[发明专利]基于小时间尺度的疲劳裂纹扩展机理测试方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种金属材料测试方法，具体为基于小时间尺度的疲劳裂纹扩展机理测试方法。

背景技术

材料的疲劳研究一直都是热点问题，而疲劳裂纹扩展机理是其中的一个难点。疲劳裂纹扩展机理与许多因素相关，材料的微观组织变化、环境的细微变化等都可能显著改变其疲劳裂纹扩展行为及剩余寿命，因此，研究材料的疲劳裂纹扩展机理，掌握其损伤的本质原因，然后采取相应措施，才能达到优化材料的组织结构特征以提高抵抗疲劳裂纹扩展的目的。随着材料科学技术的发展，人们能采用各种技术方法对材料损伤进行分析，对不同材料的疲劳裂纹扩展机理也有了更为深入的认识。

目前疲劳裂纹扩展机理分析方法主要以原位疲劳试验及断口分析为主，断口分析属于一种事后分析方法，通过破断后的表面形貌研究材料的断裂机制，然而无法对材料在受载过程中的动态形变行为和形变机理进行研究。原位疲劳试验主要是采用扫描电镜方法，对数十个循环载荷间隔周次或数百个循环载荷间隔周次内的疲劳裂纹扩展行为进行观察，然而研究的时间尺度相对较大，限制了分析精度。同时，现有原位裂纹扩展试验主要是采用先进行金相腐蚀，然后在扫描电镜下原位观测的办法，未考虑到金相腐蚀对晶界等组织的影响，然而晶界是影响疲劳裂纹扩展的重要因素，因此，传统原位裂纹扩展试验得到的裂纹扩展机理并不能真实反映出材料的断裂特征，影响对材料损伤本质的认识。

发明内容

针对上述技术问题，本发明提供一种测试方法，为解决现有原位疲劳裂纹扩展机理分析存在的分析时间尺度大、精度不高、且忽略了金相腐蚀对材料微观组织影响的问题。具体的技术方案为：

基于小时间尺度的疲劳裂纹扩展机理测试方法，包括以下步骤：

(1)试样的制备

结合扫描电镜所配原位拉伸台要求制备试样，采用线切割方法在试样上制备预制缺口；对试样进行编号；

(2)试样金相组织分析和标定

根据《GB/T 13298-1991金属显微组织检验方法》，将试样进行打磨和抛光处理，配制化学浸蚀剂对试样进行金相处理；将试样置于显微镜下，在不同放大倍数下，观察试样表面的晶粒、晶界、第二相粒子等微观形貌；拍摄试样金相照片，标定出晶界和第二相粒子的位置；

(3)疲劳裂纹预制试验

试样表面重新抛光后装夹于疲劳试验机中，安装位置需垂直且居中；参考《GB/T 6398-2000金属材料疲劳裂纹扩展速率试验方法》，开展预制裂纹试验；

(4)原位疲劳加载试验及小时间尺度位置标定

将试样装夹在原位拉伸台中，并放置在扫描电镜里；设定载荷、应力比和循环周次进行疲劳循环加载；循环加载50周次后，当裂纹开始稳定扩展时，结合金相图片，判断裂纹尖端是否接近某一晶界或第二相粒子位置；判断裂纹尖端接近晶界时，一个载荷周期为小时间尺度，采用小时间尺度方法进行手动加载；在一个载荷周期的加载和卸载段，分别对不同应力点的裂纹尖端位置进行标定；当裂纹尖端穿过晶界后，再次采用小时间尺度方法进行加载和标记；

继续循环多个周期后，当裂纹接近和穿过晶界时，采用同样方法进行加载和标记；若裂纹尖端在第二相粒子内部穿过时，采用小时间尺度方法进行加载和标记；

重新选择新试样，设定另一应力比进行原位加载和小时间尺度标记试验；

完成恒幅试验后，选择不同变幅类型的变幅载荷试验进行研究，在变载之前的一个载荷周次内，采用小时间尺度方法进行加载与标记，在变载之后的下一个周期，再采用同样方法进行加载和标记；

(5)小时间尺度疲劳裂纹扩展机理分析

将试样从扫描电镜中取出并进行金相处理；试样重新放置于扫描电镜中，根据标记位置找到每个小时间尺度应力标记点，分析一个载荷周期内微观组织对裂纹扩展的影响机理。