CN113514291A

CN113514291A - 一种制备具有表面裂纹的试样的方法

Info

Publication number: CN113514291A
Application number: CN202010274172.3A
Authority: CN
Inventors: 韩晶; 陈健
Original assignee: AECC Commercial Aircraft Engine Co Ltd
Current assignee: AECC Commercial Aircraft Engine Co Ltd
Priority date: 2020-04-09
Filing date: 2020-04-09
Publication date: 2021-10-19
Anticipated expiration: 2040-04-09
Also published as: CN113514291B

Abstract

本发明涉及一种制备具有表面裂纹的试样的方法，包括以下步骤：(1)提供试样坯料，所述试样坯料有基面，所述基面上有凸出部；(2)在所述凸出部上预制缺口，所述缺口在第一方向上贯穿所述凸出部，所述第一方向平行于所述基面；(3)对上一步的产品施加加载力，使缺口根部产生朝向基面的裂纹，并使裂纹延伸至基面以下；(4)将所述凸出部从所述基面上去除，获得具有表面裂纹的试样。

Description

一种制备具有表面裂纹的试样的方法

技术领域

本发明涉及材料检测领域，具体涉及一种制备具有表面裂纹的试样的方法。

背景技术

预制疲劳裂纹的目的是制造一个足够长并且尖锐的裂纹，从而使K标定计算式不受机加工初始缺口形状的影响，也使后续进行的裂纹扩展速率试验不受裂纹前端形状变化或预制裂纹力变化的影响。

表面裂纹是由基体表面向内部延伸的裂纹。表面裂纹是厚度方向非贯通裂纹，即在平行于基体表面方向上裂纹不贯通基体。

相关技术如CN107807025A公开了一种金属材料剩余循环寿命试样表面裂纹的预制方法。

图1示出了一个相关技术预制表面裂纹的方法。如图1的(a)所示，对于一个试样，该方法首先在试样的基面50上加工出一个凹槽60。凹槽60是一个非贯通的切口，即在平行于基面的方向上，凹槽60不贯通试样。然后，如图1的(b)所示，将拉力(F)加载于试样的两端，凹槽60在拉力(F)的作用下产生初期裂纹61，进一步，初期裂纹61在拉力的作用下向试样内部逐渐延伸，最终达到目标深度，获得预制裂纹62。

发明内容

发明人发现贯通切口比非贯通切口更容易在载荷的作用下萌生裂纹，进而创造性地提出了一种通过贯通切口预制表面裂纹的方法。本公开的预制表面裂纹的方法采用了与现有技术完全不同的技术思路，其具有效率高、灵活性强、容易操作等优点。

在一些实施方案中，提供一种制备具有表面裂纹的试样的方法，包括以下步骤：

(1)提供试样坯料，试样坯料有基面，基面上有凸出部；

(2)在凸出部上预制缺口，缺口在第一方向上贯穿凸出部，第一方向平行于基面；

(3)对上一步的产品施加加载力，使缺口根部产生朝向基面的裂纹，并使裂纹延伸至基面以下；

(4)将凸出部从基面上去除，获得具有表面裂纹的试样。

在一些实施方案中，将凸出部从基面上去除是指将凸出部高出基面的部分去除。

在一些实施方案中，步骤(3)中，对上一步获得的试样的两端施加拉力。

在一些实施方案中，步骤(3)中，加载力包括施加于试样坯料相对的两端的拉力。

在一些实施方案中，凸出部沿平行于基面的方向的截面为长方形，且长度值大于宽度值。例如长度值与宽度值的比2～10：1，例如4～6：1。

在一些实施方案中，第一方向垂直于凸出部的长度方向。

在一些实施方案中，拉力的方向垂直于第一方向。

在一些实施方案中，步骤(2)中，凸出部高出基面的高度为H，缺口的深度为h，h≤H。

在一些实施方案中，其中h＝0.1H～H，例如0.1H～0.2H，0.2H～0.3H，0.3H～0.4H，0.4H～0.5H，0.5H～0.6H，0.6H～0.7H，0.7H～0.8H，0.8H～0.9H，例如0.9H～1.0H。

在一些实施方案中，缺口的宽度为0.01～10mm，例如0.01～0.1mm，例如0.1～1mm，例如1～10mm。

在一些实施方案中，缺口的深度为0.01～10mm，例如0.01～0.1mm，例如0.1～1mm，例如1～10mm。

在一些实施方案中，凸出部的横截面形状为长方形或梯形。所述横截面垂直于所述基面并垂直于所述凸出部的长度方向。

在一些实施方案中，试样坯料除凸出部的部分为长方体。

在一些实施方案中，试样坯料为金属材料。例如铝合金材料。

在一些实施方案中，基面为平面。

在一些实施方案中，沿平行于基面的方向，在一个方向上，缺口与凸出部具有相同的尺寸；在另一个方向上，缺口具有比凸出部小的尺寸。

在一些实施方案中，沿平行于基面的方向，在一个方向上，凸出部与基面具有相同的尺寸；在另一个方向上，凸出部具有比基面小的尺寸。可选地，比基面小的尺寸是指在该方向上，凸出部的尺寸与基面的尺寸之比为2～10：1，例如4～8：1，例如5～7：1。

在一些实施方案中，沿平行于基面的任一方向(每一方向)，基面表面裂纹的边缘到基面的边缘的距离值大于零。

在一些实施方案中，使用机械加工的方法(如电火花或激光切割等)预制缺口。

在一些实施方案中，将仅将所述凸出部凸出表面的部分去除。

在一些方面，提供一种检测材料疲劳性能的方法，包括以下步骤：

(1)按照上述任一项方法制备具有表面裂纹的试样；

(2)对步骤(1)的产品进行疲劳性能检测试验。

在一些实施方案中，疲劳性能检测实验为疲劳裂纹扩展速率试验。

在一些实施方案中，疲劳裂纹扩展速率试验是GBT 6398-2017金属材料疲劳试验疲劳裂纹扩展方法。

术语说明

术语“凸出部”可以被广义地理解为基面上突起的特征部。凸出部可以被配置为任何形状或尺寸。

本发明任一项术语可以符合相关国家标准，例如GBT 6398-2017金属材料疲劳试验疲劳裂纹扩展方法，这些国家标准在此全部引入本发明。

有益效果

本公开一项或多项技术方案具有以下一项或多项有益效果：

(1)预制裂纹的效率高；

(2)预制裂纹的工艺简单；

(3)预制裂纹的灵活性强；

(3)预制裂纹工艺对试样主体的影响小。

附图说明

图1为一个相关技术预制表面裂纹的方法；

图2为本公开一个实施例预制表面裂纹的一个步骤的示意图；

图3为本公开一个实施例预制表面裂纹的又一个步骤的示意图；

图4为本公开一个实施例预制表面裂纹的再一个步骤的示意图；

图5的(1)和(2)分别示出对比例1和实施例1的试样的应力分布模拟图；

图6为对比例1的试样在载荷F下的应力分布等值线；

图7为实施例1的试样在载荷F下的应力分布等值线；

图8为对比例1和实施例1的裂纹扩展速度曲线。

具体实施方式

下面将结合实施例对本发明的实施方案进行详细描述，但是本领域技术人员将会理解，下列实施例仅用于说明本发明，而不应视为限定本发明的范围。实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市购获得的常规产品。

实施例1

图2～图4为一个实施例预制表面裂纹的方法的示意图。包括以下步骤：

如图2所示，步骤(1)，提供试样坯料，试样坯料有基面10，基面10上有凸出部20；

如图2所示，步骤(2)，在凸出部20上预制缺口21，缺口21在第一方向31上贯穿凸出部20，第一方向31平行于基面10；

如图3所示，步骤(3)，对上一步的产品施加交变载荷F，交变载荷的方向平行于基面10，且垂直于第一方向31，从而使缺口21根部产生朝向基面的裂纹22，并使裂纹22延伸至基面10以下；

如图4所示，步骤(4)，将凸出部20从基面上去除，获得具有表面裂纹22的试样。

对比例1

步骤(1)，如图1的(a)所示，对于一个试样，该方法首先在试样的基面50上通过电火花加工出一个凹槽60。在平行于基面50的任一方向上，凹槽60均不贯穿基面50。

步骤(2)，如图1的(b)所示，将交变载荷(F)加载于试样的两端，凹槽60在交变载荷(F)的作用下产生初期裂纹61，进一步，初期裂纹61在拉力的作用下向试样内部逐渐延伸，最终达到目标深度，获得预制裂纹62。

相较于对比例1，实施例1的方案的有益效果包括：

1、有益效果1：

相较于对比例1的封闭切口，实施例1的贯通切口在同样的加载下，应力更大，预制裂纹所需时间更短，节约试验成本。

发明人使用ANSYS16.0软件对实施例1和对比例1两个试样的应力分布进行了模拟。

图5的(1)和(2)分别示出对比例1和实施例1的试样的应力分布模拟图。

如图5的(1)所示，对比例1的试样基体5的表面50(长×宽的面)设有凹槽60。试样基体5的长度、宽度、高度分别为10mm、10mm和5mm。凹槽60的长度、宽度分别与基体5的长度和宽度平行。凹槽60的长度、宽度和深度为0.5mm、0.25mm和0.5mm。凹槽60位于试样表面50上的中央。对试样的长度方向的两端施加载荷F。载荷F的值为1000MPa。载荷F的方向垂直于凹槽的长度方向。

如图5的(2)所示，实施例1的试样表面10(长×宽的面)设有凸出部20，凸出部20上设有贯通凸出部20宽度方向的切口21。试样基体2的长度、宽度、高度分别为10mm、10mm和5mm。试样基体2的试样表面50(长×宽的面)上设有凸出部20，凸出部20的长度、宽度和高度为10mm和0.5mm。凸出部20的长度方向与宽度方向分别与试样基体的长度方向和宽度方向平行。凸出部20的几何中心在试样表面50上的投影与试样表面50的中心重合。切口21的宽度和深度分别为0.25mm和0.5mm。切口21位于凸出部20的中央。对试样长度方向的两端施加载荷F。载荷F的值为1000Mpa。

图6示出对比例1的试样在载荷F下的应力分布等值线，等值线最大值(H)为1798.43MPa。

图7示出实施例1的试样在载荷F下的应力分布等值线，等值线最大值(I)为2445.42MPa。

由上述模拟结果可知，相较于对比例1，采用实施例1的方法获得的试样确实在同样的载荷下具有更高的应力值。这说明实施例1的试样的缺口更容易发生裂纹的萌生和延伸。

2、有益效果2：

实施例1的试样具有穿透型裂纹。穿透型裂纹萌生后，能够较快扩展至试验件本体表面，其扩展速率较同等条件下非穿透型裂纹扩展更快。裂纹预制精度和效率更高，节约试验成本。

图8示出对比例1和实施例1的裂纹扩展速度曲线。横坐标为加载循环周数，纵坐标为裂纹扩展速率dc/dN(应力每循环一次裂纹的扩展长度)。由图8所示，实施例1的裂纹扩展速率远高于对比例1。实施例1预制裂纹所需时间更短，节约试验成本。

3、有益效果3：

对比例1的切槽方法破坏试样表面。实施例1的切槽方法不破坏试样表面。实施例1的切槽的操作(电火花或激光切割等)是对凸出部进行的，凸出部在后续的步骤中被去除。切槽的操作对试样本体的影响更小，不易带来残余应力。

4、有益效果4：

实施例1的试样的凸出部在后续的步骤中被去除，预先制备的切槽也会在后续步骤中被去除，仅保留预制的表面裂纹。后续实验受切槽的影响更小，实验重复性和准确度更高。

采用对比例1的方法制备的切槽通常会保留在试样上。

5、有益效果5：

实施例1中，通过调整凸出部20的形状和尺寸，也能够调整预制的表面裂纹的长度。通过调整切口21形状和尺寸(如宽度、深度)，也能够调整预制的表面裂纹的长度。

而且，实施例1的凸出部和切口都位于基面以上，与对比例1的位于基面以下的封闭式切槽相比，实施例1的凸出部和切口都更容易加工。

尽管本发明的具体实施方式已经得到详细的描述，但本领域技术人员将理解：根据已经公开的所有教导，可以对细节进行各种修改变动，并且这些改变均在本发明的保护范围之内。本发明的全部范围由所附权利要求及其任何等同物给出。

Claims

1.一种制备具有表面裂纹的试样的方法，包括以下步骤：

(1)提供试样坯料，所述试样坯料有基面，所述基面上有凸出部；

(2)在所述凸出部上预制缺口，所述缺口在第一方向上贯穿所述凸出部，所述第一方向平行于所述基面；

(4)将所述凸出部从所述基面上去除，获得具有表面裂纹的试样。

2.根据权利要求1所述的方法，步骤(3)中，所述加载力包括施加于所述试样坯料相对的两端的拉力。

3.根据权利要求2所述的方法，所述拉力的方向垂直于所述第一方向。

4.根据权利要求1所述的方法，步骤(2)中，所述凸出部高出基面的高度为H，所述缺口的深度为h，h≤H。

5.根据权利要求4所述的方法，其中h＝0.1H～H。

6.根据权利要求1所述的方法，所述凸出部的横截面形状为长方形或梯形，所述横截面垂直于所述基面并垂直于所述凸出部的长度方向。

7.根据权利要求1所述的方法，所述试样坯料为金属材料。

8.根据权利要求1所述的方法，所述基面为平面。

9.一种检测材料疲劳性能的方法，包括以下步骤：

(1)按照权利要求1～8任一项所述的方法制备具有表面裂纹的试样；

(2)对步骤(1)的产品进行疲劳性能检测试验。

10.根据权利要求9所述的方法，所述疲劳性能检测实验为疲劳裂纹扩展速率试验。