[发明专利]一种金属微观力学性能高通量跨尺度统计表征方法

说明书

本发明公开了一种金属微观力学性能高通量跨尺度统计表征方法，包括：对金属材料样品表面进行机械研磨和抛光；对金属材料样品表面待测区域的位置坐标进行标记；对待测区域进行成分分布、显微组织、微观缺陷、表面三维形貌及典型应变场表征；利用冷等静压技术对金属材料样品表面进行均匀载荷作用试验，获得冷等静压试验后待测区域的成分分布、显微组织、微观缺陷、表面三维形貌及典型应变场表征；对比分析冷等静压试验前、后表征结果，获得金属材料微观力学的高通量跨尺度统计表征。本发明在冷等静压技术的基础上，结合原子力显微表面三维形貌测试与白光干涉表面三维形貌测试，实现金属表面三维形貌与典型应变场的高通量跨尺度表征，结合成分、显微组织、微观缺陷高通量表征分析，实现金属微观力学高通量跨尺度统计表征。

技术领域

本发明涉及金属材料力学测试表征技术领域，特别是涉及一种金属微观力学性能高通量跨尺度统计表征方法。

背景技术

金属结构材料作为重要的关键结构材料，被广泛应用于国防工业、航空航天、交通运输、动力能源、基础设施等领域，金属材料服役过程中的失效行为严重影响其服役安全，对人员和装备安全均造成潜在的重大威胁。适宜的材料力学测试表征方法为发现材料缺陷、评估材料整体性能提供重要依据。根据测试尺度的不同，目前已发展的材料力学测试表征技术主要包括两类：(1)宏观力学测试，包括材料拉伸、压缩、扭转、弯曲、疲劳、冲击以及振动等力学测试技术；(2)微观力学测试，包括显微压痕、纳米压痕、微柱压缩、微拉伸、微悬臂梁弯曲等微观力学测试技术。基于材料非均匀性本质特征，实际构件失效行为通常从材料最薄弱的区域开始，通过损伤累积破坏材料，检测材料微观力学薄弱区域损伤及破坏规律为材料微观力学表征提供重要依据。现有的材料力学测试技术虽然可以实现材料整体力学性能或局部力学性能的精确测试，但由于无法实现材料任意区域力学原始位置表征，因此无法实现材料力学薄弱区域损伤以及破坏的表征。

作为材料基因工程的重要组成部分，在材料基因工程新型材料研发思路的指导下，材料的高通量表征技术在近年来在国内外得到大量研究，获得了快速和卓有成效的发展。已建立的高通量测试表征技术，主要包括成分定量分析、组织结构和力学表征，其中力学性能高通量测试表征技术作为评价非均匀材料力学性能的重要方法，目前主要以仪器化压入阵列测试、微柱阵列测试等技术为代表，可以准确获得材料某测试区域的力学性能。然而，基于非连续性测试原理，这类技术具有对材料一定的破坏性以及只能获得空间范畴离散的测试结果等共性问题，无法实现材料力学在空间的连续测试，例如为避免应力硬化效应对测试结果的干扰，纳米压痕阵列测试的压头间隔必须达到一定距离。

基于静压传递原理，等静压技术作为一种传统的材料加工成型与致密化技术，被广泛应用于陶瓷工业、铸造工业、原子能工业、生物医药制备等领域。根据其实际工作温度的不同，可以把该技术分类为：冷等静压、温等静压、热等静压。其中冷等静压技术以液体作为压力传递介质，可以将载荷均匀等值传递到试验样品表面。类似于仪器化压入刚体压头，液体介质可以作为“流体压头”作用于材料表面，实现材料表面均匀载荷作用下不同级别(材料级、试样级、构件级)材料全表面微变形。由于材料表面成分、微观组织、缺陷分布等因素导致微观力学性能非均匀性，当利用等静压技术作用到金属材料样品表面时，载荷均匀等值作用于金属材料样品的全表面，力学性能薄弱区域则先于其他区域出现凹坑、撕裂等损伤与破坏。虽然，已有研究结果结合等静压技术和白光干涉表面形貌高通量测试等技术，可以实现样品表面力学薄弱区域的高通量筛查和微观力学性能的高通量表征，其中白光干涉仪的纵向分辨率可达0.1nm，并可以实现厘米级尺寸样品表面微变形的观测。然而，由于白光干涉技术的横向分辨率约为500nm，对较小面积(如边长为微米级、亚微米级、纳米级的区域)的变形区则无法精确测试其应变场，因此，无法实现样品表面所有区域表面应变场的高通量跨尺度(nm-μm-mm-cm)观测。

发明内容