CN110940582A - 一种通过拉伸试验预测金属材料疲劳强度的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种通过拉伸试验预测金属材料疲劳强度的方法，属于金属材料的疲劳强度测试技术领域。该方法通过将金属材料的疲劳强度与细长样品拉伸性能中的弹性极限联系起来，从而通过测试过程较为简单的拉伸性能来预测测试过程较为复杂的疲劳性能。该方法包括以下几个步骤：(1)通过电腐蚀加工制备至少两个满足要求的拉伸样品。(2)通过拉伸试验机测得一个拉伸样品的拉伸曲线，并从中获得弹性极限。(3)使用拉伸试验机对另一个样品进行拉伸测试，当拉伸达到弹性极限后停止拉伸。(4)通过显微镜观察样品，若变形集中在某一晶粒内部，则拉伸试验所得到的弹性极限就是预测的疲劳强度。

Description

一种通过拉伸试验预测金属材料疲劳强度的方法
技术领域
本发明涉及到金属材料的疲劳强度测试技术领域，具体涉及一种通过拉伸试验预测金属材料疲劳强度的方法。
背景技术
疲劳性能是材料重要的服役性能指标之一。一种材料在应用到关键构件之前需要进行大量的疲劳测试。其中疲劳强度的测试更是费时费力。因此如何通过简单的拉伸测试来预测材料的疲劳强度成为研究的热点。
Figure BDA0002283269840000011
通过总结火车车轴的疲劳数据，提出疲劳强度与抗拉强度之间存在线性关系。关系具体为：疲劳强度是抗拉强度的0.4到0.5倍(TóthL,Yarema SY.Formation of the science of fatigue of metals.Part 1.1825-1870,Mater.Sci.,2006,42:673-80.)。然而，这种线性关系的提出并没有微观机制上的支持，并且，后期随着大量的高强甚至超高强金属材料的不断出现，这种线性关系已经不再适用。近年来，Tanaka等人提出了材料的无限寿命疲劳强度与其微观上的最弱滑移阻力有关(Tanaka,K.and T.Mura,A DISLOCATION MODEL FOR FATIGUE CRACK INITIATION.Journalof Applied Mechanics-Transactions of the Asme,1981.48(1):97-103)。而这个最弱滑移阻力不仅与疲劳强度有关，同样与材料的拉伸性能有关。因此，通过拉伸测试获得最弱滑移阻力，理论上就可以预测疲劳强度。但是，通过普通的拉伸样品无法获得最弱滑移阻力。因为普通样品的截面包含了许多晶粒，而最弱滑移阻力指的是单个晶粒内部的滑移阻力。而在大样品的拉伸过程中，单个晶粒内部的滑移无法自由进行，而是被近邻的晶粒限制了。
发明内容
本发明的目的在于提供一种通过拉伸试验预测金属材料疲劳强度的方法，该方法依据最弱滑移阻力这一微观机制提出，解决了大样品拉伸无法获得最弱滑移阻力的问题。
为实现上述目的，本发明所采用的技术方案如下：
一种通过拉伸试验预测金属材料疲劳强度的方法，包括如下步骤(1)-(4)：
(1)通过电腐蚀加工制备至少两个细长拉伸试样；
(2)通过拉伸试验机测得一个细长拉伸试样的拉伸曲线，并获得弹性极限；
(3)使用拉伸试验机对其他细长拉伸样品进行拉伸测试，当达到步骤(2)所述的弹性极限后停止拉伸；
(4)通过显微镜观察步骤(3)中的做完拉伸测试的样品，如确认变形集中在某一晶粒内部，则步骤(2)所得到的弹性极限即为预测出的该材料的无限寿命疲劳强度。
所述细长拉伸试样的标距段截面面积小于待测材料的晶粒截面面积，并且细长拉伸试样的标距段长度大于100倍待测材料的晶粒尺寸。
所述细长拉伸试样标距段的横截面为正方形。
步骤(2)-(3)中，进行拉伸试验时，拉伸速率为10-4s-1。
上述步骤(1)中，所述细长拉伸试样的制备过程包括如下步骤(a)-(e)：
(a)使用电火花线切割设备加工出初始样品，用砂纸打磨初始样品表面，去除线切割痕迹；
(b)根据拉伸试样的目标尺寸、材料的弹性模量和密度计算出初始样品在倾斜角度为θ时的自由夹持端末端下降高度h；h的计算使用了材料力学公式，按如下两部分进行：
第一部分，把夹持端简化为质点，根据公式(1)计算其挠度h1；
Figure BDA0002283269840000021
公式(1)中，G为试样一端的夹持端所受的重力，l为试样标距段的长度，E为材料的弹性模量，w为试样标距段的宽度，t为试样标距段的厚度；
第二部分，根据公式(2)计算由于挠度而造成的夹持端旋转的角度，然后考虑由于角度而造成的夹持端末端下降高度h2；
Figure BDA0002283269840000031
其中，Δθ为由于挠度而造成的夹持端旋转的角度；
由于Δθ而造成的夹持端末端下降的高度为h2，根据公式(3)计算h2；
h2＝l夹持端(sin(θ+Δθ)-sinθ) (3)；
公式(3)中，l夹持端为夹持端的长度；
则在倾斜角度为θ时的自由夹持端末端下降高度h根据公式(4)进行计算；
h＝h1+h2 (4)；
(c)配置电解溶液；
(d)固定初始样品的一端，使初始样品倾斜角度为θ并浸入电解溶液中，在直流恒压电源下进行电解加工；
(e)在电解加工的过程中观察样品，当样品的非固定端的下垂距离达到h时停止电解加工；然后将样品快速放入酒精中并进行超声波清洗，洗去样品表面残余的电解溶液，即得到所述细长拉伸试样。
上述步骤(a)中，所述初始样品形状和最终试样一样；所述拉伸试样包括两端的夹持段和中部的标距段。
上述步骤(a)中，用于打磨的砂纸型号为1200号。
上述步骤(b)中，所述的倾斜角度是指初始样品倾斜放置时，样品轴线与竖直方向的夹角，倾斜角度必须保证样品的挠度足够大，以便于测量；所述倾斜角度θ为30-75°。
上述步骤(c)中，所述电解溶液的成分根据金属材料的不同进行选择，电解电压根据材料进行选择；所述拉伸试样应选择导电性良好、电解腐蚀性良好的材料。
上述步骤(e)中，所制备的细长拉伸试样标距段的宽度和厚度均小于100微米，标距段长度大于5毫米。
本发明预测方法所依据的科学原理如下：
材料的疲劳破坏过程可以理解为：在某一应力幅下，超过了该材料的局部最弱滑移阻力，加上滑移的不可逆性导致局部应变累积，最终萌生裂纹引起材料破坏。而在无限寿命疲劳强度这一定义的限制下，疲劳强度无限接近于材料的局部最弱滑移阻力。在一般的均质材料中，一个晶粒内部的滑移阻力是相同的。因此只要制备出截面积小于晶粒截面积的拉伸样品，并且在拉伸样品的轴向又有足够多的晶粒，理论上就可以依据弹性极限得到该材料的最弱滑移阻力。
本发明有益效果如下：
1、本发明通过对截面只有一个晶粒的样品进行拉伸测试获得材料的最弱滑移阻力，解决了大样品拉伸无法获得材料最弱滑移阻力的问题。从而可以通过简单的拉伸测试来预测材料的无限寿命疲劳强度。
2、本发明预测疲劳强度的前提是制备出尺寸精度高的细长拉伸试样，本发明通过计算小尺度样品在倾斜摆放时的挠度，并检测电解加工时样品的挠度，从而控制样品的尺寸。其控制样品尺寸的方法简单，操作方便，解决了电化学加工时难以控制样品尺寸的问题，保证得到具有目标尺寸的样品。
附图说明
图1为细长拉伸试样的尺寸图(图中单位为毫米)。
图2为计算挠度示意图。
图3为电解加工工艺的装置原理图。
图4为实施例1制备的拉伸试样；其中：(a)试样正面；(b)试样侧面。
图5为工程应力-工程应变拉伸曲线结果图。
图6为变形全部集中在一个晶粒内部的示意图。
图中：1-样品；2-电解槽的阴极。
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。
实施例1：
本实施例首先制备出细长拉伸试样，然后通过拉伸试验预测材料疲劳强度，制备的目标细长拉伸试样标距段尺寸为：长10毫米，宽40微米，厚40微米。
首先，采用步骤(a)-(e)制备两个细长拉伸试样，具体制备过程如下：
(a)使用电火花线切割设备加工出初始样品，初始样品截面为正方形。样品1材质为马氏体时效钢；用砂纸打磨各个面，去除线切割痕迹；为达到理想的表面状态，砂纸的型号推用1200号。
(b)根据样品的目标尺寸(图1)以及材料的密度计算样品在倾斜角度为θ时样品自由夹持端末端下降高度h；为达到理想的观察效果，倾斜角度选用60°(图2)。
h的计算使用了材料力学公式，按如下两部分进行：
第一部分，把夹持端简化为质点，根据公式(1)计算其挠度h1；
Figure BDA0002283269840000051
公式(1)中，G为试样一端的夹持端所受的重力，l为试样标距段的长度，E为材料的弹性模量，w为试样标距段的宽度，t为试样标距段的厚度；
第二部分，根据公式(2)计算由于挠度而造成的夹持端旋转的角度，然后考虑由于角度而造成的夹持端末端下降高度h2；
Figure BDA0002283269840000052
其中，Δθ为由于挠度而造成的夹持端旋转的角度；
由于Δθ而造成的夹持端末端下降的高度为h2，根据公式(3)计算h2；
h2＝l夹持端(sin(θ+Δθ)-sinθ) (3)；
公式(3)中，l夹持端为夹持端的长度；
则在倾斜角度为θ时的自由夹持端末端下降高度h根据公式(4)进行计算；
h＝h1+h2 (4)；
最终h的计算结果为：2.1毫米。
(c)配置电解的溶液。
作为优选，不同材料有不同的最适宜电解溶液。本实施例所选取的电解溶液的组成为：高氯酸10vol.％，酒精90vol.％。
(d)电解加工：如图3所示，使用镊子夹住样品1的一段，使样品轴线与竖直方向呈60°，然后插入电解溶液中，阴极2也浸入电解液中，在直流恒压电源下进行电解加工；
为达到理想的电解加工效果，不同材料有不同的最适宜电压。本实施例所选取的电解电压为6V。
(e)在电解加工的过程中时刻观察样品。当样品另一端的下垂距离达到h时停止电解加工。将样品快速放入酒精中并进行超声波清洗，洗去样品表面残余的电解溶液。为达到理想的清洗效果，超声波清洗时间推荐为5分钟。
所制备的细长拉伸试样经扫描电子显微镜测量，其标距段的具体尺寸为：长10毫米，宽37.8微米，厚34.8微米。图4(a)为试样的正面，测得宽度，图4(b)为试样的侧面，测得厚度。
其次，通过拉伸试验预测材料疲劳强度，包括如下步骤(1)-(5)：
(1)经测试所制备的细长拉伸样品标距段的截面面积小于材料的晶粒截面面积，拉伸样品的标距段长度大于100倍晶粒尺寸。试样标距段的截面是正方形，边长为40微米左右。
(2)通过拉伸试验机测得一个细长拉伸样品的拉伸曲线，如图5所示，并获得这个拉伸样品的弹性极限。作为优选，拉伸速率选择为10-4s-1。
(3)使用拉伸试验机对另一个样品进行拉伸测试，当拉伸达到步骤(2)所述的弹性极限后停止拉伸。
(4)通过显微镜观察步骤(3)中的样品，确认变形集中在某一晶粒内部，如图6所示。
(5)若步骤(4)的条件满足，则步骤(2)所得到的弹性极限就是预测的疲劳强度。

Claims (10)

1.一种通过拉伸试验预测金属材料疲劳强度的方法，其特征在于：该方法包括如下步骤：
(1)通过电腐蚀加工制备至少两个细长拉伸试样；
(2)通过拉伸试验机测得一个细长拉伸试样的拉伸曲线，并获得弹性极限；
(3)使用拉伸试验机对其他细长拉伸样品进行拉伸测试，当达到步骤(2)所述的弹性极限后停止拉伸；
(4)通过显微镜观察步骤(3)中的做完拉伸测试的样品，如确认变形集中在某一晶粒内部，则步骤(2)所得到的弹性极限即为预测出的该材料的无限寿命疲劳强度。
2.根据权利要求1所述的通过拉伸试验预测金属材料疲劳强度的方法，其特征在于：所述细长拉伸试样的标距段截面面积小于待测材料的晶粒截面面积，并且细长拉伸试样的标距段长度大于100倍待测材料的晶粒尺寸。
3.根据权利要求1所述的通过拉伸试验预测金属材料疲劳强度的方法，其特征在于：所述细长拉伸试样标距段的横截面为正方形。
4.根据权利要求1所述的通过拉伸试验预测金属材料疲劳强度的方法，其特征在于：步骤(2)-(3)中，进行拉伸试验时，拉伸速率为10-4s-1。
5.根据权利要求1所述的通过拉伸试验预测金属材料疲劳强度的方法，其特征在于：步骤(1)中，所述细长拉伸试样的制备过程包括如下步骤(a)-(e)：
(a)使用电火花线切割设备加工出初始样品，用砂纸打磨初始样品表面，去除线切割痕迹；
(b)根据拉伸试样的目标尺寸、材料的弹性模量和密度计算出初始样品在倾斜角度为θ时的自由夹持端末端下降高度h；h的计算使用了材料力学公式，按如下两部分进行：
第一部分，把夹持端简化为质点，根据公式(1)计算其挠度h1；
Figure FDA0002283269830000021
公式(1)中，G为试样一端的夹持端所受的重力，l为试样标距段的长度，E为材料的弹性模量，w为试样标距段的宽度，t为试样标距段的厚度；
第二部分，根据公式(2)计算由于挠度而造成的夹持端旋转的角度，然后考虑由于角度而造成的夹持端末端下降高度h2；
Figure FDA0002283269830000022
其中，Δθ为由于挠度而造成的夹持端旋转的角度；
由于Δθ而造成的夹持端末端下降的高度为h2，根据公式(3)计算h2；
h2＝l夹持端(sin(θ+Δθ)-sinθ) (3)；
公式(3)中，l夹持端为夹持端的长度；
则在倾斜角度为θ时的自由夹持端末端下降高度h根据公式(4)进行计算；
h＝h1+h2 (4)；
(c)配置电解溶液；
(d)固定初始样品的一端，使初始样品倾斜角度为θ并浸入电解溶液中，在直流恒压电源下进行电解加工；
(e)在电解加工的过程中观察样品，当样品的非固定端的下垂距离达到h时停止电解加工；然后将样品快速放入酒精中并进行超声波清洗，洗去样品表面残余的电解溶液，即得到所述细长拉伸试样。
6.根据权利要求5所述的通过拉伸试验预测金属材料疲劳强度的方法，其特征在于：步骤(a)中，所述初始样品形状和最终试样一样；所述拉伸试样包括两端的夹持段和中部的标距段。
7.根据权利要求5所述的通过拉伸试验预测金属材料疲劳强度的方法，其特征在于：步骤(a)中，用于打磨的砂纸型号为1200号。
8.根据权利要求5所述的通过拉伸试验预测金属材料疲劳强度的方法，其特征在于：步骤(b)中，所述的倾斜角度是指初始样品倾斜放置时，样品轴线与竖直方向的夹角，倾斜角度必须保证样品的挠度足够大，以便于测量；所述倾斜角度θ为30-75°。
9.根据权利要求5所述的通过拉伸试验预测金属材料疲劳强度的方法，其特征在于：步骤(c)中，所述电解溶液的成分根据金属材料的不同进行选择，电解电压根据材料进行选择；所述拉伸试样应选择导电性良好、电解腐蚀性良好的材料。
10.根据权利要求5所述的通过拉伸试验预测金属材料疲劳强度的方法，其特征在于：步骤(e)中，所制备的细长拉伸试样标距段的宽度和厚度均小于100微米，标距段长度大于5毫米。
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