[發明專利]一種預測金屬表面裂紋萌生位置或擴展方向的方法

有效

• 申請號: 201910868375.2
• 申請日: 2019-09-09
• 公開（公告）號: CN110702497B
• 公開（公告）日: 2022-04-19
• 發明（設計）人: 馮新;莫曉飛;丁賢飛;朱郎平;南海
• 申請（專利權）人: 中國航發北京航空材料研究院
• 主分類號: G01N3/00
• 分類號: G01N3/00;G01N3/06;G01N1/28;G01N1/32
• 代理公司: 中國航空專利中心 11008
• 代理人: 杜永保

本發明涉及一種預測金屬表面裂紋萌生位置或擴展方向的方法，屬于材料力學行為技術領域，包括以下步驟：將待測金屬材料表面進行電解拋光腐蝕后進行顯微組織觀察，利用光刻機對金屬表面掩膜版和光刻膠曝光、顯影后，在金屬表面物理氣相沉積一層金屬，從而形成規則的網格形狀；利用SEM?EBSD對待測網格區內材料表面晶體取向進行表征；測量材料表面塑性變形前后網格節點相對坐標值變化，并據此計算分析微區應變量分布、應變集中區及塑性變形方向等信息，判斷材料表面的位錯滑移方向，進而預測金屬表面裂紋萌生位置和擴展方向。本發明實現了結合物理氣相沉積網格法和SEM?EBSD法，預測金屬材料表面裂紋萌生位置和擴展方向的方法。

技術領域

本發明涉及一種預測金屬表面裂紋萌生位置或擴展方向的方法，屬于材料力學行為技術領域。

背景技術

隨著航空工業對發動機長壽命、高可靠性要求越來越高，發動機用結構材料承受單向或多向靜力、交變載荷的作用時的失效行為研究也愈加受到研究者們的重視。一般結構材料(多晶材料、復合材料、薄膜材料)由形貌各異、取向隨機分布的特征結構聚合而成，常常表現出宏觀力學性能各向均勻的。然而，由于各組成特征結構晶體結構、物理和力學性能各異，甚至表面微區存在微觀缺陷，因此塑性變形過程中微觀尺度塑性應變量分布并不均勻，其中最大應變量位置即為材料首先發生失效位置，即材料薄弱位置。且結構材料特征結構間協調變形行為及機制較為復雜，缺乏系統地定量研究。通過對材料表面微區應變量分布和表面晶體取向的表征，可實現以微區應變量和晶體取向為定量指標揭示結構材料微觀尺度力學行為的目的，為優化航空發動機用結構材料設計提高服役壽命提供更為先進的表征方法。

金屬材料表現微區變形量與裂紋萌生和擴展行為直接相關，通過建立晶體取向與變形量分布關系，有助于揭示金屬材料失效機理和壽命預測，目前材料表面全場應變分布采集多采用DIC實驗方法，然而受限于DIC設備的測試精度和實驗條件，無法對微區小變形量行為進行準確表征。

隨著對飛機發動機結構材料失效機理和壽命預估研究的迫切需求，材料微觀尺度塑性應變量的表征和測量及對應區域的晶體取向、位錯滑移方向表征則是完成上述研究的關鍵技術條件，而現有的材料表面塑性應變量測量方法難以滿足上述研究需求，而且也尚未通過建立應變量、晶體取向相結合的方法，預測裂紋萌生和擴展行為。因此開發能夠精確測量材料表面微觀尺度高精度應變量的方法以及相應區域的晶體取向表征，建立一種金屬材料表面微區晶體取向與變形量相關性表征方法，以預測裂紋萌生位置和擴展方向。

發明內容

鑒于此，本發明的目的是針對現有技術的不足，提供一種金屬材料表面微區晶體取向與變形量相關性測試方法，用以預測材料表面裂紋萌生位置和擴展方向。通過簡單利用材料表面涂覆的網格節點相對坐標變化，計算得到網格節點處位置的微觀尺度應變，直觀、精確測量材料表面微區塑性應變量，通過表征材料表面網格區晶體取向，獲得位錯滑移方向。結合材料表面應變集中區域和位錯滑移方向，從而預測材料表面裂紋萌生位置和擴展方向。

本發明技術方案：一種預測金屬表面裂紋萌生位置或擴展方向的方法，其特征在于，包括以下步驟：

(1)待測金屬材料表面拋光腐蝕后，進行微觀組織觀察，采用物理氣相沉積法對表面待表征區域進行網格制備，測量并記錄金屬材料表面所制備網格的原始坐標；

(2)采用EBSD法，對網格制備后的待表征區域進行晶體取向表征，獲得該區域晶體取向數據；

(3)對待測金屬開展力學測試，使沉積網格后的金屬材料表面待表征區發生塑性變形；

(4)將力學測試后金屬材料表面待表征區沉積網格坐標進行重新測量，并記錄坐標值；

(5)對金屬表面力學測試塑性變形前后網格坐標差進行計算，獲得微區變形量或應變量分布，并可采用三維云圖或三維等高線圖形式表達；

(6)對網格區的晶體取向進行表征，結合網格區應變分布，獲得應變集中區域的位錯滑移方向；