CN110095360A - 疲劳裂纹快速不稳定扩展机理测试方法以及系统 - Google Patents

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Abstract

本申请涉及一种疲劳裂纹快速不稳定扩展机理测试方法以及系统。所述方法包括在金相试样上施加循环疲劳应力，并在金相试样中的疲劳裂纹处于稳定扩展阶段时，采集在循环疲劳应力的单个载荷周期内疲劳裂纹的第一类微观形貌数据；在疲劳裂纹处于迟滞扩展阶段时，分别采集多个载荷周期内疲劳裂纹对应的第二类微观形貌数据；在疲劳裂纹处于快速扩展阶段时，分别采集多个载荷周期内疲劳裂纹对应的第三类微观形貌数据；比对第一类微观形貌数据、第二类微观形貌数据和第三类微观形貌数据中疲劳裂纹尖端周围的微观形貌得到疲劳裂纹快速不稳定扩展机理的测试结果，实现观察一个载荷周期内疲劳裂纹的快速不稳定扩展行为，提高了获取测试结果的精度。

Description

疲劳裂纹快速不稳定扩展机理测试方法以及系统
技术领域
本申请涉及试验方法技术领域，特别是涉及一种疲劳裂纹快速不稳定扩展机理测试方法以及系统。
背景技术
目前，疲劳裂纹扩展在工程结构安全性研究中受到广泛关注，尤其是在航空领域，因疲劳断裂引发的安全事故屡见不鲜，事故发生往往会造成恶劣的社会影响。目前，飞机机身和机翼结构以铝合金或钛合金等金属材料为主，在使用过程中，飞机往往承受环境载荷和工作载荷的共同作用，使得结构关键部位面临疲劳断裂的危险，在工程领域，疲劳裂纹扩展机理研究始终是难点问题之一。
目前的疲劳裂纹扩展机理研究中，主要是采用断口分析的间接观察方法，且研究间隔周期以数十个甚至数千个载荷周期为主，一定程度上局限了对于材料损伤本质的认识，因此，在实现过程中，发明人发现传统技术中至少存在如下问题：传统测试技术不能准确测试疲劳裂纹的快速不稳定扩展。
发明内容
基于此，有必要针对上述技术问题，提供一种疲劳裂纹快速不稳定扩展机理测试方法以及系统。
为了实现上述目的，一方面，本申请实施例提供了一种疲劳裂纹快速不稳定扩展机理测试方法，包括以下步骤：
在金相试样上施加循环疲劳应力，并在金相试样中的疲劳裂纹处于稳定扩展阶段时，采集在循环疲劳应力的单个载荷周期内疲劳裂纹的第一类微观形貌数据；
在金相试样中的疲劳裂纹处于迟滞扩展阶段时，分别采集多个载荷周期内疲劳裂纹对应的第二类微观形貌数据；
在金相试样中的疲劳裂纹处于快速扩展阶段时，分别采集多个载荷周期内疲劳裂纹对应的第三类微观形貌数据；
按采集顺序依次比对各第二类微观形貌数据中疲劳裂纹尖端周围的微观形貌，按采集顺序依次比对各第三类微观形貌数据中疲劳裂纹尖端周围的微观形貌，并分别比对第一类微观形貌数据与各第二类微观形貌数据、各第三类微观形貌数据中疲劳裂纹尖端周围的微观形貌，得到疲劳裂纹快速不稳定扩展机理的测试结果。
在其中一个实施例中，按采集顺序依次比对各第二类微观形貌数据中疲劳裂纹尖端周围的微观形貌，按采集顺序依次比对各第三类微观形貌数据中疲劳裂纹尖端周围的微观形貌，并分别比对第一类微观形貌数据与各第二类微观形貌数据、各第三类微观形貌数据中疲劳裂纹尖端周围的微观形貌，得到疲劳裂纹快速不稳定扩展机理的测试结果的步骤中，包括：
测量第一类微观形貌数据中的疲劳裂纹的第一裂尖张开位移，并根据第一裂尖张开位移和应力强度因子，得到疲劳裂纹的第一微观变化曲线；
测量第二类微观形貌数据中的疲劳裂纹的第二裂尖张开位移，并根据第二裂尖张开位移和应力强度因子，得到疲劳裂纹的第二微观变化曲线；测量第三类微观形貌数据中的疲劳裂纹的第三裂尖张开位移，并根据第三裂尖张开位移和应力强度因子，得到疲劳裂纹的第三微观变化曲线；
依次比对各第二微观变化曲线的变化规律，依次比对各第三微观变化曲线的变化规律，并分别比对第一微观变化曲线与各第二微观变化曲线、各第三微观变化曲线的变化规律，得到测试结果。
在其中一个实施例中，在金相试样上施加循环疲劳应力的步骤中：
在各载荷周期内，变换多个应力点进行循环疲劳应力的施加。
在其中一个实施例中，制备金相试样的步骤，包括：
制备可固定于原位试验台的原位试样；
在原位试样内预制预设长度的疲劳裂纹；
对制备裂纹后的原位试样进行金相处理，得到金相试样。
在其中一个实施例中，制备可固定于原位试验台的原位试样的步骤，包括：
根据原位试验台的尺寸，制作原始试样；
对原始试样进行外形与表面加工处理；
在处理后的原始试样的一侧端上加工切口，得到原位试样。
在其中一个实施例中，在处理后的原始试样的一侧端上加工切口，得到原位试样的步骤之前，还包括：
制作用于加工切口的倒角刀具。
在其中一个实施例中，原始试样的宽度为10毫米；原始试样的厚度为1毫米。
在其中一个实施例中，切口为V形切口，切口的切口深度为1毫米；切口的开角小于等于30度。
在其中一个实施例中，在原位试样内预制预设长度的疲劳裂纹的步骤，包括：
对原位试样依次进行打磨、抛光处理；
在处理后的原位试样加载疲劳应力，预制预设长度的疲劳裂纹；
对预制裂纹后的原位试样进行抛光处理。
另一方面，本申请实施例还提供了一种用于实现上述疲劳裂纹快速不稳定扩展机理测试方法的疲劳裂纹快速不稳定扩展机理测试系统，包括原位试验台、扫描电镜；将金相试样固定在原位试验台上，并将原位试验台置于扫描电镜的真空腔内；扫描电镜采集第一类微观形貌数据、第二类微观形貌数据和第三类微观形貌数据。
上述技术方案中的一个技术方案具有如下优点和有益效果：
在金相试样上施加循环疲劳应力，并实时观察疲劳裂纹的扩展状况，在金相试样中的疲劳裂纹处于稳定扩展阶段时，采集在循环疲劳应力的单个载荷周期内疲劳裂纹的第一类微观形貌数据，在金相试样中的疲劳裂纹处于迟滞扩展阶段时，分别采集多个载荷周期内疲劳裂纹对应的第二类微观形貌数据，在金相试样中的疲劳裂纹处于快速扩展阶段时，分别采集多个载荷周期内疲劳裂纹对应的第三类微观形貌数据，按采集顺序依次比对各第二类微观形貌数据中疲劳裂纹尖端周围的微观形貌，按采集顺序依次比对各第三类微观形貌数据中疲劳裂纹尖端周围的微观形貌，并分别比对第一类微观形貌数据与各第二类微观形貌数据、各第三类微观形貌数据中疲劳裂纹尖端周围的微观形貌，得到疲劳裂纹快速不稳定扩展机理的测试结果，本申请疲劳裂纹快速不稳定扩展机理测试方法采用小时间尺度方法分别采集第一类微观形貌数据、第二类微观形貌数据和第三类微观形貌数据，并通过比对上述各通过小时间尺度方法采集到的微观形貌数据，得到疲劳裂纹快速不稳定扩展机理的测试结果，从而，通过观察一个载荷周期内疲劳裂纹的快速扩展行为，提高了获取测试结果的精度。
附图说明
图1为一个实施例中疲劳裂纹快速不稳定扩展机理测试方法的流程示意图；
图2为一个实施例中制作金相试样步骤的流程示意图；
图3为一个实施例中制作原位试样步骤的流程示意图；
图4为一个实施例中预制疲劳裂纹步骤的流程示意图；
图5为一个实施例中获取测试结果步骤的流程示意图；
图6为一个实施例中原位试样的结构示意图；
图7为一个实施例中打磨夹具的结构示意图；
图8为一个实施例中小时间尺寸的循环疲劳应力的加载方法；
图9为一个实施例中小时间尺寸的载荷周期的选择方法；
图10为一个实施例中微观变化曲线。
具体实施方式
为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请进行进一步详细说明。应当理解，此处描述的具体实施例仅仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。
为了解决传统测试技术不能准确测试疲劳裂纹的快速不稳定扩展的问题，在一个实施例中，参照图1所示，本申请实施例提供了一种疲劳裂纹快速不稳定扩展机理测试方法，包括以下步骤：
步骤S110，在金相试样上施加循环疲劳应力，并在金相试样中的疲劳裂纹处于稳定扩展阶段时，采集在循环疲劳应力的单个载荷周期内疲劳裂纹的第一类微观形貌数据。
需要说明的是，金相试样为在其内预制了疲劳裂纹，并进行了金相处理的试样。
在一个示例中，参照图2所示，制备金相试样的步骤，包括：
步骤S210，制备可固定于原位试验台的原位试样。
需要说明的是，原位试验台用于固定原位试样，并向原位试样加载循环疲劳应力，以测试金相试样中的疲劳裂纹在循环疲劳应力下的扩展行为。原位试样要根据原位试验台用于固定原位试验台的固定部分的结构和尺寸进行设计制作，以使原位试验台能够安装在原位试验台上。
在一个示例中，参照图3所示，制备可固定于原位试验台的原位试样的步骤，包括：
步骤S310，根据原位试验台的尺寸，制作原始试样；
步骤S320，对原始试样进行外形与表面加工处理；
步骤S330，在处理后的原始试样的一侧端上加工切口，得到原位试样。
需要说明的是，参考《GBT6398-2000金属材料疲劳裂纹扩展速率试验方法》，并根据原位试验台的尺寸，设计用于制作原始试样的图纸，准备加工材料，根据图纸制作原始试样，对制作好的原始试样进行外形与表面进行整形处理。在一个示例中，原始试样的宽度为10毫米；原始试样的厚度为1毫米。为了顺利完成裂纹的预制，需要在原始试样的边缘制作锋锐的切口，考虑到现有线切割技术无法制作所需的锋锐的切口，需利用倒角刀具加工切口，在加工切口前，制作用于加工切口的倒角刀具，例如，采用对圆盘刀具的边缘进行打磨，获取锋利切割面获得倒角刀具。利用倒角刀具在原始试样的边缘加工切口，得到原位试样。在一个示例中，切口为V形切口，切口的切口深度为1毫米；切口的开角小于等于30度。
步骤S220，在原位试样内预制预设长度的疲劳裂纹。
需要说明的是，在原位试样上施加疲劳应力，使原位试样内部产生疲劳裂纹，并在疲劳裂纹扩展到预设长度时，卸载疲劳应力。
在一个示例中，参照图4所示，在原位试样内预制预设长度的疲劳裂纹的步骤，包括：
步骤S410，对原位试样依次进行打磨、抛光处理；
步骤S420，在处理后的原位试样加载疲劳应力，预制预设长度的疲劳裂纹；
步骤S430，对预制裂纹后的原位试样进行抛光处理。
需要说明的是，为便于开展裂纹预制试验时对裂纹进行观察，参考《GB/T1398-2015金相显微组织检验方法》，对试样表面进行打磨、抛光处理，具体的，将原位试样粘贴于金相打磨夹具上，依次采用1000、2000、3000粒度砂纸对原位试样待观察面进行粗磨、精磨处理。在打磨处理之后，对原位试样的待观察面进行抛光处理。将抛光后的原位试样夹于液压型疲劳试验机上对原位试样加载疲劳应力，进行疲劳裂纹的预制，例如，参考材料裂纹扩展曲线，以10-5mm/N(毫米每牛)为扩展速率计算预制裂纹所需的载荷，并设定应力比进行预制裂纹，在疲劳裂纹达到预设长度后，停止加载疲劳应力，完成疲劳裂纹的预制。在一个示例中，预设长度为0.9毫米至1.1毫米，例如，预设长度选用1毫米。
步骤S230，对制备裂纹后的原位试样进行金相处理，得到金相试样。
需要说明的是，对制备裂纹后的原位试样进行处理，为了降低金相腐蚀对疲劳裂纹扩展的影响，腐蚀程度相对于金相腐蚀要轻。具体的，参考《GB/T1398-2015金相显微组织检验方法》，配置所需的金相溶液，利用少量的金相溶液对原位试样的抛光面进行表面浸渍，例如，原位试样的材质为铝合金时，浸渍时间为15秒，比常规金相腐蚀时间要短，腐蚀时间过长容易破坏材料晶界组织，然后将进行金相处理后的原位试样置于真空罐中进行储存。
其中，施加在金相试样的循环疲劳应力是周期性变化的疲劳应力。在金相试样上加载循环疲劳应力，以观察金相试样在循环疲劳应力作用下的扩展行为。
为了观察在不同应力点上加载循环疲劳应力时，疲劳裂纹的扩展行为以及微观形貌，在一个示例中，在金相试样上施加循环疲劳应力的步骤中：在各载荷周期内，变换多个应力点进行循环疲劳应力的施加。即将一个循环疲劳应力的载荷周期划分成若干份，在各份结束后变换应力点，实现循环疲劳应力的阶梯加载和阶梯卸载。
在金相试样上加载循环疲劳应力的过程中，利用扫描电镜实时观察疲劳裂纹的扩展行为，具体的，利用扫描电镜的高分辨率(分辨率为5000倍-10000倍)对疲劳裂纹尖端的微观形貌进行观察和记录，当观察到疲劳裂纹进入稳定扩展阶段，再利用扫描电镜记录一个载荷周期内疲劳裂纹处于稳定扩展阶段，疲劳裂纹尖端的微观形貌，得到第一类微观形貌数据。微观形貌数据可以是不同的形式，在一个示例中，第一类微观形貌数据为图像数据，此时，第一类微观形貌数据包括多张图像。在又一个示例中，第一类微观形貌数据为视频数据。
步骤S120，在金相试样中的疲劳裂纹处于迟滞扩展阶段时，分别采集多个载荷周期内疲劳裂纹对应的第二类微观形貌数据。
需要说明的是，在金相试样上加载循环疲劳应力的过程中，利用扫描电镜实时观察疲劳裂纹的扩展行为，具体的，利用扫描电镜的高分辨率(分辨率为5000倍-10000倍)对疲劳裂纹尖端的微观形貌进行观察(具体观察裂纹尖端前方的晶界形貌、第二相形貌等)和记录，当观察到在连续多个载荷周期内疲劳裂纹尖端一直处于停滞时，则可判断疲劳裂纹进入迟滞扩展阶段，再利用扫描电镜分别记录多个载荷周期内疲劳裂纹处于迟滞扩展阶段，疲劳裂纹尖端的微观形貌，得到与各载荷周期一一对应的第二类微观形貌数据。需要说明的是，多个载荷周期可根据测试需求而定，在一个示例中，多个载荷周期为多个连续的载荷周期，在另一个示例中，多个载荷周期为多个分散的载荷周期。微观形貌数据可以是不同的形式，在一个示例中，第二类微观形貌数据为图像数据，此时，第二类微观形貌数据包括多张图像。在又一个示例中，第二类微观形貌数据为视频数据。
步骤S130，在金相试样中的疲劳裂纹处于快速扩展阶段时，分别采集多个载荷周期内疲劳裂纹对应的第三类微观形貌数据。
需要说明的是，在金相试样上加载循环疲劳应力的过程中，利用扫描电镜实时观察疲劳裂纹的扩展行为，具体的，利用扫描电镜的高分辨率(分辨率为5000倍-10000倍)对疲劳裂纹尖端的微观形貌进行观察(具体观察裂纹尖端前方的晶界形貌、第二相形貌等)和记录，当观察到在连续多个载荷周期内疲劳裂纹尖端前方的晶界不断开裂，则可判断疲劳裂纹进入快速扩展阶段，再利用扫描电镜分别记录多个载荷周期内疲劳裂纹处于快速扩展阶段，疲劳裂纹尖端的微观形貌，得到与各载荷周期一一对应的第三类微观形貌数据。需要说明的是，多个载荷周期可根据测试需求而定，在一个示例中，多个载荷周期为多个连续的载荷周期，在另一个示例中，多个载荷周期为多个分散的载荷周期。微观形貌数据可以是不同的形式，在一个示例中，第三类微观形貌数据为图像数据，此时，第三类微观形貌数据包括多张图像。在又一个示例中，第三类微观形貌数据为视频数据。
步骤S140，按采集顺序依次比对各第二类微观形貌数据中疲劳裂纹尖端周围的微观形貌，按采集顺序依次比对各第三类微观形貌数据中疲劳裂纹尖端周围的微观形貌，并分别比对第一类微观形貌数据与各第二类微观形貌数据、各第三类微观形貌数据中疲劳裂纹尖端周围的微观形貌，得到疲劳裂纹快速不稳定扩展机理的测试结果。
需要说明的是，获取到第一类微观形貌数据、多个第二类微观形貌数据和多个第三类微观形貌数据之后，首先，依照获取到第二类微观形貌数据的采集顺序依次比对第二类微观形貌数据中疲劳裂纹尖端周围的微观形貌，依照获取到第三类微观形貌数据的采集顺序依次比对第三类微观形貌数据中疲劳裂纹尖端周围的微观形貌，再将第一类微观形貌数据中疲劳裂纹尖端周围的微观形貌逐一与各第二类微观形貌数据中疲劳裂纹尖端周围的微观形貌进行比对，将第一类微观形貌数据中疲劳裂纹尖端周围的微观形貌逐一与各第三类微观形貌数据中疲劳裂纹尖端周围的微观形貌进行比对，具体，也可依照采集顺序将各第二类微观形貌数据依次与第一类微观形貌数据依次比对，依照采集顺序将各第三类微观形貌数据依次与第一类微观形貌数据依次比对，根据比对的结果揭示疲劳裂纹的快速不稳定扩展的形成机制，得到测试结果。
在一个示例中，参照图5所示，采集顺序依次比对各第二类微观形貌数据中疲劳裂纹尖端周围的微观形貌，按采集顺序依次比对各第三类微观形貌数据中疲劳裂纹尖端周围的微观形貌，并分别比对第一类微观形貌数据与各第二类微观形貌数据、各第三类微观形貌数据中疲劳裂纹尖端周围的微观形貌，得到疲劳裂纹快速不稳定扩展机理的测试结果的步骤中，包括：
步骤510，测量第一类微观形貌数据中的疲劳裂纹的第一裂尖张开位移，并根据第一裂尖张开位移和应力强度因子，得到疲劳裂纹的第一微观变化曲线。
需要说明的是，裂尖张开位移用于表征疲劳裂纹尖端的开合状况，在测量时，将疲劳裂纹的尖端作为顶点，并疲劳裂纹的中心作为对称线作直角三角形，直角三角形底边与疲劳裂纹尖端的交点连线即为裂尖张开位移。应力强度因子用于表征疲劳裂纹的开合应力。将开合位移作为竖坐标，应力强度因子作为横坐标，绘制微观变化曲线。即采用微观变化曲线来表示疲劳裂纹在扩展过程中的微观形貌变化情况。
步骤520，测量第二类微观形貌数据中的疲劳裂纹的第二裂尖张开位移，并根据第二裂尖张开位移和应力强度因子，得到疲劳裂纹的第二微观变化曲线；
步骤530，测量第三类微观形貌数据中的疲劳裂纹的第三裂尖张开位移，并根据第三裂尖张开位移和应力强度因子，得到疲劳裂纹的第三微观变化曲线；
步骤540，依次比对各第二微观变化曲线的变化规律，依次比对各第三微观变化曲线的变化规律，并分别比对第一微观变化曲线与各第二微观变化曲线、各第三微观变化曲线的变化规律，得到测试结果。
需要说明的是，依照获取到第二类微观形貌数据的采集顺序依次比对第二微观变化曲线的变化规律，依照获取到第三类微观形貌数据的采集顺序依次比对第二微观变化曲线的变化规律，再将第一微观变化曲线的变化规律逐一与各第二微观变化曲线的变化规律进行比对，再将第一微观变化曲线的变化规律逐一与各第三微观变化曲线的变化规律进行比对，根据比对的结果揭示疲劳裂纹的快速不稳定扩展的形成机制，得到测试结果。
本申请疲劳裂纹快速不稳定扩展机理测试方法的各实施例中，在金相试样上施加循环疲劳应力，并实时观察疲劳裂纹的扩展状况，在金相试样中的疲劳裂纹处于稳定扩展阶段时，采集在循环疲劳应力的单个载荷周期内疲劳裂纹的第一类微观形貌数据，在金相试样中的疲劳裂纹处于迟滞扩展阶段时，分别采集多个载荷周期内疲劳裂纹对应的第二类微观形貌数据，在金相试样中的疲劳裂纹处于快速扩展阶段时，分别采集多个载荷周期内疲劳裂纹对应的第三类微观形貌数据，按采集顺序依次比对各第二类微观形貌数据中疲劳裂纹尖端周围的微观形貌，按采集顺序依次比对各第三类微观形貌数据中疲劳裂纹尖端周围的微观形貌，并分别比对第一类微观形貌数据与各第二类微观形貌数据、各第三类微观形貌数据中疲劳裂纹尖端周围的微观形貌，得到疲劳裂纹快速不稳定扩展机理的测试结果，本申请疲劳裂纹快速不稳定扩展机理测试方法采用小时间尺度方法分别采集第一类微观形貌数据、第二类微观形貌数据和第三类微观形貌数据，并通过比对上述各通过小时间尺度方法采集到的微观形貌数据，得到疲劳裂纹快速不稳定扩展机理的测试结果，从而，通过观察一个载荷周期内疲劳裂纹的快速扩展行为，提高了获取测试结果的精度。
为了便于理解本申请疲劳裂纹快速不稳定扩展机理测试方法，现以一具体应用来说明本申请，具体如下：
步骤1，制备原位试样
参考《GBT6398-2000金属材料疲劳裂纹扩展速率试验方法》，根据原位试验台的结构特点和尺寸，制备5件原位试样(如图6所示)，分别对5件原位试样进行编号。
步骤1.1：准备加工材料；
步骤1.2：设计原位试样的图纸(如图6所示)；
目前原位试验台一般为伺服电机驱动，原位试样的尺寸相对于常规疲劳裂纹扩展试样要小，原位试样允许的宽度有限。为了有充分空间能观察到疲劳裂纹的扩展过程，需结合原位试验台的结构特点和尺寸，对原位试样的结构进行改进，以满足所需的宽度。例如，原位试样的宽度为10mm(毫米)，厚度为1mm。
步骤1.3：制作原位试样的倒角刀具；
为了使原位试样顺利完成裂纹疲劳的预制工作，如图6所示，在原位试样中的“A”处的边缘制作锋锐的V形切口。考虑到现有线切割技术无法获得所需的切口，需对刀具进行特殊处理，可将圆盘刀具的边缘进行打磨，获取锋利切割面。
步骤1.4：加工原位试样的切口；
如图1所示，在原位试样中的“A”处，采用倒角工具制作一个V形切口，切口深度为1mm，切口的开角不超过30度。
步骤2，预制疲劳裂纹
为便于在预制疲劳裂纹时对疲劳裂纹进行观察，参考《GB/T1398-2015金相显微组织检验方法》，对试样表面进行打磨、抛光处理，之后将试样放置于液压型疲劳试验机上，开展疲劳裂纹的预制工作。
步骤2.1：将原位试样粘贴于金相打磨夹具上；
考虑到原位试样的尺寸小，不便于金相打磨，需首先将原位试样粘贴在打磨夹具上(如图7所示)，之后再进行打磨处理。
步骤2.2：对原位试样的待观察面进行打磨处理；
分别在1000、2000和3000粒度砂纸上对原位试样的待观察面进行粗磨、精磨处理。
步骤2.3：精磨完成后，对待观察面抛光处理；
完成试样的精磨后，对待观察面进行抛光处理。
步骤2.4：将试样装夹于液压型疲劳试验机上，进行疲劳裂纹预制；
参考材料裂纹扩展曲线，以10-5mm/N为扩展速率计算预制疲劳裂纹所需载荷，并设定应力比进行疲劳裂纹的预制。
步骤2.5：当疲劳裂纹扩展至1mm时，停止加载；
步骤2.6：根据需要对预制了裂纹的原位试样进行抛光处理。
步骤3：对已预制裂纹的原位试样进行金相处理
将已预制裂纹原位试样进行金相处理，为降低金相腐蚀对疲劳裂纹扩展的影响，腐蚀程度相对于金相腐蚀要轻。
步骤3.1：配置原位试样的金相腐蚀溶液；
参考《GB/T1398-2015金相显微组织检验方法》，配置所需的金相溶液。
步骤3.2：对原位试样的抛光面进行金相处理，得到金相试样；
采用少量的金相溶液对原位试样的抛光面进行表面浸渍，以铝合金材料为例，浸渍时间为15s左右，比常规金相腐蚀时间要短，腐蚀时间过长，将破坏材料晶界组织。
步骤3.3：将试样放置于真空罐中或直接开展原位试验；
对于部分无法及时试验的样品，可放置于真空罐中进行储存。
步骤4：观察金相试样的疲劳裂纹的快速不稳定扩展行为
在原位试验台中，对金相试样进行循环疲劳应力加载，观察疲劳裂纹的微观扩展行为。
步骤4.1：将金相试样装夹于原位试验台中，观察初始形貌；
将试样装夹于原位试验台中，并将原位试验台置于扫描电镜的真空腔中，抽取真空，首先采用不同放大倍数，对疲劳裂纹尖端的初始形貌进行观察。
步骤4.2：设定最大载荷和应力比对试样进行加载；
参考疲劳裂纹尖端的初始形貌，设定最大载荷和应力比进行循环疲劳应力的加载。
步骤4.3：观察各载荷周期后疲劳裂纹的微观形貌；
在各载荷周期之后，在扫描电镜下观察疲劳裂纹的微观形貌。
步骤4.4：发现疲劳裂纹的快速不稳定扩展行为；
分别对各载荷周期及裂纹长度进行记录，依据绘制的裂纹扩展曲线，对疲劳裂纹的稳定扩展阶段和快速不稳定扩展阶段进行观察和记录。
步骤5：结合裂纹闭合理论，以一个载荷周期为最小时间尺度，根据裂纹闭合规律揭示疲劳裂纹的快速不稳定扩展的形成机理，获取测试结果
采用在各载荷周期内进行阶梯加载和阶梯卸载方法的加载循环疲劳应力，以裂纹闭合理论为基础，通过分析稳定扩展阶段、迟滞扩展阶段以及快速扩展阶段内疲劳裂纹的闭合规律，进而揭示快速不稳定扩展的形成机理，获取测试结果。
步骤5.1：小时间尺度下观察疲劳裂纹在稳定扩展时的微观形貌；
当观察到疲劳裂纹处于稳定扩展时，采用小时间尺度的方法，将一个载荷周期分成若干个应力点进行阶梯加载和阶梯卸载，如图8所示，在每个应力点处，保持应力值2-3分钟不变化，在此期间选择5000-10000倍的分辨率，对疲劳裂纹尖端的微观形貌进行记录，分别记录不同载荷周期内的疲劳裂纹尖端的微观形貌，如图9所示。
步骤5.2：在扫描电镜下观察疲劳裂纹迟滞扩展行为；
在扫描电镜下对疲劳裂纹微观扩展过程进行实时观察，当发现多个载荷周期之后，疲劳裂纹尖端依然在某一位置停滞时，则疲劳裂纹进入迟滞扩展阶段，对疲劳裂纹尖端的微观形貌进行记录。金属材料出现裂纹迟滞扩展一般与晶界或第二相粒子有关。
步骤5.3：小时间尺度下观察裂纹迟滞扩展行为；
当疲劳裂纹出现迟滞扩展时，在迟滞扩展阶段内，选取两至三个载荷周期，分别在小时间尺度下观察疲劳裂纹尖端的张开和闭合过程，主要对疲劳裂纹尖端开合连续变化过程进行记录。
疲劳裂纹尖端的开合一般采用裂尖张开位移(CTOD，Crack-Tip OpeningDisplacemen)表征，在测量时，首先将疲劳裂纹尖端作为顶点，然后以疲劳裂纹中心为对称线作直角三角形，直角三角形底边与裂纹尖端的交点连线即裂尖张开位移。除裂尖张开位移之外，应力强度因子(K)也是表征开合应力的重要指标，根据裂尖张开位移与应力强度因子的变化过程，可绘制出一个载荷周期内，疲劳裂纹尖端扩展的微观变化曲线，如图10所示。
步骤5.4：对金相试样继续施加循环疲劳应力，在扫描电镜观察到疲劳裂纹尖端前方有晶界开裂时，观察晶界开裂形貌并进行记录；
步骤5.5：随着循环疲劳应力的加载，持续观察疲劳裂纹尖端前方晶界的变化状态，随着晶界开裂状态的不断变化，在扫描电镜下记录疲劳裂纹尖端朝着开裂晶界方向的扩展过程。
步骤5.6：当疲劳裂纹尖端与晶界呈现桥连的趋势时，疲劳裂纹进入快速扩展阶段，连续选取数个载荷周期，在各载荷周期下，记录疲劳裂纹尖端前方晶界开裂形貌的同时，记录并绘制各循环周期内的微观变化曲线。
步骤5.7：当疲劳裂纹尖端与晶界桥连的瞬时状态下，记录一个载荷周期内不同应力点处的疲劳裂纹尖端的裂尖张开位移随应力强度因子的变化过程。将快速扩展阶段、迟滞扩展阶段与稳定扩展阶段下的微观变化曲线互相进行对比，分析微观组织对裂纹闭合的影响过程，揭示快速不稳定扩展的形成机制，获取测试结果。
本申请疲劳裂纹快速不稳定扩展机理测试疲劳裂纹快速不稳定扩展机理测试方法的各实施例，通过实时观测方法，在扫描电镜下采用高分辨率观察微观组织对裂纹闭合的动态影响过程，将裂纹扩展的重要影响因素裂纹闭合考虑到裂纹扩展机理研究中，并以裂纹闭合为理论基础，以一个载荷周期为最小时间尺度，观察一个载荷周期内微观组织对裂纹闭合的影响，提高裂纹扩展机理的分析精度，进而提高了测试精度，进一步的，本申请对铝合金、钛合金、高温合金等金属材料具有通用性，适用范围广泛。
应该理解的是，虽然图1-5的流程图中的各个步骤按照箭头的指示依次显示，但是这些步骤并不是必然按照箭头指示的顺序依次执行。除非本文中有明确的说明，这些步骤的执行并没有严格的顺序限制，这些步骤可以以其它的顺序执行。而且，图1-5中的至少一部分步骤可以包括多个子步骤或者多个阶段，这些子步骤或者阶段并不必然是在同一时刻执行完成，而是可以在不同的时刻执行，这些子步骤或者阶段的执行顺序也不必然是依次进行，而是可以与其它步骤或者其它步骤的子步骤或者阶段的至少一部分轮流或者交替地执行。
在一个实施例中，还提供了一种用于实现上述疲劳裂纹快速不稳定扩展机理测试方法的疲劳裂纹快速不稳定扩展机理测试系统，包括原位试验台、扫描电镜；将金相试样固定在原位试验台上，并将原位试验台置于扫描电镜的真空腔内；扫描电镜采集第一类微观形貌数据、第二类微观形貌数据和第三类微观形貌数据。
本申请疲劳裂纹快速不稳定扩展机理测试系统，结构简单，操作方便，便于采集第一类微观形貌数据和第二类微观形貌数，进而提高测试精度。
以上实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
以上所述实施例仅表达了本申请的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对申请专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。因此，本申请专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种疲劳裂纹快速不稳定扩展机理测试方法，其特征在于，包括以下步骤：
在金相试样上施加循环疲劳应力，并在所述金相试样中的疲劳裂纹处于稳定扩展阶段时，采集在所述循环疲劳应力的单个载荷周期内所述疲劳裂纹的第一类微观形貌数据；
在所述金相试样中的疲劳裂纹处于迟滞扩展阶段时，分别采集多个所述载荷周期内所述疲劳裂纹对应的第二类微观形貌数据；
在所述金相试样中的疲劳裂纹处于快速扩展阶段时，分别采集多个所述载荷周期内所述疲劳裂纹对应的第三类微观形貌数据；
按采集顺序依次比对各所述第二类微观形貌数据中所述疲劳裂纹尖端周围的微观形貌，按采集顺序依次比对各所述第三类微观形貌数据中所述疲劳裂纹尖端周围的微观形貌，并分别比对所述第一类微观形貌数据与各所述第二类微观形貌数据、各所述第三类微观形貌数据中所述疲劳裂纹尖端周围的微观形貌，得到所述疲劳裂纹快速不稳定扩展机理的测试结果。
2.根据权利要求1所述的疲劳裂纹快速不稳定扩展机理测试方法，其特征在于，按采集顺序依次比对各所述第二类微观形貌数据中所述疲劳裂纹尖端周围的微观形貌，按采集顺序依次比对各所述第三类微观形貌数据中所述疲劳裂纹尖端周围的微观形貌，并分别比对所述第一类微观形貌数据与各所述第二类微观形貌数据、各所述第三类微观形貌数据中所述疲劳裂纹尖端周围的微观形貌，得到所述疲劳裂纹快速不稳定扩展机理的测试结果的步骤中，包括：
测量所述第一类微观形貌数据中的所述疲劳裂纹的第一裂尖张开位移，并根据所述第一裂尖张开位移和应力强度因子，得到所述疲劳裂纹的第一微观变化曲线；
测量所述第二类微观形貌数据中的所述疲劳裂纹的第二裂尖张开位移，并根据所述第二裂尖张开位移和所述应力强度因子，得到所述疲劳裂纹的第二微观变化曲线；
测量所述第三类微观形貌数据中的所述疲劳裂纹的第三裂尖张开位移，并根据所述第三裂尖张开位移和所述应力强度因子，得到所述疲劳裂纹的第三微观变化曲线；
依次比对各所述第二微观变化曲线的变化规律，依次比对各所述第三微观变化曲线的变化规律，并分别比对所述第一微观变化曲线与各所述第二微观变化曲线、各所述第三微观变化曲线的变化规律，得到所述测试结果。
3.根据权利要求1所述的疲劳裂纹快速不稳定扩展机理测试方法，其特征在于，在金相试样上施加循环疲劳应力的步骤中：
在各所述载荷周期内，变换多个应力点进行所述循环疲劳应力的施加。
4.根据权利要求1至3任一项所述的疲劳裂纹快速不稳定扩展机理测试方法，其特征在于，制备所述金相试样的步骤，包括：
制备可固定于原位试验台的原位试样；
在所述原位试样内预制预设长度的疲劳裂纹；
对制备裂纹后的所述原位试样进行金相处理，得到所述金相试样。
5.根据权利要求4所述的疲劳裂纹快速不稳定扩展机理测试方法，其特征在于，制备可固定于原位试验台的原位试样的步骤，包括：
根据所述原位试验台的尺寸，制作原始试样；
对所述原始试样进行外形与表面加工处理；
在处理后的所述原始试样的一侧端上加工切口，得到所述原位试样。
6.根据权利要求5所述的疲劳裂纹快速不稳定扩展机理测试方法，其特征在于，在处理后的所述原始试样的一侧端上加工切口，得到所述原位试样的步骤之前，还包括：
制作用于加工切口的倒角刀具。
7.根据权利要求5所述的疲劳裂纹快速不稳定扩展机理测试方法，其特征在于，所述原始试样的宽度为10毫米；所述原始试样的厚度为1毫米。
8.根据权利要求5所述的疲劳裂纹快速不稳定扩展机理测试方法，其特征在于，所述切口为V形切口，所述切口的切口深度为1毫米；所述切口的开角小于等于30度。
9.根据权利要求4所述的疲劳裂纹快速不稳定扩展机理测试方法，其特征在于，在所述原位试样内预制预设长度的疲劳裂纹的步骤，包括：
对所述原位试样依次进行打磨、抛光处理；
在处理后的所述原位试样加载疲劳应力，预制所述预设长度的疲劳裂纹；
对预制裂纹后的所述原位试样进行抛光处理。
10.一种用于实现权利要求1至9任一项所述的疲劳裂纹快速不稳定扩展机理测试方法的疲劳裂纹快速不稳定扩展机理测试系统，其特征在于，包括原位试验台、扫描电镜；将金相试样固定在所述原位试验台上，并将所述原位试验台置于所述扫描电镜的真空腔内；所述扫描电镜采集第一类微观形貌数据、第二类微观形貌数据和第三类微观形貌数据。
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Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN102788727A (zh) * 2012-08-31 2012-11-21 中国科学院力学研究所 扫描电镜下多用途原位微尺度力学性能测试仪
CN104406867A (zh) * 2014-12-01 2015-03-11 北京航空航天大学 基于复型与小时间尺度寿命预测的疲劳裂纹扩展测试方法
CN104777046A (zh) * 2015-04-23 2015-07-15 北京航空航天大学 基于小时间尺度的疲劳裂纹扩展机理测试方法
US9581529B2 (en) * 2013-07-02 2017-02-28 Wobben Properties Gmbh Test piece, test method, wind turbine generator system

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN102788727A (zh) * 2012-08-31 2012-11-21 中国科学院力学研究所 扫描电镜下多用途原位微尺度力学性能测试仪
US9581529B2 (en) * 2013-07-02 2017-02-28 Wobben Properties Gmbh Test piece, test method, wind turbine generator system
CN104406867A (zh) * 2014-12-01 2015-03-11 北京航空航天大学 基于复型与小时间尺度寿命预测的疲劳裂纹扩展测试方法
CN104777046A (zh) * 2015-04-23 2015-07-15 北京航空航天大学 基于小时间尺度的疲劳裂纹扩展机理测试方法

Non-Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
HONGXUN WANG等: "Investigative Method for Fatigue Crack Propagation Based on a Small Time Scale", 《MATERIALS》 *
WEIHAN WANG等: "Influence of Grain Boundary on the Fatigue Crack Growth of 7050-T7451 Aluminum Alloy Based on Small Time Scale Method", 《ADVANCES IN MATERIALS SCIENCE AND ENGINEERING》 *

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