CN112605482B - 失效分析用保护性结构件裂纹梯度式分离装置及方法和应用 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种失效分析用保护性结构件裂纹梯度式分离装置及方法和应用，属于机械结构失效分析技术领域。本发明设计的分离装置其能够对结构件裂纹进行梯度式、精细化分离，保证裂纹断口的完整性，尤其是保护裂纹尖端不受破坏和损失，为结构件开裂失效分析提供有效样本，因此具有良好的实际应用之价值。

Description

失效分析用保护性结构件裂纹梯度式分离装置及方法和应用
技术领域
本发明属于机械结构失效分析技术领域，具体涉及一种失效分析用保护性结构件裂纹梯度式分离装置及方法和应用。
背景技术
公开该背景技术部分的信息仅仅旨在增加对本发明的总体背景的理解，而不必然被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已经成为本领域一般技术人员所公知的现有技术。
结构件裂纹多由于结构及材料应力达到限值，造成承载力不足引起的，是结构破坏开始的特征，或是结构强度不足的征兆，非常危险。对结构件裂纹进行分析，是机械结构失效原因确定的关键。因此，在结构件失效分析中，关于其裂纹特征的分析非常重要。而在裂纹分析过程中，首先就需要将裂缝打开，即将裂纹的两个对偶面分离，以检查裂纹对应的断口性质(脆性断裂或延性断裂，一次性断裂或累积损伤等)、断口的微观形貌(沿晶开裂微观形貌、穿晶开裂微观形貌或发生了塑性变形等)、断裂源区特征(起裂位置在何处、源区是否存在夹杂物、孔洞等严重缺陷)。这些需求使得工作人员在分离裂纹对偶面的过程中，需要对裂纹断口的整体区域进行非常有效的保护，以防止其所反映的关键信息在取样过程中被破坏或遗漏。
发明人发现，目前，采用的裂纹分离方式多为简单粗旷式，例如，直接将结构件固定后，用锤头等工具对结构件用非常大的力进行敲打，直至将裂纹的一个对偶面砸掉。这样往往会造成结构件及裂纹断口严重变形，影响后续的分析工作。也有人利用锯床等工具对裂纹进行切割分离，切割时一般需要沿垂直于裂纹深度的方向切割。由于裂纹为面缺陷，裂纹深度在裂纹的长度方向上会发生变化，并不相同。如果只是简单地进行一次性切割，非常容易将裂纹尖端切掉，这样就无法获得完整的裂纹断口，同样影响后续针对结构件开裂的失效分析工作。此外，由于结构件具有各自特定的几何结构，裂纹产生的位置、扩展方向也各不相同，常规的锯床或线切割机往往不能方便地固定含裂纹结构件，因而为后续的切割分离过程带来不便。
发明内容
基于上述现有技术的不足，本发明提供一种失效分析用保护性结构件裂纹梯度式分离装置及方法和应用。本发明设计的装置其能够对结构件裂纹进行梯度式、精细化分离，保证裂纹断口的完整性，尤其是保护裂纹尖端不受破坏和损失，为结构件开裂失效分析提供有效样本，因此具有良好的实际应用之价值。
为实现上述技术目的，本发明涉及以下技术方案：
本发明的一个方面，提供一种失效分析用保护性结构件裂纹梯度式分离装置，所述分离装置至少包括夹持机构和切割机构；
其中，所述夹持机构采用液压装置，将存在裂纹的结构件进行夹持；所述夹持机构可在水平及竖直方向上进行位置调节，并可在水平面内进行360度旋转同时可沿轴向进行360度旋转。
具体的，所述夹持机构包括卡盘、横向轴、纵向轴和液压杆；
其中，卡盘连接横向轴，卡盘能够绕横向轴自转；横向轴垂直连接纵向轴，纵向轴还连接纵向设置的液压杆，液压杆能够带动纵向轴纵向往复运动，液压杆与纵向轴之间或者液压杆的底端与底座之间设有电机，电机能够带动纵向杆自转。
所述切割机构包括钼丝、电机、冷却液装置和定位系统；所述切割机构可以为现有线切割机。
其中，所述钼丝在电机和定位系统作用下可在水平及竖直方向上移动并固定，配合夹持机构，从而便于将存在裂纹的结构件进行精准切割。
所述冷却液装置承载有冷却液，用于对钼丝进行冷却。
所述钼丝直径0.05-0.18mm。
进一步的，所述分离装置还包括固定机构，所述固定机构包括底座，以及固定在底座上的支架，二者共同作用用以固定夹持机构和切割结构。
本发明的第二个方面，提供一种失效分析用保护性结构件裂纹梯度式分离方法，所述分离方法包括采用上述分离装置，具体的，包括：
(1)将预制好的含裂纹试样进行有效夹持；调节夹持机构在水平及竖直方向的位置，并进行水平面内和轴向的旋转，以使得结构件上的裂纹尖端处深度方向(裂纹长度方向定义为z方向，裂纹深度方向定义为y方向)与钼丝垂直；
(2)利用切割机构的钼丝沿z方向进行切割；将钼丝移动至xy方向截面(截面1)的裂纹尖端位置，钼丝的放置方向(x方向)垂直于裂纹尖端处深度方向(y方向)；开动电机，使得钼丝在裂纹尖端位置，沿z方向进行切割；
(3)步骤(2)完成后，将切割装置的钼丝沿y轴，向远离裂纹的方向进行切割，即将该范围内裂纹周围的材料进行剥离。
(4)检查剥离出的xy方向截面(截面2)，如发现裂纹尖端即说明裂纹深度(相对于截面1处)发生了变化，且在截面2处裂纹深度变大；此时，将钼丝移动至xy方向截面(截面2)上的裂纹尖端处，重复步骤(2)和(3)的操作，获得新的xy方向截面(截面3)；
如在xy方向截面(截面2)上未发现裂纹尖端，则说明裂纹深度(相对于截面1处)发生了变化，且在截面2处裂纹深度变小；此时，将钼丝先沿y轴，向靠近裂纹尖端的方向进行切割；再将钼丝沿z方向切割；最后，将钼丝沿y轴，向远离裂纹的方向进行切割，即将该范围内裂纹周围的材料进行剥离，以获得新的xy方向截面(截面3)。
(5)检查剥离出新的xy方向截面(截面3)，重复步骤(2)、(3)和(4)。
(6)如果在切割剥离过程中发现某个xy方向截面上，裂纹在尖端处的深度方向相对于前一个xy方向截面发生了变化，则在轴向上旋转夹持装置，以使得裂纹尖端处的裂纹深度方向重新与钼丝垂直；然后再重复步骤(2)、(3)和(4)进行切割。
本发明的第三个方面，提供上述失效分析用保护性结构件裂纹梯度式分离装置和/或方法在结构件裂纹分析研究中的应用。
上述一个或多个技术方案的有益技术效果：
上述技术方案首次提供一种失效分析用保护性结构件裂纹对偶面的梯度式分离装置以及基于该装置对结构件所进行的分离方法，其能够对结构件裂纹进行梯度式、精细化分离，保证裂纹断口的完整性，尤其是保护裂纹尖端不受破坏和损失，为结构件开裂失效分析提供有效样本，因此具有良好的实际应用之价值。
附图说明
构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
图1为本发明实施例1中失效分析用保护性结构件裂纹梯度式分离装置示意图；
其中，1-卡盘，2-纵向轴，3-横向轴，4-液压杆，5-含裂纹试样，6-钼丝，7-底座。
图2为本发明打开的裂纹对偶面和裂纹源实物图。
具体实施方式
应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本发明使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
如前所述，目前，采用的裂纹分离方式多为简单粗旷式，如果只是简单地进行一次性切割，非常容易将裂纹尖端切掉，这样就无法获得完整的裂纹断口，同样影响后续针对结构件开裂的失效分析工作。此外，由于结构件具有各自特定的几何结构，裂纹产生的位置、扩展方向也各不相同，常规的锯床或线切割机往往不能方便地固定含裂纹结构件，因而为后续的切割分离过程带来不便。
有鉴于此，本发明的一个具体实施方式中，提供一种失效分析用保护性结构件裂纹梯度式分离装置，所述分离装置至少包括夹持机构和切割机构；
其中，所述夹持机构采用液压装置，将存在裂纹的结构件进行夹持；所述夹持机构可在水平及竖直方向上进行位置调节，并可在水平面内进行360度旋转同时可沿轴向进行360度旋转。
本发明的又一具体实施方式中，所述夹持机构包括卡盘、横向轴、纵向轴和液压杆；
其中，卡盘连接横向轴，卡盘能够绕横向轴自转；横向轴垂直连接纵向轴，纵向轴还连接纵向设置的液压杆，液压杆能够带动纵向轴纵向往复运动，液压杆与纵向轴之间或者液压杆的底端与底座之间设有电机，电机能够带动纵向杆自转。
本发明的又一具体实施方式中，所述切割机构包括钼丝、电机、冷却液装置和定位系统；所述切割机构可以为现有线切割机。
其中，所述钼丝在电机和定位系统作用下可在水平及竖直方向上移动并固定，配合夹持机构，从而便于将存在裂纹的结构件进行精准切割。
所述冷却液装置承载冷却液，用于对钼丝进行冷却。
所述钼丝直径0.05-0.18mm。
本发明的又一具体实施方式中，所述分离装置还包括固定机构，所述固定机构包括底座，以及固定在底座上的支架，二者共同作用用以固定夹持机构和切割结构。
本发明的又一具体实施方式中，提供一种失效分析用保护性结构件裂纹梯度式分离方法，所述分离方法包括采用上述分离装置，具体的，包括：
(1)将预制好的含裂纹试样进行有效夹持；调节夹持机构在水平及竖直方向的位置，并进行水平面内和轴向的旋转，以使得结构件上的裂纹尖端处深度方向(裂纹长度方向定义为z方向，裂纹深度方向定义为y方向)与钼丝垂直；
(2)利用切割机构的钼丝沿z方向进行切割；将钼丝移动至xy方向截面(截面1)的裂纹尖端位置，钼丝的放置方向(x方向)垂直于裂纹尖端处深度方向(y方向)；开动电机，使得钼丝在裂纹尖端位置，沿z方向进行切割；
(3)步骤(2)完成后，将切割装置的钼丝沿y轴，向远离裂纹的方向进行切割，即将该范围内裂纹周围的材料进行剥离。
(4)检查剥离出的xy方向截面(截面2)，如发现裂纹尖端即说明裂纹深度(相对于截面1处)发生了变化，且在截面2处裂纹深度变大；此时，将钼丝移动至xy方向截面(截面2)上的裂纹尖端处，重复步骤(2)和(3)的操作，获得新的xy方向截面(截面3)；
如在xy方向截面(截面2)上未发现裂纹尖端，则说明裂纹深度(相对于截面1处)发生了变化，且在截面2处裂纹深度变小；此时，将钼丝先沿y轴，向靠近裂纹尖端的方向进行切割；再将钼丝沿z方向切割；最后，将钼丝沿y轴，向远离裂纹的方向进行切割，即将该范围内裂纹周围的材料进行剥离，以获得新的xy方向截面(截面3)。
(5)检查剥离出新的xy方向截面(截面3)，重复步骤(2)、(3)和(4)。
(6)如果在切割剥离过程中发现某个xy方向截面上，裂纹在尖端处的深度方向相对于前一个xy方向截面发生了变化，则在轴向上旋转夹持装置，以使得裂纹尖端处的裂纹深度方向重新与钼丝垂直；然后再重复步骤(2)、(3)和(4)进行切割。
本发明的又一具体实施方式中，所述步骤(1)中，所述预制好的含裂纹试样具体制备方法为：将存在裂纹的结构件进行预切割，将含有裂纹的核心位置整块取出即得预制好的含裂纹试样。
对预切割方法不做具体限定，采用常规切割技术和/或常规切割装置(如锯床等)即可完成。
本发明的又一具体实施方式中，所述步骤(2)中，切割进入结构件材料一定距离后停止；该距离(步长)可根据需要设置，最小步长为1mm，步长可调节范围为1mm-50mm。
本发明的又一具体实施方式中，所述步骤(4)中，钼丝先沿y轴，向靠近裂纹尖端的方向进行切割至一定距离即停止，所述距离(步长)可根据需要设置，最小步长为1mm，步长可调节范围为1mm-10mm；
同理，所述步骤(4)中，将钼丝沿z方向切割至一定距离后停止；该距离(步长)可根据需要设置，最小步长为1mm，步长可调节范围为1mm-50mm。
本发明的又一具体实施方式中，提供上述失效分析用保护性结构件裂纹梯度式分离装置和/或方法在结构件裂纹分析研究中的应用；
本发明的又一具体实施方式中，所述结构件裂纹分析包括结构件开裂失效分析。
以下通过实施例对本发明做进一步解释说明，但不构成对本发明的限制。应理解这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。
实施例1
一种结构件裂纹的梯度式分离装置，包括：
夹持装置，所述加持装置采用液压装置，将存在裂纹的结构件进行夹持。该装置可在水平及竖直方向上进行位置调节，并可在水平面内进行360度旋转同时可沿轴向进行360度旋转。
具体的，所述夹持装置包括卡盘1、横向轴3、纵向轴2和液压杆4；其中，卡盘1连接横向轴3，卡盘1能够绕横向轴3自转；横向轴3垂直连接纵向轴2，纵向轴2还连接纵向设置的液压杆4，液压杆4能够带动纵向轴2纵向往复运动，液压杆4与纵向轴2之间或者液压杆4的底端与底座之间设有电机，电机能够带动纵向杆2自转。
切割装置，该装置包括钼丝6(直径0.05-0.18mm)、电机、冷却液装置、定位系统组成。其中，所述钼丝6在电机和定位系统作用下可在水平及竖直方向上移动并固定，配合夹持机构，从而便于将存在裂纹的结构件进行精准切割。所述冷却液装置承载冷却液，用于对钼丝进行冷却。所述切割装置可以为现有线切割机。
底座7和支架，用以固定夹持装置和切割装置。
实施例2
一种结构件裂纹的梯度式分离方法，包括：
(1)将存在裂纹的结构件用常规切割技术(锯床等)进行预切割，将含有裂纹的核心位置整块取出。
(2)将预制好的含裂纹试样利用实施例1提供的夹持装置进行有效夹持。调节夹持装置在水平及竖直方向的位置，并进行水平面内和轴向的旋转，以使得结构件上的裂纹尖端处深度方向(裂纹长度方向定义为z方向，裂纹深度方向定义为y方向)与钼丝垂直。
(3)利用实施例1中的“切割装置”的钼丝沿z方向进行切割。将钼丝移动至xy方向截面(截面1)的裂纹尖端位置，钼丝的放置方向(x方向)垂直于裂纹尖端处深度方向(y方向)。开动电机，使得钼丝在裂纹尖端位置，沿z方向进行切割，进入结构件材料一定距离后停止。该距离(步长)可根据需要设置，最小步长为1mm，步长可调节范围为1mm-50mm。
(4)步骤(3)完成后，将切割装置的钼丝沿y轴，向远离裂纹的方向进行切割，即将该范围内裂纹周围的材料进行剥离。
(5)检查剥离出的xy方向截面(截面2)，如发现裂纹尖端即说明裂纹深度(相对于截面1处)发生了变化，且在截面2处裂纹深度变大。此时，将切割装置钼丝移动至xy方向截面(截面2)上的裂纹尖端处，重复步骤(3)和(4)的操作，获得新的xy方向截面(截面3)。如在xy方向截面(截面2)上未发现裂纹尖端，则说明裂纹深度(相对于截面1处)发生了变化，且在截面2处裂纹深度变小。此时，将切割装置钼丝先沿y轴，向靠近裂纹尖端的方向进行切割至一定距离，该距离(步长)可根据需要设置，最小步长为1mm，步长可调节范围为1mm-10mm。再将钼丝沿z方向切割至一定距离(步长范围参照步骤(3))。最后，将钼丝沿y轴，向远离裂纹的方向进行切割，即将该范围内裂纹周围的材料进行剥离，以获得新的xy方向截面(截面3)。
(6)检查剥离出新的xy方向截面(截面3)，重复步骤(3)、(4)和(5)。
(7)如果在切割剥离过程中发现某个xy方向截面上，裂纹在尖端处的深度方向相对于前一个xy方向截面发生了变化，则需要在轴向上旋转夹持装置，以使得裂纹尖端处的裂纹深度方向重新与钼丝垂直。然后再重复步骤(3)、(4)和(5)。
最后应该说明的是，以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。上述虽然对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (7)

1.一种失效分析用保护性结构件裂纹梯度式分离装置，其特征在于，所述分离装置至少包括夹持机构和切割机构；
其中，所述夹持机构采用液压装置，将存在裂纹的结构件进行夹持；所述夹持机构在水平及竖直方向上进行位置调节，并在水平面内进行360度旋转同时沿轴向进行360度旋转；
所述夹持机构包括卡盘、横向轴、纵向轴和液压杆；其中，卡盘连接横向轴，卡盘绕横向轴自转；横向轴垂直连接纵向轴，纵向轴还连接纵向设置的液压杆，液压杆带动纵向轴纵向往复运动，液压杆与纵向轴之间或者液压杆的底端与底座之间设有电机，电机带动纵向轴自转；
所述切割机构包括钼丝、电机、冷却液装置和定位系统；
其中，所述钼丝在电机和定位系统作用下在水平及竖直方向上移动并固定；
所述冷却液装置承载有冷却液，从而对钼丝进行冷却；
所述分离装置还包括固定机构，用以固定夹持机构和切割结构。
2.如权利要求1所述的分离装置，其特征在于，所述钼丝直径0.05-0.18mm。
3.如权利要求1所述的分离装置，其特征在于，所述固定机构包括底座，以及固定在底座上的支架。
4.一种失效分析用保护性结构件裂纹梯度式分离方法，其特征在于，所述分离方法包括采用权利要求1-3任一项所述的 分离装置对含裂纹的结构件进行分离，具体的，包括以下步骤：
(1)将预制好的含裂纹试样进行有效夹持；调节夹持机构在水平及竖直方向的位置，并进行水平面内和轴向的旋转，以使得结构件上的裂纹尖端处深度方向与钼丝垂直；
裂纹长度方向定义为z方向，裂纹深度方向定义为y方向；
(2)利用切割机构的钼丝沿z方向进行切割；将钼丝移动至xy方向截面1的裂纹尖端位置，钼丝的放置方向垂直于裂纹尖端处深度方向；开动电机，使得钼丝在裂纹尖端位置，沿z方向进行切割；
钼丝的放置方向为x方向，裂纹尖端处深度方向为y方向；
(3)步骤(2)完成后，将切割装置的钼丝沿y轴，向远离裂纹的方向进行切割，即将该范围内裂纹周围的材料进行剥离；
(4)检查剥离出的xy方向截面2，如发现裂纹尖端即说明相对于截面1处的裂纹深度发生了变化，且在截面2处裂纹深度变大；
此时，将钼丝移动至xy方向截面2上的裂纹尖端处，重复步骤(2)和(3)的操作，获得新的xy方向截面3；
如在xy方向截面2上未发现裂纹尖端，则说明相对于截面1处的裂纹深度发生了变化，且在截面2处裂纹深度变小；此时，
将钼丝先沿y轴，向靠近裂纹尖端的方向进行切割；再将钼丝沿z方向切割；最后，将钼丝沿y轴，向远离裂纹的方向进行切割，即将该范围内裂纹周围的材料进行剥离，以获得新的xy方向截面3；
(5)检查剥离出新的xy方向截面3，重复步骤(2)、(3)和(4)；
(6)如果在切割剥离过程中发现某个xy方向截面上，裂纹在尖端处的深度方向相对于前一个xy方向截面发生了变化，则在轴向上旋转夹持装置，以使得裂纹尖端处的裂纹深度方向重新与钼丝垂直；然后再重复步骤(2)、(3)和(4)进行切割。
5.如权利要求4所述的分离方法，其特征在于，所述步骤(1)中，所述预制好的含裂纹试样具体制备方法为：将存在裂纹的结构件进行预切割，将含有裂纹的核心位置整块取出即得预制好的含裂纹试样。
6.如权利要求4所述的分离方法，其特征在于，所述步骤(2)中，切割进入结构件材料一定距离后停止；所述距离为步长；该步长根据需要设置，最小步长为1mm，步长可调节范围为1mm-50mm。
7.如权利要求4所述的分离方法，其特征在于，
所述步骤(4)中，钼丝先沿y轴，向靠近裂纹尖端的方向进行切割至一定距离即停止，所述距离为步长；所述步长根据需要设置，最小步长为1mm，步长可调节范围为1mm-10mm；
所述步骤(4)中，将钼丝沿z方向切割至一定距离后停止；所述距离为步长；该步长根据需要设置，最小步长为1mm，步长可调节范围为1mm-50mm。
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