一种含穿透短裂纹的金属材料板状疲劳试样的制备方法与流程

本发明涉及材料分析测试的试样预加工制备技术领域，具体涉及一种含穿透短裂纹的金属材料板状疲劳试样的制备方法。

背景技术：

以疲劳为主要失效方式的工程构件，在设计上要求了解非常小尺度的疲劳裂纹的扩展特征。大多数的研究采用连续介质力学方法来描述小裂纹，结果表明当名义驱动力相同的时候，小裂纹的扩展速率会比长裂纹的相应速率高得多。因此把长裂纹疲劳试验得到的数据应用于短裂纹构件破坏设计，可能导致对疲劳寿命的过高估计。为了对短裂纹扩展进行测试实验，人们尝试制备包含短裂纹的试样。

现有的预制裂纹方式是先采用线切割或者机械加工方法加工出缺口，然后再在疲劳机上加交变循环载荷预制出疲劳裂纹。然而用这种方法获得的裂纹通常在毫米级别，无法满足短裂纹研究需要的微米级别的要求。并且这种裂纹包含一个缺口，与真正的裂纹有区别。而且用这种方法得到含裂纹的试样通常是三点弯曲试样，无法用于单轴疲劳测试。因此有必要发明一种含穿透短裂纹的疲劳试样的制备方法，使研究人员可以控制预制裂纹的长度，从而研究短裂纹的扩展特性。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种含穿透短裂纹的板状疲劳试样的制备方法，通过本发明方法制备了包含真实的裂纹的试样，裂纹的长度在微米级别，且试样的几何形状能够满足单轴疲劳的要求。

为实现上述目的，本发明所采用的技术方案如下：

一种含穿透短裂纹的金属材料疲劳试样的制备方法，该方法包括如下步骤：

(1)三点弯曲试样上预制疲劳裂纹；

(2)加工单轴加载的疲劳试样：沿垂直于疲劳裂纹前沿线的方向进行线切割，得到含有穿透裂纹的具有夹持段、过度弧和平行段的疲劳试样；

(3)测量裂纹长度a1：通过砂纸打磨去除线切割痕迹，然后使用光学显微镜观察试样的平行段处的裂纹，测量得裂纹的长度为a1；

(4)对步骤(3)测试裂纹长度a1后的试样进行二次切割去除缺口；

(5)测量裂纹长度a2：通过砂纸打磨去除线切割痕迹，然后使用光学显微镜观察试样的平行段处的裂纹，测量得裂纹的长度为a2；

(6)精细打磨获得目标短裂纹长度，即得到所述含穿透短裂纹的金属材料疲劳试样。

上述步骤(1)中，预制疲劳裂纹的具体过程为：首先加工出三点弯曲试样，用线切割方法加工出缺口，然后再在疲劳机上加交变循环载荷预制出疲劳裂纹。

上述步骤(2)中，所切割出的试样的位置要距离三点弯曲试样的边缘至少1mm，保证不包含裂纹两端的塑性区。

上述步骤(3)中，使用砂纸打磨时不能破坏试样的几何形状；同时，打磨的方向要垂直于裂纹开裂的方向；使用光学显微镜观察测量的裂纹长度是从裂纹尖端到缺口所在的边缘(缺口开口端所在平面)的长度。

上述步骤(4)中，所述二次切割是指，通过线切割切除宽度为a1-1mm的部分，去除缺口，留下一条真实的裂纹；切割的方向与裂纹方向相垂直。

上述步骤(5)中，使用砂纸打磨时保证试样的横截面为矩形，不能破坏试样的几何形状。同时，打磨的方向要垂直于裂纹开裂的方向。使用光学显微镜观察测量的裂纹长度是从裂纹尖端到裂纹穿透所在边缘的长度。

上述步骤(6)中，精细打磨过程中，先确定需要的短裂纹长度为a；使用螺旋测微计测得此时试样的宽度为w；打磨试样被裂纹穿过的一面直至试样的宽度为w-(a2-a)。

上述步骤(6)中，所述精细打磨时使用砂纸或磨抛机器，打磨的方向垂直于裂纹扩展的方向。

所制备的含穿透短裂纹的金属材料疲劳试样为含任意长度穿透短裂纹的板状单轴疲劳试样，包括夹持段、过度弧以及平行段，其中短裂纹都位于一个平整的面上。

本发明有益效果如下：

本发明制备的含穿透短裂纹的板状单轴疲劳试样，用于研究断裂的扩展行为。试样的几何形状经特殊设计，在制备过程中可以使用机器进行操作，节省人力物力。试样包含夹持段、过度弧、平行段，可以用于单轴疲劳的研究。试样的尺寸得当，制备重复性好，适用于常用的疲劳机。

附图说明

图1为三点弯曲试样上预制疲劳裂纹示意图。

图2为线切割示意图。

图3为使用线切割将缺口部分去除示意图。

图4为使用磨抛机器打磨试样示意图。

图5为试样夹持示意图。

图中：1-三点弯曲疲劳试样；2-支撑辊；3-缺口；4-裂纹；5-线切割轨迹ⅰ；6-线切割轨迹ⅱ；7-打磨面；8-疲劳机上夹头；9-疲劳机下夹头；10-单轴疲劳试样；11-穿透短裂纹。

具体实施方式

为了进一步理解本发明，以下结合实施例对本发明进行描述，但实施例仅为对本发明的特点和优点做进一步阐述，而不是对本发明权利要求的限制。

本发明为含穿透短裂纹的金属材料疲劳试样的制备方法，该方法包括如下步骤：

(1)三点弯曲试样上预制疲劳裂纹，具体过程为：首先加工出三点弯曲试样，用线切割方法加工出缺口，然后再在疲劳机上加交变循环载荷预制出疲劳裂纹。该步骤中，需使用应变规来控制预制裂纹的长度，并且应保持裂纹长度、所加载荷、频率、跨距、三点弯曲试样尺寸的一致。

(2)加工单轴加载的疲劳试样：沿垂直于疲劳裂纹前沿线的方向进行线切割，得到含有穿透裂纹的具有夹持段、过度弧和平行段的疲劳试样；该步骤中，所切割出的试样的位置要距离三点弯曲试样的边缘至少1mm，保证不包含裂纹两端的塑性区；所切割的试样的平行段的长度以及两端夹持端的长度可以根据将来所要用的疲劳机的夹头的情况而适当变化。经线切割加工切片后，获得三个疲劳试样，加工效率以及材料利用率较高。

(3)测量裂纹长度a1：通过砂纸打磨去除线切割痕迹，打磨时不能破坏试样的几何形状；同时，打磨的方向要垂直于裂纹开裂的方向；然后使用光学显微镜观察试样的平行段处的裂纹，所测量得裂纹的长度为a1；裂纹长度a1是从裂纹尖端到缺口所在的边缘的长度；

(4)对步骤(3)测试裂纹长度a1后的试样进行二次切割去除缺口；所述二次切割是指，通过线切割切除宽度为a1-1mm的部分，去除缺口，留下一条真实的裂纹；切割的方向与裂纹方向相垂直。

(5)测量裂纹长度a2：通过砂纸打磨去除线切割痕迹，使用砂纸打磨时保证试样的横截面为矩形，不能破坏试样的几何形状。同时，打磨的方向要垂直于裂纹开裂的方向。打磨后使用光学显微镜观察试样的平行段处的裂纹，测量得裂纹的长度为a2；裂纹长度a2是从裂纹尖端到裂纹穿透所在边缘的长度。

(6)精细打磨获得目标短裂纹长度，即得到所述含穿透短裂纹的金属材料疲劳试样。精细打磨过程中，先确定需要的短裂纹长度为a；使用螺旋测微计测得此时试样的宽度为w；打磨试样被裂纹穿过的一面直至试样的宽度为w-(a2-a)。

精细打磨时可使用砂纸或磨抛机器，打磨的方向垂直于裂纹扩展的方向；打磨过程中，要控制每次打磨的磨削量，实时地使用螺旋测微计测量试样的宽度。

所制备的含穿透短裂纹的金属材料疲劳试样为含任意长度穿透短裂纹的板状单轴疲劳试样，包括夹持段、过度弧以及平行段，其中短裂纹都位于一个平整的面上。

实施例1：

本实施例制备含穿透短裂纹的板状单轴疲劳试样的方法，具体包括如下步骤：

步骤1，三点弯曲试样预制疲劳裂纹：

将经热处理后的原始坯料加工成带缺口3的三点弯曲试样1，试样尺寸为16×16×90mm。缺口形状如图1所示，缺口深度5mm。加载示意图如图1所示，加载时以支撑辊2支撑，裂纹4终止长度为8mm。

步骤2，对含裂纹的三点弯曲试样进行线切割加工切片：

将疲劳过后带有裂纹的三点弯曲试样进行切割切片，线切割轨迹ⅰ如图2所示，得到带有夹持段、过度弧和平行段的单轴疲劳试样的初始坯料。

步骤3，单轴疲劳试样坯料切割：

首先，使用砂纸打磨坯料除缺口处之外的所有表面，去除线切割痕迹。然后，使用光学显微镜测量裂纹尖端到缺口所在的边缘处的距离a1。通过线切割切除宽度为a1-1mm的部分，线切割轨迹线切割轨迹ⅱ如图3所示。去除缺口后留下一条真实的裂纹。

步骤4，精细打磨：

首先，使用砂纸打磨裂纹所在的表面(即打磨面7)，去除线切割痕迹。然后，使用光学显微镜测量裂纹尖端到裂纹所在的边缘处的距离a2。接着，确定需要的短裂纹长度为a；使用螺旋测微计测得此时试样的宽度为w；最后，打磨裂纹所在的面，直至试样的宽度为w-(a2-a)。

步骤5，进行疲劳试验：该试样的夹持示意图如图5所示。试验时，所制备的带有穿透短裂纹11的单轴疲劳试样10固定在疲劳机上夹头8和疲劳机下夹头9之间。