[发明专利]渐变曲率法观测金属材料弯曲破坏过程的方法及装置

说明书

本发明涉及材料的物理分析领域，公开了一种渐变曲率法观测金属材料弯曲破坏过程的方法及装置。包括成型单元，成型单元上设有金属材料试样进入口，成型单元内设有与金属材料试样进入口连通的金属弯曲成型空间，金属弯曲成型空间的横面与金属材料试样的横截面适应；成型单元上金属弯曲成型空间的纵面所在的面为观测面，金属弯曲成型空间的纵面呈连续渐变曲率状。本发明解决了现在对材料弯曲应力变化进行微观组织结构变化观测时，装置结构复杂，试验装置和观测仪器相互影响和制约的装置。

技术领域

本发明涉及材料的物理分析领域，具体涉及渐变曲率法观测金属材料弯曲破坏过程的方法及装置。

背景技术

随着科技的进步与发展，材料的使用场景日益广泛，使用的条件日趋复杂苛刻，因此产生的材料失效问题更为复杂，材料失效带来的后果更为严重。而产生这些后果的重要的根源在于对于测试的能力不足，对于材料内部组织结构对性能的影响及失效机理缺乏足够认识，因此深入了解材料的失效机理，探索材料在受力工况下的微观组织变化及破坏过程对材料进一步发展有重要意义。材料、构件以及装置在服役时常受到弯曲应力的作用，如车桥、起重机大梁、车刀、火车轮轴等，研究这些材料构件在弯曲工况下变形、损伤及断裂机理显得尤为重要。

关于金属材料的弯曲实验，在国标和行标中均有相关规定：冶金行业标准YB/T5349-2014规定了一种金属材料弯曲力学性能试验方法，采用三点弯曲、四点弯曲试验测定材料弯曲力学性能，通过将标准试样放在一定跨距的支座上，利用试验机对材料施加压力，对试样进行弯曲变形，通过弯曲变形可以获得材料的抗弯强度、弯曲弹性模量、挠度等。国标GB/T 232-2010规定了一种金属材料弯曲试验方法，采用支辊式、V型、虎钳式等弯曲装置，将试样在弯曲装置上经受弯曲变形，不改变加力方向，直至达到规定的弯曲角度，若弯曲外表面无可见裂纹产生应评定为合格。但这些弯曲试验方法要么是对弯曲力-挠度以及断后断面进行分析，要么就是对达到弯曲角度后的材料表面进行分析，无法对弯曲过程中材料的微观组织结构变化过程以及裂纹萌生、扩展等行为进行观测。

随着技术的发展，很多科研工作者通过原位观测技术，研究在载荷作用下的材料的微观变形、损伤及失效机理等，采用的技术路线是将试验装置与原位观测仪器结合，这样就可以在材料弯曲的过程中采用原位观测仪器进行动态的观测，如原位三点弯曲力学性能测试，该试验是运用小型化的三点弯曲测试装置，借助于扫描电子显微镜、激光共聚焦显微镜、超景深显微镜等高倍数的显微成像组件，在获取准确的载荷-挠度曲线的同时，能够原位实时监测被测试件在三点弯曲工况下的裂纹的萌生、扩展路径。专利CN 102494955 A“显微组件下跨尺度原位微纳米三点/四点弯曲测试装置”、专利CN 203249835U“力热场耦合作用下材料原位弯曲测试装置”均为采用的是上述技术路线。

采用将试验装置与原位观测仪器结合，对金属材料弯曲破坏过程中实时观测的方式，虽然能够观测到金属材料弯曲测试时的微观结构变化，但是存在着如下问题：

1.增加了结构的复杂度和安装难度。

原位观测仪器较为昂贵，为了使其稳固、稳定的安装于试验装置上，在两者之间需要众多的精细零部件，以及对零部件之间精准安装，而不是简单的安装结构，简单的加载，这大大的增加了结构的复杂度和安装的难度。

如专利CN 102494955 A“显微组件下跨尺度原位微纳米三点/四点弯曲测试装置”说明书摘要中提到的，安装结构包括精密驱动控制单元、具有三自由度的调整单元、传动及执行单元、信号检测单元和连接支撑单元。其中精密驱动直流伺服电机通过柔性联轴器与一级涡轮相连，一级涡轮通过涡轮蜗杆传动副与二级涡轮相连，并且二级涡轮通过涡轮蜗杆传动副分别与引导杠Ⅰ、Ⅱ相连，进而带动弯曲测试冲头完成测试动作。

2.观测过程中，试验装置和原位观测仪器会相互影响和制约。