[發明專利]一種獲取鋁合金板件攪拌摩擦焊接頭疲勞小裂紋萌生及擴展形貌的實驗方法

有效

• 申請號: 201810071917.9
• 申請日: 2018-01-25
• 公開（公告）號: CN108375515B
• 公開（公告）日: 2020-04-28
• 發明（設計）人: 孫國芹;王崇文;魏心海
• 申請（專利權）人: 北京工業大學
• 主分類號: G01N3/32
• 分類號: G01N3/32;G01N21/88;G01N1/28;G01N1/32
• 代理公司: 北京思海天達知識產權代理有限公司 11203
• 代理人: 張立改

1.一種獲取鋁合金板件攪拌摩擦焊接頭疲勞小裂紋萌生及擴展形貌的實驗方法，其特征在于：

步驟(1)：對采用相同焊接參數進行攪拌摩擦焊焊接并線切割得到的連續疲勞和中斷疲勞試驗用的鋁合金板件進行表面處理，具體步驟如下：

(1.1)先用砂紙對板件的左右側面進行人工打磨，再在磨拋機上用砂紙對板件的正反面和左右兩側面進行拋光；每更換一道砂紙，打磨方向與上一道砂紙的打磨方向成90°，使前一道的磨痕徹底去除；

(1.2)對板件的正反面采用金剛石拋光膏在磨拋機上拋光，去除細微劃痕，直到表面成為無劃痕的光滑鏡面為止；

(1.3)用Keller試劑對板件進行金相腐蝕，腐蝕時間為10～20s，腐蝕之后用清水沖洗并吹干；

步驟(2)：在疲勞試驗前，將板件橫向放置在顯微鏡的載物臺上，并在金相顯微鏡下先選擇10倍物鏡按序觀察鋁合金板件的正反表面及左右側面，對每個區域有劃痕、孔洞以及強化顆粒聚集處易發生裂紋萌生特征的區域位置，再選擇40倍物鏡拍攝其初始顯微形貌，并記錄區域位置，用于與疲勞試驗后板件表面形貌作對比；正反面和左右兩側面觀察拍攝均從板件長度方向的一端開始，向另一端折形步進，同時沿板件寬度方向的一端到另一端進行折線式往復觀察及選擇拍攝；

步驟(3)：取經過步驟(1)和步驟(2)的一個試件A，在疲勞試驗機上進行連續疲勞試驗，記錄板件的疲勞壽命和斷裂位置；

步驟(4)：取經過步驟(1)和步驟(2)的另一個試件B，在疲勞試驗機上進行中斷疲勞試驗，加載參數與步驟(3)連續疲勞試驗相同，但每循環一定的次數停機一次，記錄和拍攝，循環間隔根據步驟(3)連續疲勞試驗所得的疲勞壽命確定,確保中斷試驗結束后獲得20～30組實驗數據；在夾具和板件上用記號筆標記裝夾的位置，每停機一次卸載并卸件，以便于觀察表面顯微形貌的變化；

步驟(5)：對試件B捕捉裂紋萌生形貌及區域來說，每次卸件后分別在10倍和40倍物鏡下對板件的四個表面從板件長度方向的一端開始，向另一端折形步進，按板件寬度方向的一端到另一端進行折線式往復觀察并選擇拍攝；重點觀察劃痕、孔洞以及強化顆粒聚集處特征顯微結構區域，一旦這些區域或其他區域在10倍物鏡下呈現周圍顏色變深變暗時以及在40倍物鏡下出現滑移帶處，初步確認為小裂紋可能的萌生點，拍照并記錄所在區域位置；對板件側面拋光困難、不容易得到無劃痕的光滑鏡面的左右側面，在40倍物鏡下還需要重點觀察側面焊核區與熱機影響區交界的流線處以及側面沒有打磨成光滑鏡面的凹凸粗糙區域小裂紋可能的萌生點；當從這些小裂紋可能的萌生點開始出現小裂紋時，在40倍物鏡下拍攝并記錄所在區域位置，然后，裝夾鋁合金板件繼續進行中斷疲勞試驗；每次裝件時在夾具和板件標記的對應位置進行裝夾，以確保每次裝夾位置相同；

步驟(6)：對捕捉裂紋擴展形貌來說，每次卸件后從板件長度方向的一端開始折形步進，按板件寬度方向的一端到另一端，先在10倍物鏡下一邊找到板件四個表面已產生的所有小裂紋，一邊尋找新的小裂紋可能的萌生點；然后在40倍物鏡下對已產生的小裂紋形貌進行拍攝，同時拍攝新的小裂紋可能的萌生點，并記錄其各自位置；結合其中前后兩次中斷疲勞試驗拍攝的金相圖片，對同一位置的顯微形貌進行前后對比，當小裂紋形貌和長度在上一次的基礎上有延伸時，確定為小裂紋開始擴展；板件的側面為梯度分區，針對板件側面萌生的小裂紋在垂直于加載方向擴展時易從一個區域延伸至另一個區域擴展，拍照并記錄側面擴展的小裂紋每次延伸到達的區域位置和對應的循環次數，根據所在區域將金相照片分組保存；拍照記錄裂紋尖端遇到顯微結構時裂紋擴展路徑受到促進或阻礙以及裂紋走向的變化，以便于分析顯微結構對裂紋擴展的影響；

步驟(7)：記錄所有小裂紋的擴展情況；結合其中前后兩次中斷疲勞試驗拍攝的金相圖片，對同一小裂紋在40倍物鏡下的顯微形貌進行前后對比，重點找出擴展速率比其他小裂紋快的一條或幾條裂紋，預測可能的主裂紋，并重點記錄側面每條小裂紋的擴展情況，以免板件側面寬度過窄而使側面小裂紋比正反面小裂紋率先導致板件斷裂；

步驟(8)：從步驟(4)的中斷疲勞試驗到步驟(7)進行重復，直至板件斷裂，記錄最后導致板件斷裂的一條或幾條主裂紋；運用圖像測量軟件SuperImage對照片中所有的裂紋長度進行追蹤測量，采用40倍物鏡拍攝的裂紋圖片來測量裂紋長度；當裂紋長度超出一張照片的容納范圍時，尋找裂紋上的某一參考點對裂紋長度進行拼接累加；當裂紋擴展路徑彎曲而不能直接測量時，將裂紋分成若干線段進行累加得到最終的裂紋長度，使測量更精確；

步驟(9)：根據割線法計算不同循環數下的裂紋擴展速率，計算公式為：

其中，ΔN和Δa為循環區間和裂紋長度，a_i是在循環次數為N_i時的裂紋長度；

步驟(10)：選出裂紋擴展速率至少連續兩次上升且上升時期的擴展速率超過之前擴展速率平均值的2倍時所對應的裂紋長度，確定鋁合金板件疲勞小裂紋階段的臨界尺寸；

所述步驟(10)中所述的選出裂紋擴展速率至少連續兩次上升且上升時期的擴展速率超過之前擴展速率平均值的2倍時的循環次數應超過疲勞壽命的50％。