CN106289975B - 材料微区断裂韧性的试验方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种材料微区断裂韧性的试验方法，包括：制备超薄单边缺口拉伸试样，在原位拉伸试验机上进行多次加载和降载的操作，通过扫描电镜原位试验机记录试验载荷F i 、裂纹长度a i 和缺口张开位移v i ，对脆性材料计算K i 值，对韧性材料计算J i 值，通过绘制表征裂纹扩展断裂抗力的K‑a曲线或J‑R曲线获得用于表征微试样断裂韧性的应力强度因子K或J积分。本发明通过采用超薄单边缺口夹持拉伸试样（SENT试样）对金属材料微区的断裂韧性进行测量，解决了传统标准大试样无法实现超薄构件和精确微区的断裂韧性测量问题，具有裂纹尖端定位精确、尺寸测量准确度高的特点。

Description

材料微区断裂韧性的试验方法
技术领域
本发明属于一种试验方法，涉及一种材料断裂韧性的试验方法，尤其涉及一种材料微区断裂韧性的试验方法。
背景技术
材料抵抗裂纹扩展断裂的韧性性能称为断裂韧性，是材料抵抗脆性破坏的韧性参数。目前断裂韧性测试的标准样品通常使用紧凑拉伸试样(25×60×65mm)和三点弯曲试样(20×40×180mm)。对于脆性材料，试验方法为单试样加载法。对于韧性材料，试验方法包括单试样柔度法和多试样法。但是现有的对断裂韧性进行测试的试验方法，多是适用于较大尺寸的试验样品，无法适用于较小尺寸的试验样品或者微组织，如晶区的断裂韧性的测试。
发明内容
鉴于上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种材料微区断裂韧性的试验方法，用于解决现有技术中无法适用于较小尺寸的试验样品或者微组织的技术问题。
为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种材料微区断裂韧性的试验方法，包括：制备超薄单边缺口拉伸试样，在原位拉伸试验机上进行多次加载和降载的操作，通过扫描电镜原位试验机记录试验载荷Fi、裂纹长度ai和缺口张开位移vi，对脆性材料计算Ki值，对韧性材料计算Ji值，通过绘制表征裂纹扩展断裂抗力的K-a曲线或J-R曲线获得用于表征微试样断裂韧性的应力强度因子K或J积分。
具体步骤如下：
步骤1、对测试材料标准试样进行拉伸试验，获得材料的拉伸力学性能，包括应力-应变曲线、弹性模量、屈服强度、抗拉强度、延伸率、收缩率、判断材料为韧性材料或者脆性材料；通过材料信息和断口形貌初步判定材料的韧脆性，拉伸试样断口形貌呈现明显的韧窝特征时，判断材料为韧性材料，拉伸断口形貌呈现明显的解理断口特征时，判断材料为脆性材料；
步骤2、制备超薄单边缺口拉伸试样，选定裂纹扩展的预定位置和方向进行线切割，在疲劳试验机上预制疲劳裂纹；
步骤3、对超薄单边缺口微试样表面进行打磨、抛光和腐蚀，测量试样的厚度B、宽度W；
步骤4、在原位拉伸试验台上夹持试样，放至扫描电镜后抽真空，观察预制疲劳裂纹尖端是否位于预定测试位置，如尚未到达预定位置，则通过控制原位拉伸台施加交变载荷，使疲劳裂纹尖端扩展至预定测试微区，完成原位单边缺口拉伸试样的制备。
步骤5、通过扫描电镜测量初始裂纹长度a0，采用位移控制对试样进行缓慢单调加载，加载到裂纹有小幅扩展时停止，记录当前力值F(i)，并测量扩展后的裂纹长度a(i)，对裂纹尖端的微观变化进行观察和扫描电镜拍照记录，然后卸载，测量塑性缺口张开位移vp(i)，再继续单调加载。
步骤6、在拉伸载荷达到最大值之前重复步骤5，采集的数据点不少于6个；
步骤7、对采集的所有a(i)、P(i)和vp(i)数据计算断裂韧度；
步骤8、使用绘图软件绘制散点图。
进一步的，步骤1中检测材料为韧性材料，步骤7则计算J(i)值，步骤8拟合J(i)-a(i)阻力曲线，并按照幂律函数y＝axb拟合即得到J-R裂纹扩展阻力曲线。
进一步的，步骤1中检测材料为脆性材料，步骤7则计算K(i）值，步骤8拟合K(i)-a(i）曲线，取△a/a＝2％偏置线对应的应力强度因子作为KQ。
进一步的，步骤2制备超薄单边缺口拉伸试样，以预制裂纹尖端为中心，将标准试样切割成厚度为0.5～1mm，宽度为2～4mm的超薄拉伸微试样，并使微试样内剩余的预裂纹长度与微试样宽度的比值在0.45～0.55范围内。
如上所述，本发明内容是基于原位观测进行超薄单边缺口拉伸试样平面应力断裂韧性的试验方法。本发明的材料微区断裂韧性的试验方法，采用扫描电镜原位试验机，通过扫描电镜观察裂纹位置的微观组织，能够使裂纹尖端定位准确，使焊接接头不同晶区的断裂韧性测试成为可能；通过扫描电镜进行裂纹长度和缺口张开位移的测量，测量精度高，并且每次升降载操作都能进行实时尺寸测试；能够对裂纹扩展扩展途径和微组织变化进行观察和记录，为不同晶区的裂纹扩展行为分析提供有力依据。而传统标准大试样的预制裂纹较难进行精确定位，并且在试验过程中无法实现实时和准确的裂纹长度测量。另外本发明试验方法能够解决超薄超小的构件无法加工成标准大试样进行断裂韧性测试的问题。
本发明通过采用超薄单边缺口夹持拉伸试样(SENT试样)对金属材料微区的断裂韧性进行测量，解决了传统标准大试样无法实现超薄构件和精确微区的断裂韧性测量问题，具有裂纹尖端定位精确、尺寸测量准确度高的特点。
附图说明
图1显示为本发明实施例的超薄单边缺口微试样图纸。
图2显示为本发明实施例的试样裂纹尺寸测试示意图。
图3显示为本发明实施例的超薄单边缺口拉伸试样J-R曲线。
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。
本发明内容是基于原位观测进行超薄单边缺口拉伸试样平面应力断裂韧性的试验方法。本实施例提供一种材料微区断裂韧性的试验方法，包括：制备超薄单边缺口拉伸试样，在原位拉伸试验机上进行多次加载和降载的操作，通过扫描电镜原位试验机记录试验载荷Fi、裂纹长度ai和缺口张开位移vi，对脆性材料计算Ki值，对韧性材料计算Ji值，通过绘制表征裂纹扩展断裂抗力的K-a曲线或J-R曲线获得用于表征微试样断裂韧性的应力强度因子K或J积分。
本实施例为利用原位拉伸试验机测量超薄单边缺口拉伸试样平面应力断裂韧性的试验方法，旨在提供一种评价材料微区断裂韧性的试验技术，如焊接接头、超薄构件等。本实施例通过采用超薄单边缺口夹持拉伸试样(SENT试样)对金属材料微区的断裂韧性进行测量，解决了传统标准大试样无法实现超薄构件和精确微区的断裂韧性测量问题，具有裂纹尖端定位精确、尺寸测量准确度高的特点。
具体步骤如下：
步骤1、对测试材料标准试样进行拉伸试验，获得材料的拉伸力学性能，包括应力-应变曲线、弹性模量、屈服强度、抗拉强度、延伸率、收缩率、判断材料为韧性材料或者脆性材料；通过材料信息和断口形貌初步判定材料的韧脆性，拉伸试样断口形貌呈现明显的韧窝特征时，判断材料为韧性材料，拉伸断口形貌呈现明显的解理断口特征时，判断材料为脆性材料；
步骤2、制备超薄单边缺口拉伸试样，选定裂纹扩展的预定位置和方向进行线切割，在疲劳试验机上预制疲劳裂纹；
步骤3、对超薄单边缺口微试样表面进行打磨、抛光和腐蚀，测量试样的厚度B、宽度W；
步骤4、在原位拉伸试验台上夹持试样，放至扫描电镜后抽真空，观察预制疲劳裂纹尖端位置是否位于预定测试位置，如尚未到达预定位置，则通过控制原位拉伸台施加交变载荷，使疲劳裂纹尖端扩展至试样的预定测试微区，完成原位单边缺口拉伸试样的制备，试样图纸见图1。
步骤5、通过扫描电镜测量初始裂纹长度a0，采用位移控制对试样进行缓慢单调加载，加载到裂纹有小幅扩展时停止，记录当前力值F(i)，并测量扩展后的裂纹长度a(i)，对裂纹尖端的微观变化进行观察和扫描电镜拍照记录，然后卸载，测量塑性缺口张开位移vp(i)，再继续单调加载；测量位置见示意图2。
步骤6、在拉伸载荷达到最大值之前重复步骤5，采集的数据点不少于6个；
步骤7、对采集的所有a(i)、P(i)和vp(i)数据计算断裂韧度；
步骤8、使用绘图软件绘制散点图。
步骤1中检测材料为韧性材料，步骤7则计算J(i)值，步骤8拟合J(i)-a(i)阻力曲线，并按照幂律函数y＝axb拟合即得到J-R裂纹扩展阻力曲线(参见附图3)。
步骤1中检测材料为脆性材料，步骤7则计算K(i)值，步骤8拟合K(i)-a(i)曲线，取Δa/a＝2％偏置线对应的应力强度因子作为KQ。
步骤2制备超薄单边缺口拉伸试样，以预制裂纹尖端为中心，将标准试样切割成厚度为0.5～1mm，宽度为2～4mm的超薄拉伸微试样，并使微试样内剩余的预裂纹长度与微试样宽度的比值在0.45～0.55范围内。
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims (1)

1.材料微区断裂韧性的试验方法，其特征在于，包括：制备超薄单边缺口拉伸试样，在原位拉伸试验机上进行多次加载和降载的操作，通过扫描电镜原位试验机记录试验载荷F(i)、裂纹长度a(i)和缺口张开位移vp(i)，对脆性材料计算K(i)值，对韧性材料计算J(i)值，通过绘制表征裂纹扩展断裂抗力的K-a曲线或J-R曲线获得用于表征微试样断裂韧性的应力强度因子K或J积分；制备超薄单边缺口拉伸试样具体为：以预制裂纹尖端为中心，将标准试样切割成厚度为0.5～1mm，宽度为2～4mm的超薄拉伸微试样，并使微试样内剩余的预裂纹长度与微试样宽度的比值在0.45～0.55范围内，预制裂纹加工在超薄拉伸微试样宽度方向上的一侧边上，具体步骤如下：
步骤1、对测试材料标准试样进行拉伸试验，获得材料的拉伸力学性能，包括应力-应变曲线、弹性模量、屈服强度、抗拉强度、延伸率、收缩率、判断材料为韧性材料或者脆性材料；
步骤2、制备超薄单边缺口拉伸试样，选定裂纹扩展的预定位置和方向进行线切割，在疲劳试验机上预制疲劳裂纹；
步骤3、对超薄单边缺口微试样表面进行打磨、抛光和腐蚀，测量试样的厚度B、宽度W；
步骤4、在原位拉伸试验台上夹持试样，放至扫描电镜后抽真空，观察预制疲劳裂纹尖端是否位于预定测试位置；
步骤5、通过扫描电镜测量初始裂纹长度a(0)，采用位移控制对试样进行缓慢单调加载，加载到裂纹有小幅扩展时停止，记录当前力值F(i)，并测量扩展后的裂纹长度a(i)，对裂纹尖端的微观变化进行观察和扫描电镜拍照记录，然后卸载，测量塑性缺口张开位移vp(i)，再继续单调加载；
步骤6、在拉伸载荷达到最大值之前重复步骤5，采集的数据点不少于6个；
步骤7、对采集的所有a(i)、F(i)和vp(i)数据计算断裂韧度；
步骤8、使用绘图软件绘制散点图；
步骤1中检测材料为韧性材料，步骤7则计算J(i)值，步骤8拟合J(i)-a(i)阻力曲线，并按照幂律函数y＝axb拟合即得到J-R裂纹扩展阻力曲线；步骤1中检测材料为脆性材料，步骤7则计算K(i)值，步骤8拟合K(i)-a(i)曲线，取Δa/a＝2％偏置线对应的应力强度因子作为KQ。
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