CN113063674B - 渐变曲率法观测金属材料弯曲破坏过程的方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及材料的物理分析领域，公开了一种渐变曲率法观测金属材料弯曲破坏过程的方法及装置。包括成型单元，成型单元上设有金属材料试样进入口，成型单元内设有与金属材料试样进入口连通的金属弯曲成型空间，金属弯曲成型空间的横面与金属材料试样的横截面适应；成型单元上金属弯曲成型空间的纵面所在的面为观测面，金属弯曲成型空间的纵面呈连续渐变曲率状。本发明解决了现在对材料弯曲应力变化进行微观组织结构变化观测时，装置结构复杂，试验装置和观测仪器相互影响和制约的装置。

Description

渐变曲率法观测金属材料弯曲破坏过程的方法及装置

技术领域

本发明涉及材料的物理分析领域，具体涉及渐变曲率法观测金属材料弯曲破坏过程的方法及装置。

背景技术

随着科技的进步与发展，材料的使用场景日益广泛，使用的条件日趋复杂苛刻，因此产生的材料失效问题更为复杂，材料失效带来的后果更为严重。而产生这些后果的重要的根源在于对于测试的能力不足，对于材料内部组织结构对性能的影响及失效机理缺乏足够认识，因此深入了解材料的失效机理，探索材料在受力工况下的微观组织变化及破坏过程对材料进一步发展有重要意义。材料、构件以及装置在服役时常受到弯曲应力的作用，如车桥、起重机大梁、车刀、火车轮轴等，研究这些材料构件在弯曲工况下变形、损伤及断裂机理显得尤为重要。

关于金属材料的弯曲实验，在国标和行标中均有相关规定：冶金行业标准YB/T5349-2014规定了一种金属材料弯曲力学性能试验方法，采用三点弯曲、四点弯曲试验测定材料弯曲力学性能，通过将标准试样放在一定跨距的支座上，利用试验机对材料施加压力，对试样进行弯曲变形，通过弯曲变形可以获得材料的抗弯强度、弯曲弹性模量、挠度等。国标GB/T 232-2010规定了一种金属材料弯曲试验方法，采用支辊式、V型、虎钳式等弯曲装置，将试样在弯曲装置上经受弯曲变形，不改变加力方向，直至达到规定的弯曲角度，若弯曲外表面无可见裂纹产生应评定为合格。但这些弯曲试验方法要么是对弯曲力-挠度以及断后断面进行分析，要么就是对达到弯曲角度后的材料表面进行分析，无法对弯曲过程中材料的微观组织结构变化过程以及裂纹萌生、扩展等行为进行观测。

随着技术的发展，很多科研工作者通过原位观测技术，研究在载荷作用下的材料的微观变形、损伤及失效机理等，采用的技术路线是将试验装置与原位观测仪器结合，这样就可以在材料弯曲的过程中采用原位观测仪器进行动态的观测，如原位三点弯曲力学性能测试，该试验是运用小型化的三点弯曲测试装置，借助于扫描电子显微镜、激光共聚焦显微镜、超景深显微镜等高倍数的显微成像组件，在获取准确的载荷-挠度曲线的同时，能够原位实时监测被测试件在三点弯曲工况下的裂纹的萌生、扩展路径。专利CN 102494955 A“显微组件下跨尺度原位微纳米三点/四点弯曲测试装置”、专利CN 203249835U“力热场耦合作用下材料原位弯曲测试装置”均为采用的是上述技术路线。

采用将试验装置与原位观测仪器结合，对金属材料弯曲破坏过程中实时观测的方式，虽然能够观测到金属材料弯曲测试时的微观结构变化，但是存在着如下问题：

1.增加了结构的复杂度和安装难度。

原位观测仪器较为昂贵，为了使其稳固、稳定的安装于试验装置上，在两者之间需要众多的精细零部件，以及对零部件之间精准安装，而不是简单的安装结构，简单的加载，这大大的增加了结构的复杂度和安装的难度。

如专利CN 102494955 A“显微组件下跨尺度原位微纳米三点/四点弯曲测试装置”说明书摘要中提到的，安装结构包括精密驱动控制单元、具有三自由度的调整单元、传动及执行单元、信号检测单元和连接支撑单元。其中精密驱动直流伺服电机通过柔性联轴器与一级涡轮相连，一级涡轮通过涡轮蜗杆传动副与二级涡轮相连，并且二级涡轮通过涡轮蜗杆传动副分别与引导杠Ⅰ、Ⅱ相连，进而带动弯曲测试冲头完成测试动作。

2.观测过程中，试验装置和原位观测仪器会相互影响和制约。

这样的设计意在将试验和观测同步，但是试验装置和原位观测仪器各自对工作环境的要求不同，如按照原有的试验方式，可能会造成观测结果不清楚、不准确。为了达到好的观测，那么需要兼顾两者的工作环境，取两者工作环境的交集，这就使得应用场景不如预期设想的那么广；那么进行针对性的改进，进一步的增加了结构的复杂度和安装难度。

如专利CN 203249835U“力热场耦合作用下材料原位弯曲测试装置”就是采用的针对性改进，一定程度上克服测试时试样形变方式和温度对观测结果的影响，使得整体结构异常复杂，且不排除有其他兼容性问题。

3.观测方法费时费力

因为结构上的复杂性和工作条件的限制，带来了观测步骤繁复，耗费时间和人力较多的问题。

综上，目前缺少可对材料弯曲应力变化进行微观组织结构变化观测，且结构相对简单，试验装置和观测仪器不会相互影响和制约的装置，以及对应的高效准确的观测方法。

发明内容

本发明意在提供一种渐变曲率法观测金属材料弯曲破坏过程的装置，以解决现在对材料弯曲应力变化进行微观组织结构变化观测时，装置结构复杂，试验装置和观测仪器相互影响和制约的问题。

为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种渐变曲率法观测金属材料弯曲破坏过程的装置，包括成型单元，成型单元上设有金属材料试样进入口，成型单元内设有与金属材料试样进入口连通的金属弯曲成型空间；成型单元上金属弯曲成型空间的纵面所在的面为观测面，金属弯曲成型空间的纵面呈连续渐变曲率状。

因为每一次动态施力不同，金属材料形成的曲率也是不同的，所以现有的弯曲测试都陷入了这样的技术偏见，不同的曲率一定是在不同的时间或是不同的施力条件下形成的，所以要观测材料弯曲应力变化进行微观组织结构变化，只能是在动态过程中。也这是为什么现有的对材料弯曲应力变化进行微观组织结构变化观测的装置都是想着怎么把试验装置和观测仪器更好的结合，而设计一种试验装置能进行上述观测成为技术上的盲区。

本方案的原理及优点是：

本发明人进行了将动态观测转变成静态观测的思考，本发明人发现如果将金属材料样品弯曲变形成曲率渐变的形状，随着曲率逐步增大，弯曲程度逐步增大，材料所受的弯曲应力也逐步增大，这样就能将材料弯曲变形的动态过程转变为曲率渐变的静态形状，这个问题就可以迎难而解，故设计了本装置。

1.采用本装置对材料弯曲应力变化进行微观组织结构变化观测简单高效

不需要对装置进行繁复的调试，只需将金属材料试验置于本装置中，之后的观测与常规观测(光学显微镜、扫描电子显微镜等)操作无异，按常规方法对金属弯曲成型空间的纵面进行观测，即可观测到不同曲率下金属材料试样的微观组织变化。

2.观测过程中，本装置和观测仪器不会相互影响和制约

本装置和观测仪器不需要同时在相同的工作环境下，故观测仪器只需要对金属材料试验最后成形状进行观测，金属材料试验在本装置中的成形过程(如成形的快慢，怎样进入金属弯曲成型空间内的)不会对观测结果产生影响和制约，增加了观测结果的稳定性和独立性。

3.本装置结构简单，降低了安装难度

无观测仪器加载结构，无需众多的用于连接精细零部件，仅有用于成型的部件和结构，如金属材料试样进入口，用于使金属材料试样形成连续渐变曲率状的金属弯曲成型空间，结构相对现有技术更加简单，安装难度也大幅度降低。

可选地，成型单元为金属弯曲成型空间纵面全开口或半开口结构，便于对整个金属材料试样的整个纵面连续渐变曲率的情况进行观测，或者是针对金属材料试样的部分重要纵面连续渐变曲率的情况进行观测。

可选地，成型单元为整体式结构，免去了拼模的工序。

可选地，成型单元包括至少两个成型模，成型模内开有型腔，金属弯曲成型空间由型腔围成。采用至少两个成型模，方便对成型模进行更换，且方便金属材料试样在成型单元上的装卸。

可选地，成型模分别为凸模和凹模，凸模和凹模的型腔相互对齐形成完整的金属弯曲成型空间。采用凸模和凹模的结构，能分别作用于金属材料试样的上下表面，能较好地使金属材料试样成型。

可选地，金属弯曲成型空间纵截面的变化满足曲线方程：

其中，y＝f(x)，且y＝f(x)具有二阶导数，y＇为y＝f(x)的一阶导数，y＂为y＝f(x)的二阶导数，a为与材料敏感系数，对于延伸率0-5％的材料，a取0.01-0.3；对于延伸率5-15％的材料，a取0.3-1；对于延伸率15-25％的材料，a取1-2；对于延伸率25-50％的材料，a取2-5。此公式能够很好地实现连续渐变曲率变化，能够根据材料特性调整公式，求解比较简单，该曲线方程可选用数值分析软件进行求解。

一种渐变曲率法观测金属材料弯曲破坏过程的方法，包括如下步骤：

S1.制备与金属弯曲成型空间匹配的金属材料试样，使其符合尺寸及表面粗糙度要求；

S2.将金属材料试样放置于金属弯曲成型空间中，使其处于放置平稳状态；

S3.将成型单元的观测面放置于观测仪器的观测视野内，观察和记录曲率变化时微观组织结构的变化情况。

金属材料试样平稳地处于金属弯曲成型空间中后，直接将成型单元倒放，使成型单元的观测面置于观测仪器的载物台上，就可以对弯曲后的金属材料试样进行微观组织结构的变化的观测(静态观测)。因为金属弯曲成型空间的纵面呈连续渐变曲率状，故可以对金属材料试样的不同的曲率处进行观测，能达到动态观测的同样效果，且操作步骤更加简单，无需耗费较多的时间和人力。

可选地，微观组织结构的变化情况包括裂纹萌生时的曲率、裂纹扩展时的曲率和断裂时的曲率。

观测裂纹萌生时的曲率和裂纹扩展时的曲率，便于从测量裂纹萌生、扩展时对应的曲率，推测材料弯曲破坏的强度，评价材料弯曲力学性能。

附图说明

图1为本发明实施例一的结构示意图。

图2为本发明实施例二的主视图。

图3为本发明实施例二的俯视图。

图4为本发明实施例三的观测TC4表面电镀Ni 850℃保温3小时真空热处理后涂层样品在扫描电镜下随着曲率增大裂纹萌生、扩展、断裂的显微图，从a-b-c-d图，样品的曲率逐渐增大。

图5为本发明实施例四的观测TC4表面电镀Ni850℃保温3小时真空热处理后涂层样品在扫描电镜下随着曲率增大裂纹萌生、扩展、断裂的显微图，从a-b-c-d图，样品的曲率逐渐增大。

具体实施方式

下面通过具体实施方式进一步详细说明：

说明书附图中的附图标记包括：成型模具1、金属弯曲成型空间2、凸模3、凹模4、锁紧机构5、导向定位机构6、挡料板7。

实施例一基本如附图1所示：

一种渐变曲率法观测金属材料弯曲破坏过程的装置，本装置采用的是横截面为矩形的长条状钛合金TC4表面电镀Ni金属材料试样，尺寸为60mm*10mm*1mm，粗糙度为Ra1.6-3.2，延伸率为8-15％，金属材料试样的长度大于试验长度。

本装置包括整体的成型模具1，成型模具1上顺次开有金属材料试样进入口和金属弯曲成型空间2，金属弯曲成型空间2和金属材料试样进入口位于成型模具1的侧面，金属材料试样进入口和金属弯曲成型空间2连通，且曲率最小处的金属弯曲成型空间2最靠近金属试样进入口。金属弯曲成型空间2的纵面呈连续渐变曲率状，成型模具1上金属弯曲成型空间2的纵面所在的一面为观测面，成型模具1上金属弯曲成型空间2纵面半开口，曲率大于0.003mm^-1后均为开口结构。，成型模具1的观测面为平面。

金属弯曲成型空间2纵截面的变化满足曲线方程：

其中，y＝f(x)，且y＝f(x)具有二阶导数，y＇为y＝f(x)的一阶导数，y＂为y＝f(x)的二阶导数。

装载金属材料试样的方式如下：将钛合金TC4表面电镀Ni金属材料试样沿金属材料试样进入口推入，钛合金TC4表面电镀Ni金属材料会直接进入金属弯曲成型空间2中，在金属弯曲成型空间2的约束下曲率从小渐变至大，并在此过程中逐渐萌生裂纹、扩展裂纹，通过观测面查看钛合金TC4表面电镀Ni金属材料的弯曲情况，直至钛合金TC4表面电镀Ni金属材料试样弯曲至所设计形状时停止推入，这时金属材料试样的尾部位于成型模具1外未进入金属弯曲成型空间2，装载完毕。

装载钛合金TC4表面电镀Ni金属材料试样完毕之后将本装置置于光学显微镜或扫描电子显微镜上进行观测，观测完毕之后，进行卸载。

卸载钛合金TC4表面电镀Ni金属材料试样的方式如下：手持金属材料试样的尾部将其从金属弯曲成型空间2中拉出，使其完全脱离成型模具1。

成型模具1实施例二基本如附图2和附图3所示：

本实施例与实施例一不同的是：钛合金TC4表面电镀Ni金属材料试样的长度即为试验长度，成型模具1由两个成型模构成，两个成型模分别为凸模3和凹模4。凸模3的线性和凹模4的线性相平行，凸模3和凹模4的型腔相互对齐形成完整的金属弯曲成型空间2，金属试样进入口即为凸模3和凹模4之间的空隙处。成型模具侧面靠近金属弯曲成型空间2处设置有表示曲率大小的刻度尺，同时成型模具侧面靠近金属弯曲成型空间2处还设有挡料板7，挡料板7通过螺钉可拆卸连接在凸模3上(刻度尺和挡料板7所在的那一面为观测面)。所述凸模3、凹模4上设有锁紧机构5和导向定位机构6，凸模3、凹模4通过导向定位机构进行定位(具体为导向孔和导向杆)，凸模3、凹模4可以沿导向定位机构发生相对运动，运动至合适位置后可通过锁紧机构5(采用螺纹锁紧的方式)，使凸模3、凹模4的相对位置处于锁定状态。成型模具1上金属弯曲成型空间2纵面为全开口结构。其他的与实施例一相同。

装载金属材料试样的方式如下：将凸模3和凹模4分离留出金属试样进入口，凹模4放置于工作台面上，将钛合金TC4表面电镀Ni金属材料试样放置于凹模4上的合适位置，在导向定位机构6的限定下，将凸模3向靠近凹模4的方向(从上往下)运动，同时挡料板7阻止钛合金TC4表面电镀Ni金属材料伸出成型模具1的侧面，使其完全置于金属弯曲成型空间2内，当钛合金TC4表面电镀Ni金属材料与凸模3和凹模4紧贴时即为形成设计形状，这时凸模3停止向靠近凹模4的方向(从上往下)运动，通过锁紧机构5将凸模3、凹模4锁定，装载完毕。

装载金属材料试样完毕之后，将挡料板7从凸模3上卸下(防止挡料板7遮挡金属材料试样)，然后将本装置置于光学显微镜或扫描电子显微镜上进行观测，观测完毕之后，进行卸载。

卸载金属材料试样的方式如下：解除锁紧机构5对凸模3、凹模4的锁定，将凸模3向远离凹模4的方向(从下往上)运动，留出足够的空间，将钛合金TC4表面电镀Ni金属材料试样从凹模4上取出。

实施例三：

一种渐变曲率法观测金属材料弯曲破坏过程的方法：采用的是实施例一的装置结构和钛合金TC4表面电镀Ni金属材料试样，包括以下步骤：

S1、制备钛合金TC4表面电镀Ni金属材料试样，将钛合金TC4表面电镀Ni金属材料试样加工成符合尺寸及表面粗糙度要求的长条形测试样品，本次试验中钛合金TC4表面电镀Ni金属材料试样的尺寸60mm*10mm*1mm，粗糙度为Ra1.6-3.2。

S2、对所述金属材料试样侧面进行磨平、抛光，便于观察钛合金TC4表面电镀Ni金属材料试样裂纹萌生、扩展情况。

S3、将所述金属材料试样的一端通过金属材料试样进入口缓慢推入金属弯曲成型空间2中，保证所述金属材料试样放置平稳。

S4、直至样品弯曲至所设计形状时停止。

S5、将所述金属材料试样进行表征分析，观察过程中所述金属材料试样保持在实施例一的装置中，利用光学显微镜、扫描电子显微镜等观察曲率变化时微观组织结构的变化以及裂纹萌生、扩展等破坏情况，观测情况如图4所示。

观测的结果如下(曲率可根据刻度尺读出)：

涂层裂纹萌生时的曲率为0.033mm^-1

涂层裂纹扩展时的曲率为0.039mm^-1

涂层裂纹扩展最长裂纹，即材料失效时的曲率为0.56mm^-1

完成上述步骤之后，对钛合金TC4表面电镀Ni金属材料试样弯曲破坏过程中的数据采集完毕，接下来根据上述数据确定失效时所对应的曲率，分析材料破坏机理。通过本次试验可以分析得出上述钛合金TC4表面电镀Ni金属材料试样的涂层失效时对应的曲率为0.056mm^-1，材料涂层破坏的机理为TC4/电镀Ni界面中Ni3Ti萌生垂直裂纹,垂直裂纹往NiTi相、残余Ni两个方向扩展，最终导致涂层裂纹失效。

实施例四：

一种渐变曲率法观测金属材料弯曲破坏过程的方法：采用的是实施例二的装置结构和钛合金TC4表面电镀Ni金属材料试样，包括以下步骤：

S1、制备钛合金TC4表面电镀Ni金属材料试样，将钛合金TC4表面电镀Ni金属材料试样加工成符合尺寸及表面粗糙度要求的长条形测试样品，本次试验中钛合金TC4表面电镀Ni金属材料试样的尺寸为40mm*10mm*1mm，粗糙度为Ra1.6-3.2。

S2、对所述金属材料试样观察侧面进行磨平、抛光，便于观察所述金属材料试样裂纹萌生、扩展情况。

S3、将所述金属材料试样放入凹模4上，保证其放置平稳，同时所述金属材料试样左右侧面应紧靠挡料板7，保证所述金属材料试样侧面与观测面处于同一平面。

S4、对凸模3施加压力，凸模3沿导向定位机构向凹模4移动，对所述金属材料试样进行渐变曲率弯曲变形，直至弯曲至所设计形状时停止。

S5、利用锁紧机构紧固凸模3与凹模4，保证所述金属材料试样不发生回弹后卸去压力。

S6、取下挡料板7。

S7、将所述金属材料试样进行表征分析，观察过程中所述金属材料试样保持在所述装置中，利用光学显微镜、扫描电子显微镜等观察曲率变化时微观组织结构的变化以及裂纹萌生、扩展等破坏情况，记录裂纹萌生、扩展时的观测结果。

观测的结果与实施例三相比，如图5所示，材料涂层裂纹萌生时对应的曲率为0.036mm^-1,材料涂层最大裂纹所对应的曲率为0.54mm^-1，两个实施例涂层失效时对应的曲率基本相同，表示两种实施例检测出材料涂层弯曲性能，且误差处于合理范围。材料涂层的失效机理同样为TC4/电镀Ni界面中Ni3Ti萌生垂直裂纹,垂直裂纹往NiTi相、残余Ni两个方向扩展，最终失效形式为涂层裂纹。因此本发明能够稳定观测材料失效过程。

以上所述的仅是本发明的实施例，方案中公知的具体技术方案和/或特性等常识在此未作过多描述。应当指出，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本发明技术方案的前提下，还可以作出若干变形和改进，这些也应该视为本发明的保护范围，这些都不会影响本发明实施的效果和专利的实用性。本申请要求的保护范围应当以其权利要求的内容为准，说明书中的具体实施方式等记载可以用于解释权利要求的内容。

Claims (9)

1.一种渐变曲率法观测金属材料弯曲破坏过程的装置，其特征在于：包括成型单元，成型单元上开有金属材料试样进入口，成型单元内设有与金属材料试样进入口连通的金属弯曲成型空间；成型单元上金属弯曲成型空间的纵面所在的面为观测面，金属弯曲成型空间的纵面呈连续渐变曲率状；金属弯曲成型空间纵面的变化满足曲线方程：

其中，y＝f(x)，且y＝f(x)具有二阶导数，y＇为y＝f(x)的一阶导数，y＂为y＝f(x)的二阶导数，a为与材料敏感系数，对于延伸率0-5％的材料，a取0.01-0.3；对于延伸率5-15％的材料，a取0.3-1；对于延伸率15-25％的材料，a取1-2；对于延伸率25-50％的材料，a取2-5。

2.根据权利要求1所述的一种渐变曲率法观测金属材料弯曲破坏过程的装置，其特征在于：成型单元为金属弯曲成型空间纵面全开口或半开口结构。

3.根据权利要求1所述的一种渐变曲率法观测金属材料弯曲破坏过程的装置，其特征在于：成型单元为整体式结构。

4.根据权利要求1所述的一种渐变曲率法观测金属材料弯曲破坏过程的装置，其特征在于：成型单元包括至少两个成型模，成型模内开有型腔，金属弯曲成型空间由型腔围成。

5.根据权利要求4所述的一种渐变曲率法观测金属材料弯曲破坏过程的装置，其特征在于：成型模分别为凸模和凹模，凸模和凹模的型腔相互对齐形成完整的金属弯曲成型空间。

6.根据权利要求4所述的一种渐变曲率法观测金属材料弯曲破坏过程的装置，其特征在于：所述成型模上设有导向定位机构、锁紧机构和挡料板。

7.根据权利要求6所述的一种渐变曲率法观测金属材料弯曲破坏过程的装置，其特征在于：所述成型单元至少一个观测面为平面。

8.根据权利要求1所述的一种渐变曲率法观测金属材料弯曲破坏过程的装置的观测方法，其特征在于：

包括如下步骤：

S1.制备与金属弯曲成型空间匹配的金属材料试样，使其符合尺寸及表面粗糙度要求；

S2.将金属材料试样放置于金属弯曲成型空间中，使其处于放置平稳状态；

S3.将成型单元的观测面放置于观测仪器的观测视野内，观察和记录曲率变化时微观组织结构的变化情况。

9.根据权利要求8所述的一种渐变曲率法观测金属材料弯曲破坏过程的装置的观测方法，其特征在于：微观组织结构的变化情况包括裂纹萌生时的曲率、裂纹扩展时的曲率和断裂时的曲率。

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