CN112504797A - 一种金属锻件k1c试样辨别取样方向的测试方法 - Google Patents

一种金属锻件k1c试样辨别取样方向的测试方法 Download PDF

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Abstract

本发明属于无损检测与理化测试领域，具体涉及一种金属锻件K1C试样辨别取样方向的测试方法。包括：取K1C测试试验后的试验余块；对试验余块的长宽高三个不同方向的表面进行低倍腐蚀；通过观察低倍腐蚀后的试样表面确定金属锻件K1C试样的取样方向。本发明的方法不需加工拉伸试棒，进行拉伸试验，不需要额外使用机械加工和试验设备，就能够准确区分出试验余料的纤维方向，从而确定试样的取样加工方向。

Description

一种金属锻件K1C试样辨别取样方向的测试方法
技术领域
本发明属于无损检测与理化测试领域，具体涉及一种金属锻件K1C试样辨别取样方向的测试方法。
背景技术
KⅠC值称为平面应变断裂韧度，属于一种断裂韧度参量。用来反映材料在静态或准静态载荷下抵抗裂纹失稳扩展或稳态扩展起始能力的性能指标，断裂韧度表征材料抵抗裂纹启裂的能力。
安全寿命设计思想认为：只要结构的疲劳性能(疲劳寿命除以一定的分散系数)满足要求，结构就是安全的。然而设计实践表明，完全采用静强度和安全寿命思想设计的飞机，仍存在很多不安全的因素，其中一个明显不足就是没有考虑漏检的初始缺陷和裂纹对结构安全性的影响，这已经导致了多起灾难性事故的发生。飞机在生产和使用中，现有无损检测方法都难以将所有存在于结构危险部位的裂纹检出。因此带损伤(即缺陷或裂纹)使用是客观事实，损伤容限设计思想就是在这种情况下产生并发展起来的，他的理论基础是断裂力学的发展与应用。
损伤容限分析的主要内容是进行含裂纹体结构的裂纹扩展与剩余强度分析。初始缺陷在疲劳载荷的作用下可能会经历疲劳裂纹萌生、稳态裂纹扩展和裂纹失稳扩展而断裂的过程。随着裂纹在载荷谱作用下的不断扩展，结构的剩余强度会随着使用时间的增加而急剧下降。若不加以控制，裂纹扩展超过临界裂纹长度，就会导致结构发生失稳扩展而断裂。断裂韧度就是反映材料在静态或准静态载荷下抵抗裂纹失稳扩展或稳态扩展起始能力的性能指标，断裂韧度表征材料抵抗裂纹启裂的能力。
对于绝大部分航空金属材料，工况恶劣，受力复杂，对材料的强度要求较高，由于其强度高而延性相对较差，断裂模式主要表现为脆性断裂，脆性断裂几乎没有变形发生，其裂纹尖端的塑性区尺寸相对较小，裂纹尖端的应力应变场由应力强度因子K控制。当带裂纹的试样厚度(裂纹沿厚度方向分布)足够厚时，裂纹尖端处于平面应变状态，断裂韧度参量为平面应变断裂韧度KⅠC值。试样的取样方向对材料的断裂韧度的测试结果有明显的影响，特别是对于各向异性材料影响更大。通常热处理后屈服强度较高的材料其断裂韧度较低。
断裂韧度试验方法中对试样的取样方向有严格的规定，不同取向的断裂韧度值也不相同。如图1所示，一般提供材料的断裂韧度数据时，提供L-T纵横向、T-L横纵向、S-L高纵向三个方向的数据，其中字母L代表纵向，字母T代表横向，字母S代表高向。从数据来看，L-T方向最高，T-L方向居中，S-L方向最低。
金属K1C试样是一种开口试样，类似于预制缺口试样。金属K1C试验是将试样安装在疲劳试验机上，拉力方向垂直于裂纹开口方向，在持续外力加载下将试样开口处预制裂纹并拉开，根据拉开后断口上测得的尺寸和拉伸试棒测得的屈服强度值，计算得出K1C。试验结果的高低反映了金属材料抵抗断裂能力的高低。该试验试样的取样方向有严格的要求，不同取样方向K1C试验结果差异较大。在生产实践过程中，K1C试验经常会出现试验结果偏离的情况，试验结果为什么偏离，偏离的试验结果是否有效，能否做为评判数据来评判材料性能，需要对试验时试样的取样方向再次确认，所以，断裂后再次确认试样的取样方向非常关键。
由于试样取样加工后已将原有的标识完全加工掉了，直接目视很难判别试样的取样方向。要想判定试样的加工取样方向最接近的技术一般有以下几种方式：第一种方式是在试验余料上取拉伸试棒，测试不同方向拉伸强度来确认，费工费力，时间长，不具备加工和试验条件无法实现；第二种方式是，在制备试样时，在样块上做好标记，这种形式易实现，但也易被试样加工时清除掉；第三种方式是在试验余料上取试棒，测试不同方向延伸率来确认，费工费力，时间长，不具备加工和试验条件无法实现。
发明内容
发明目的：提供一种简单易行，测试成本低且能够准确判断出试样断裂后试样取样方向的测试方法。
技术方案：
第一方面，提供了一种金属锻件K1C试样辨别取样方向的测试方法，包括：取K1C测试试验后的试验余块；对试验余块的长宽高三个不同方向的表面进行低倍腐蚀；通过观察低倍腐蚀后的试样表面确定金属锻件K1C试样的取样方向。
进一步地，对试验余块的长宽高三个不同方向的表面进行低倍腐蚀之前，还包括：对K1C试验余块的长宽高三个方向的表面平面进行砂纸打磨，直至表面无划痕。
进一步地，对K1C试验余块的长宽高三个方向的表面平面进行砂纸打磨，直至表面无划痕，具体包括：对K1C试验余块长宽高三个方向的表面平面进行砂纸打磨，若打磨后仍有影响金相检测的划痕，则用抛光呢粘抛光膏对表面进一步抛光，直至表面无划痕。
进一步地，通过观察低倍腐蚀后的试样表面确定金属锻件K1C试样的取样方向，具体包括：通过目视或用不超过30倍的放大镜检查腐蚀清洗后的试样表面，辨别晶粒的变形程度，变形最大的方向为L纵向方向，变形中等的方向为T横向方向，变形程度最小的方向为S高向方向。
进一步地，通过观察低倍腐蚀后的试样表面确定金属锻件K1C试样的取样方向之前还包括：对腐蚀好的试样表面进行中和及清洗，并吹干。
进一步地，还包括：在确定金属锻件K1C试样的取样方向之后，对试样加工方向进行标记。
进一步地，对K1C试验余块的长宽高三个方向的表面平面进行砂纸打磨，具体包括：每次打磨的打磨方向旋转180度，打磨后检查表面划痕情况。
进一步地，在K1C测试试验结果异常的情况下，利用根据权利要求1至7所述的方法进行对比检测，通过对比检测确定是否为取样方向错误导致的K1C测试试验结果异常。
有益效果：本发明简单易行，测试成本低，金相检测人员能够准确判断出试样断裂后试样取样方向。不需加工拉伸试棒，进行拉伸试验，不需要额外使用机械加工和试验设备，就能够准确区分出试验余料的纤维方向，从而确定试样的取样加工方向。
附图说明
图1为断裂韧性试样及取样加工方向示意图，其中，L代表纵向，字母T代表横向，字母S代表高向。
具体实施方式
由于现有技术需要对试样余料再次加工拉伸试棒，进行拉伸试验，通过拉伸实验测得的试验结果来判断试样取样的方向，没有拉伸设备和试样加工设备无法实施，成本高，时间长。
因此，为了解决上述问题，本专利结合金相测试技术，金属组织结构特点和力学性能测试技术，创造性提出用金相组织鉴别法，区分试块余料的纤维方向，结合金相组织特征确认K1C取样方向。具体包括：
1取K1C测试试验后的试验余块。
2对K1C试验余块3个方向的表面平面进行砂纸打磨，由粗到细依次打磨到800号砂纸，检查表面划痕情况，确认无划痕或划痕很细。若仍有影响金相检测的划痕，用抛光呢粘抛光膏对表面进一步抛光，直至符合检测要求。
3根据锻件材料不同配制金相低倍腐蚀溶液。
4将制备好的K1C试验余块，放入配制好的低倍腐蚀溶液中进行低倍腐蚀。
5对腐蚀好的试样表面进行中和及清洗，并吹干。
6目视或用不超过30倍的放大镜检查腐蚀清洗后的试样表面，辨别晶粒的变形程度，变形最大的方向为L纵向方向，变形中等的方向为T横向方向，变形程度最小的方向为S高向方向。
7标记试样加工方向。
下面结合具体实施例详细说明。
实施例一：
SA型号7050铝合金材料锻件的K1C测试试验结果异常情况，分析异常原因。
1取7050铝合金材料锻件K1C测试试验后的试验余块。
2对K1C试验余块3个方向的表面平面进行砂纸打磨，由粗到细依次打磨，400号砂纸，600号砂纸到800号砂纸，每次打磨的打磨方向旋转180度，打磨后检查表面划痕情况，仍有影响金相检测的划痕，用抛光呢加抛光膏沾湿对表面进一步抛光，抛光到划痕细小。
3配制金相低倍腐蚀溶液，100g/L氢氧化钠水溶液3升。
4将制备好的K1C试验余块，放入配制好的低倍腐蚀溶液中进行低倍腐蚀，室温，腐蚀时间8分钟后取出，流动水清洗。
5将腐蚀好的试样放入25％的硝酸水溶液进行中和及清洗，除去黑色碱蚀产物，流动清水冲洗并吹干。
6目视检查腐蚀清洗后的试样表面，辨别晶粒的变形程度和变形方向，变形最大的方向为L纵向方向，变形中等的方向为T横向方向，变形程度最小方向的为S高向方向。
7标记试样加工方向。
8通过对比检测，发现取样方向错误导致K1C测试试验结果异常。
实施例二：
ZM型号TB6钛合金材料锻件的K1C测试余块，取样加工方向判别。
1取TB6钛合金材料锻件K1C测试试验后的试验余块。
2对K1C试验余块3个方向的表面平面进行砂纸打磨，由粗到细依次打磨，400号砂纸，600号砂纸到800号砂纸，每次打磨的打磨方向旋转180度，打磨后检查表面划痕情况，仍有影响金相检测的划痕，用抛光呢加抛光膏沾湿对表面进一步抛光，抛光到划痕细小。
3配制金相低倍腐蚀溶液，20％体积分数的硝酸，13％体积分数的氢氟酸，其余加水，配制混合酸水溶液3升。
4将制备好的K1C试验余块，放入配制好的低倍腐蚀溶液中进行低倍腐蚀，室温，间隔5分钟检查腐蚀情况。
5从浸蚀溶液中取出，立即放入干净水中清洗3分钟后，用流动水清洗吹干。
6目视检查腐蚀清洗后的试样表面，辨别晶粒的变形程度和变形方向，变形最大的方向为L纵向方向，变形中等的方向为T横向方向，变形程度最小方向的为S高向方向。
7标记试样取样加工方向。
实施例三：
某型号A-100/8Mo2Al钢材料锻件的K1C测试余块，取样加工方向判别。
1取A-100/8Mo2Al钢材料锻件K1C测试试验后的试验余块。
2对K1C试验余块3个方向的表面平面进行砂纸打磨，由粗到细依次打磨，400号砂纸，600号砂纸到800号砂纸，每次打磨的打磨方向旋转180度，打磨后检查表面划痕情况，划痕较细小不影响金相观察则可以。
3配制金相低倍腐蚀溶液，50％盐酸水溶液3升。
4将制备好的K1C试验余块，放入配制好的低倍腐蚀溶液中进行低倍腐蚀，室温，腐蚀时间40分钟后取出，流动水清洗。
5将腐蚀好的试样用弱碱性溶液中和，流动清水冲洗并吹干。
6目视检查腐蚀清洗后的试样表面，辨别晶粒的变形程度和变形方向，变形最大的方向为L纵向方向，变形中等的方向为T横向方向，变形程度最小方向的为S高向方向。
7标记试样取样加工方向。
本发明简单易行，测试成本低，金相检测人员能够准确判断出试样断裂后试样取样方向。不需加工拉伸试棒，进行拉伸试验，不需要额外使用机械加工和试验设备，就能够准确区分出试验余料的纤维方向，从而确定试样的取样加工方向。

Claims (8)

1.一种金属锻件K1C试样辨别取样方向的测试方法，其特征在于，包括：
取K1C测试试验后的试验余块；
对试验余块的长宽高三个不同方向的表面进行低倍腐蚀；
通过观察低倍腐蚀后的试样表面确定金属锻件K1C试样的取样方向。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，对试验余块的长宽高三个不同方向的表面进行低倍腐蚀之前，还包括：
对K1C试验余块的长宽高三个方向的表面平面进行砂纸打磨，直至表面无划痕。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，对K1C试验余块的长宽高三个方向的表面平面进行砂纸打磨，直至表面无划痕，具体包括：
对K1C试验余块长宽高三个方向的表面平面进行砂纸打磨，若打磨后仍有影响金相检测的划痕，则用抛光呢粘抛光膏对表面进一步抛光，直至表面无划痕。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，通过观察低倍腐蚀后的试样表面确定金属锻件K1C试样的取样方向，具体包括：
通过目视或用不超过30倍的放大镜检查腐蚀清洗后的试样表面，辨别晶粒的变形程度，变形最大的方向为L纵向方向，变形中等的方向为T横向方向，变形程度最小的方向为S高向方向。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，通过观察低倍腐蚀后的试样表面确定金属锻件K1C试样的取样方向之前还包括：
对腐蚀好的试样表面进行中和及清洗，并吹干。
6.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，还包括：在确定金属锻件K1C试样的取样方向之后，对试样加工方向进行标记。
7.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，对K1C试验余块的长宽高三个方向的表面平面进行砂纸打磨，具体包括：
每次打磨的打磨方向旋转180度，打磨后检查表面划痕情况。
8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在K1C测试试验结果异常的情况下，利用根据权利要求1至7所述的方法进行对比检测，通过对比检测确定是否为取样方向错误导致的K1C测试试验结果异常。
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