專利名稱：脆性材料預(yù)制疲勞裂紋方法和裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及材料試驗(yàn)測試技術(shù)，特別是測量脆性材料參數(shù)時(shí)預(yù)制疲勞裂紋的新方法。
在普通脆性材料試樣上預(yù)制疲勞裂紋時(shí)，裂紋一旦發(fā)生，就極易產(chǎn)生失穩(wěn)斷裂，不能控制裂紋的長度。平面應(yīng)變條件下的裂紋擴(kuò)展阻力即斷裂韌度K1C值是工程材料的重要性能指標(biāo)，采用常規(guī)方法即使勉強(qiáng)制出疲勞裂紋，裂紋前緣線也很不清晰或根本看不見，裂紋長度a測量很困難。為此對(duì)脆性材料避免預(yù)制疲勞裂紋，改為用線切割或磨削切口的試樣直接測定P-V曲線的辦法來確定K1C值，由于切口不尖銳，K1C值誤差較大。近年來國內(nèi)外進(jìn)行預(yù)制裂紋試驗(yàn)的研究，如國內(nèi)北京研究單位采用靜載壓縮法制備了硬質(zhì)合金試樣的裂紋，須用著色法對(duì)裂紋留印，不易得到滿意的效果;較通用的威氏硬度壓痕法由于裂紋尖端有殘余應(yīng)力，因此測得的K1C值不夠準(zhǔn)確，1989年英國倫敦學(xué)者在美國陶瓷學(xué)會(huì)雜志上及澳大利亞1989年材料科學(xué)通訊雜志上，采用異形試樣進(jìn)行疲勞裂紋預(yù)制，其試樣加工困難。采用切割缺口的試樣直接測定脆性材料的K1C值所得的數(shù)據(jù)也不準(zhǔn)確，測試精度不高。
本發(fā)明的目的在于避免上述現(xiàn)有技術(shù)的不足之處而提供一種脆性材料預(yù)制疲勞裂紋的新方法及其加載裝置。該裝置在試樣兩側(cè)施加側(cè)壓力，產(chǎn)生彎矩控制裂紋增長，使裂紋尖端應(yīng)力強(qiáng)度因子K1隨裂紋長度的增大而下降，可以避免裂紋的失穩(wěn)擴(kuò)展，預(yù)制出預(yù)定長度的疲勞裂紋，產(chǎn)生清晰的疲勞裂紋前緣線，便于精確測量。
本發(fā)明采用三點(diǎn)彎曲試樣預(yù)制疲勞裂紋。為了使試樣上的裂紋盡快萌生而又不出現(xiàn)失穩(wěn)斷裂，就需要在疲勞的初始階段在試樣缺口尖端造成較大應(yīng)力強(qiáng)度因子Kmax，而當(dāng)裂紋萌生后隨著裂紋不斷長大，則應(yīng)設(shè)法使Kmax逐漸降下來，這樣可使裂紋在接近理想長度時(shí)，出現(xiàn)一個(gè)低應(yīng)力強(qiáng)度的穩(wěn)定擴(kuò)展階段，并最終能自動(dòng)停止擴(kuò)展。根據(jù)材料力學(xué)基本原理，只要對(duì)一個(gè)受三點(diǎn)彎曲載荷P1的試樣，再施加一個(gè)適當(dāng)?shù)膫?cè)向力P2形成復(fù)合力系，如此構(gòu)成縱橫雙軸線加載即可改變僅僅由三點(diǎn)彎曲載荷P1作用時(shí)的應(yīng)力強(qiáng)度因子K和裂紋長度a的關(guān)系，從而實(shí)現(xiàn)裂紋尖端應(yīng)力強(qiáng)度因子隨裂紋的不斷長大而自動(dòng)降低的效果。
本發(fā)明的目的可以通過如下措施來達(dá)到。疲勞試驗(yàn)試樣中心載荷P1使其產(chǎn)生裂紋，試樣兩側(cè)通過加載裝置施加側(cè)向力P2，產(chǎn)生彎矩來抑制脆性材料疲勞裂紋的失穩(wěn)擴(kuò)展。所施加的三點(diǎn)彎曲載荷P1max和側(cè)向力P2經(jīng)計(jì)算求得，通過給定的經(jīng)驗(yàn)公式按試驗(yàn)材料的K1C估計(jì)值和預(yù)定的疲勞裂紋長度al來確定。
此法推薦使用的試樣尺寸為B×W×S＝5mm×10mm×40mm，試樣總長為50mm。圖2表明P2力加載軸線距試樣底面為 (W)/4 即2.5mm的位置，切口深度a0為2.5毫米，按此規(guī)定試樣，其選取加載參數(shù)的經(jīng)驗(yàn)公式為P1max＝αK1C(估計(jì))P2＝βP1max其中加載系數(shù)α、β分別為α＝496-32alβ= (19.8-al)/12如采用其它尺寸的彎曲試樣加載參數(shù)，經(jīng)驗(yàn)公式當(dāng)相應(yīng)改變。
在已知材料斷裂韌度K1C估計(jì)值和確定了疲勞裂紋的預(yù)定長度al的條件下，利用上述公式即可最后求出加載參數(shù)P1max和P2。根據(jù)公式計(jì)算出的力值，利用加載裝置在試樣上施加側(cè)向力P2。
按上述雙軸線加載方式進(jìn)行疲勞試驗(yàn)，在脆性材料的斷口上產(chǎn)生清晰的疲勞裂紋前緣線，可精密測量裂紋長度a。
本方法的實(shí)施步驟如下a.以規(guī)定尺寸的標(biāo)準(zhǔn)試樣端部裝入定位套長方形窗口內(nèi)。
b.順時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)調(diào)節(jié)螺釘，推動(dòng)頂桿，通過測力環(huán)的變形標(biāo)定值，向試樣準(zhǔn)確地施加側(cè)壓力達(dá)到P2為止(P2值通過公式計(jì)算求出)。
c.將試樣連同加載裝置一同放到裝有三點(diǎn)彎曲夾具的疲勞試驗(yàn)機(jī)上施加疲勞載荷P1。
使用上述方法，在工具鋼和硬質(zhì)合金試樣上得到了非常清楚的疲勞裂紋前緣線，這是因?yàn)樵谶@種雙軸線加載方式下，雖然Kmax隨裂紋的長大而降低，但其應(yīng)力強(qiáng)度因子的幅度△K始終保持較大值。在裂紋擴(kuò)展速率大幅度降低直至裂紋停止擴(kuò)展后，仍繼續(xù)進(jìn)行足夠周次的疲勞實(shí)驗(yàn)，疲勞裂紋前緣線得到充分的摩擦，從而可以在大多數(shù)脆性材料的斷口上產(chǎn)生清晰的疲勞裂紋前緣線，以便于精確測量裂紋長度a。
脆性材料預(yù)制疲勞裂紋的加載裝置，其測力環(huán)用7CrSiMnMoV合金鋼(模具鋼)來制造。由于不同材料的K1C值差別很大，因此針對(duì)不同試樣材料應(yīng)選用不同測力范圍的測力環(huán)。對(duì)于給定的標(biāo)準(zhǔn)試樣B×W×S＝5×10×40mm，測力環(huán)最大的工作負(fù)荷為13KN(仟牛頓)。
附圖的圖面說明如下

圖1本發(fā)明的加載裝置局部剖面圖。
圖2雙軸加載受力位置示意圖。
本發(fā)明下面將結(jié)合附圖1實(shí)施例作進(jìn)一步詳述。
脆性材料預(yù)制疲勞裂紋的加載裝置由測力環(huán)、定位套、頂絲座、頂桿、銷釘和加力調(diào)節(jié)螺釘所組成，見圖1。定位套(3)上開有長方形窗口以固定試樣(2)，測力環(huán)(1)左右兩端裝有頂桿(5)，可左右調(diào)節(jié)定位，其大頭端部裝在定位套上與試樣相接觸，測力環(huán)兩端裝有頂絲座(6)，用銷釘(4)固定在測力環(huán)上，頂絲座中心位置裝有調(diào)節(jié)螺釘(7)，與頂桿在同一中心線位置接觸。測力環(huán)的變形量事先經(jīng)過測力計(jì)標(biāo)定，可按計(jì)算出的P2值準(zhǔn)確的定量施加側(cè)壓力。測力環(huán)的變形量可用精密量具測出或用光學(xué)位移長度測量法及其它方法測出。
本發(fā)明方法具有試樣形狀簡單，能選擇并自動(dòng)限制疲勞裂紋擴(kuò)展的終止長度，預(yù)制出預(yù)定長度的疲勞裂紋。除粗晶體材料外，在多種高硬度、高脆性材料上，產(chǎn)生了非常清晰的疲勞裂紋前緣線，便于精測裂紋長度。采用這一方法，可大幅度提高脆性材料預(yù)制疲勞裂紋的成功率，降低試樣加工成本和提高測試精度，它為陶瓷、巖石、硬質(zhì)合金和金屬間化合物等脆性材料的斷裂韌度研究提供了方便，其加載裝置經(jīng)濟(jì)實(shí)用可靠。這一方法為脆性材料測定K1C值前預(yù)制疲勞裂紋開辟了新的途徑。
權(quán)利要求
1.材料試驗(yàn)測試技術(shù)中，脆性材料預(yù)制疲勞裂紋的方法是對(duì)受三點(diǎn)彎曲載荷的試樣形成復(fù)合力系，其特征是在實(shí)施過程中采用縱橫向雙軸線加載方式，對(duì)受三點(diǎn)彎曲載荷的試樣，該試樣中心受疲勞載荷P1，使其產(chǎn)生裂紋，試樣兩側(cè)通過加載裝置施加側(cè)向力P2，產(chǎn)生反向彎矩來抑制脆性材料疲勞裂紋的失穩(wěn)擴(kuò)展，對(duì)于所施加的三點(diǎn)彎曲載荷P1max和測向力P2通過計(jì)算求得，預(yù)制疲勞裂紋方法須按下述條件進(jìn)行a.使用的規(guī)定試樣B×W×S=5mm×10mm×40mm，試樣總長為50mm，P2力加載軸線距試樣底面為 (W)/4 ，即2.5mm的位置。切口深度aO=2.5mmb.對(duì)本方法規(guī)定的試樣，其加載參數(shù)經(jīng)驗(yàn)公式為P1max=αK1c(估計(jì)) α=496-32alP2=βP1maxβ= (19.8-al)/12在已知材料的斷裂韌度K1C估計(jì)值和確定了疲勞裂紋預(yù)定長度al(mm)的條件下，利用上述公式，最后求出加載參數(shù)P1max和P2值。根據(jù)計(jì)算出的P2值，利用加載裝置在試樣上施加側(cè)向力；按上述雙軸線加載方式進(jìn)行疲勞試驗(yàn)，能在脆性材料的斷口上產(chǎn)生清晰的疲勞裂紋前緣線，可精確測量裂紋長度a。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的預(yù)制疲勞裂紋的方法，其實(shí)施步驟如下a.以規(guī)定尺寸的標(biāo)準(zhǔn)試樣，端部裝入定位套(3)方形窗口內(nèi);b.順時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)調(diào)節(jié)螺釘(7)，推動(dòng)頂桿(5)，通過測力環(huán)(1)的變形標(biāo)定值，向試樣準(zhǔn)確地施加側(cè)壓力達(dá)到P2為止(P2值通過公式計(jì)算求出);c.將試樣連同加載裝置一同放到裝有三點(diǎn)彎曲夾具的疲勞試驗(yàn)機(jī)上施加疲勞載荷P1。
3.脆性材料預(yù)制疲勞裂紋的加載裝置由測力環(huán)、定位套、頂絲座、頂桿、銷釘、和加力調(diào)節(jié)螺釘所組成，定位套(3)上開有長方形窗口以固定試樣(2)，測力環(huán)(1)左右兩端裝有頂桿(5)，可左右調(diào)節(jié)定位，其大頭端部裝在定位套上與試樣相接觸，測力環(huán)兩端裝有頂絲座(6)用銷釘(4)固定在測力環(huán)上，頂絲座中心位置裝有調(diào)節(jié)螺釘(7)與頂桿在同一中心線位置接觸，測力環(huán)的變形量事先經(jīng)過測力計(jì)的標(biāo)定;
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的加載裝置，其特征是測力環(huán)材料可選用7CrSiMnMoV合金鋼來制造，在選用給定試樣條件下，其環(huán)的外徑約為100mm，最大工作負(fù)荷為13KN。
全文摘要
脆性材料預(yù)制疲勞裂紋的新方法及其加載裝置避免了一般預(yù)制疲勞裂紋時(shí)極易產(chǎn)生失穩(wěn)斷裂、裂紋不清晰、不能精確測量裂紋長度等缺陷，本方法能快速準(zhǔn)確地在脆性材料彎曲試樣上預(yù)制出所需長度的疲勞裂紋，在三點(diǎn)彎曲加載的基礎(chǔ)上結(jié)合由測力環(huán)、頂桿等組成的加載裝置，對(duì)試樣兩端施加側(cè)向力，產(chǎn)生彎矩以控制裂紋增長，并產(chǎn)生非常清晰的疲勞裂紋前緣線，便于精測裂紋長度。本方法測試精度高、成本低，為脆性材料測定K
文檔編號(hào)G01N3/20GK1041823SQ8910858
公開日1990年5月2日 申請(qǐng)日期1989年11月20日 優(yōu)先權(quán)日1989年11月20日
發(fā)明者張金生 申請(qǐng)人:機(jī)械電子工業(yè)部北京機(jī)電研究所