1)來表示。表面硬化層的熱傳導率用公式(3.1)來表示。我們選擇了兩組具有不同熱傳導深度輪廓的圓柱樣品做分析。兩組熱傳導深度輪廓具有相同的L0-lmm，k0-36.05w/mk,^=51.，/獻，不同的q分別為5000和8000。每一組包括5個直徑不同的系列圓柱樣品，外直徑D分別為10,15，20，30，40mm。圖11給出了兩組不同q值的熱傳導k深度曲線，其中實線為q=5000時的熱傳導率隨樣品表面硬化深度變化曲線，虛線為q=8000時的熱傳導率隨樣品表面硬化深度變化曲線。從圖中可以看出，q越大，熱傳導曲線上升越快，越快達到飽和，也即樣品的熱物理性質變化層的有效深度越小。圖12和圖13給出了兩組具有不同熱傳導率深度輪廓情況下直徑分別為10，15，20，30，和40mm的圓柱樣品的振幅和位相自歸一化曲線，以及分別和具有相同熱傳導率深度輪廓的平面樣品的對比。從圖12和13可以看出，具有相同深度輪廓但不同直徑的圓柱樣品在自歸一化信號處理后的振幅和位相與具有相同深度輪廓的平面樣品基本重合。這一結果表明如果采用合適的信號自歸一處理，圓柱曲面、幾何尺寸及測量角度等因素對光熱信號的影響可以基本消除，無需精確的曲面幾何尺寸測量，在一定的范圍內，只需采用平面樣品的測量和深度輪廓重建方法和技術，從而大大減小圓柱曲面硬化深度輪廓測量的難度和復雜性。圖中第一組為q-5000，第二組為q=8000.圖14和15給出了未經自歸一化處理的光熱信號振幅和位相曲線(采用常規的信號歸一化方法，即圓柱樣品信號與均勻半無限大平面樣品進行歸一)。從圖中可以明顯看實際測量中需要非常精確的幾何參數測量，兩組熱傳導深度輪廓的不同直徑圓柱樣品的振幅和位相曲線相互交叉童疊，振幅和位相對樣品的幾何尺寸非常敏感。這意味著不釆用本發明的技術方案，在實際測量中需要非常精確的幾何參數測量，因而本發明的技術方案具有顯著意義。下面再利用自歸一化過程分析非均勻球面樣品的PTR信號。非均勻球面樣品的中心層由AISI1018號鋼(^=51.，/獻，=13.57x10—6附2")組成。表面硬化層的熱物理性質是連續漸變的。假設一束光強為7。的光照射到被測的非均勻和一層均勻球面樣品上，光束的尺寸足夠大到能夠覆蓋非均勻和一層均勻球面樣品的整個上表面即6=90°。考慮到一般性，PTR信號是在^-50"的位置進行測量。每層的半徑用公式^l)x('-l),(/"，2，J-1)來表示，表面硬化層的熱傳導率用公式(3.1)來表示。我們選擇了兩組具有不同熱傳導深度輪廓的球面樣品做分析。兩組熱傳導深度輪廓具有相同的L0=lmm，kl=36.05w/mk，"=51，/wiC，不同的q分別為5000和8000。每一組包括4個直徑不同的系列球面樣品，外直徑D分別為15，20,30，40mm。圖16給出了兩組不同q值的熱傳導k深度曲線，其中實線為q=5000時的熱傳導率隨樣品表面硬化深度變化曲線，虛線為q=8000時的熱傳導率隨樣品表面硬化深度變化曲線。圖17和圖18給出了兩組具有不同熱傳導率深度輪廓情況下直徑分別為15,20，30，和40mm的球面樣品的振幅和位相自歸一化曲線，以及分別和具有相同熱傳導率深度輪廓的平面樣品的對比。從圖17和18可以看出，具有相同深度輪廓但不同直徑的球面樣品在自歸一化信號處理后的振幅和位相與具有相同深度輪廓的平面樣品基本重合。這說明這種可消除曲面因素影響的自歸一化方法同樣適用于球面樣品。圖19和20給出了未經自歸一化處理的光熱信號振幅和位相曲線(釆用常規的信號歸一化方法，即球面樣品信號與均勻半無限大平面樣品進行歸一)。從圖中可以明顯看實際測量中需要非常精確的幾何參數測量，兩組熱傳導深度15輪廓的不同直徑球面樣品的振幅和位相曲線相互交叉重疊，振幅和位相對樣品的幾何尺寸非常敏感。權利要求1.一種表面為曲面的金屬表面硬化層深度的測量方法，其特征在于，包括下列步驟(1)對待硬化的樣品采用光熱輻射測量法進行測量，得到樣品表面溫度場的振幅和相位相對于調制光的頻率變化的掃描測量值；(2)將待硬化的樣品進行表面硬化處理，獲得硬化后的樣品；(3)對硬化后的樣品采用光熱輻射測量法進行測量，得到樣品表面溫度場的振幅和相位相對于調制光的頻率變化的掃描測量值；(4)根據步驟(1)和(3)中的測量值，進行自歸一化處理，得到對應于頻率值的歸一化的振幅和相位的值；(5)根據步驟(4)中獲得的歸一化振幅和歸一化相位，利用平面理論采用正向數值擬合算法擬合獲得熱導率隨深度變化的輪廓曲線；(6)由熱導率輪廓曲線分析得出硬化深度。2.根據權利要求1所述的表面為曲面的金屬表面硬化層深度的測量方法，其特征在于步驟(4)中所述的自歸一化處理是，對應每一頻率值，歸一化振幅為硬化后的樣品在該頻率下的振幅除以待硬化的樣品在該頻率下的振幅，歸一化相位為硬化后的樣品在該頻率下的相位減去待硬化的樣品在該頻率下的相位。全文摘要本發明公開了一種表面為曲面的金屬表面硬化層深度的測量方法，其特征在于采用光熱輻射測量法進行測量，分別獲得樣品在硬化前和硬化后的樣品表面溫度場的振幅和相位相對于調制光的頻率變化的測量值；然后進行自歸一化處理，得到對應于頻率值的歸一化的振幅和相位的值；再利用平面理論采用正向數值擬合算法擬合獲得熱導率隨深度變化的輪廓曲線；由熱導率輪廓曲線分析得出硬化深度。本發明通過熱物理性質深度輪廓的重建得到金屬樣品表面硬化層的深度，方便地實現了對表面為曲面的金屬樣品的表面硬化層厚度的無損測量。文檔編號G01B11/22GK101551239SQ20091002916公開日2009年10月7日申請日期2009年1月7日優先權日2009年1月7日發明者劉立旺,宏曲,王欽華,陳珠英申請人:蘇州大學