[發明專利]漸變曲率法觀測金屬材料彎曲破壞過程的方法及裝置

有效

• 申請號: 202110309291.2
• 申請日: 2021-03-23
• 公開（公告）號: CN113063674B
• 公開（公告）日: 2022-06-17
• 發明（設計）人: 趙一舟;聞福林;馮開慶;鄭登智;趙建華;辜誠;王亞軍
• 申請（專利權）人: 重慶大學
• 主分類號: G01N3/20
• 分類號: G01N3/20;G01N3/02
• 代理公司: 重慶強大凱創專利代理事務所(普通合伙) 50217
• 代理人: 康奇剛

本發明涉及材料的物理分析領域，公開了一種漸變曲率法觀測金屬材料彎曲破壞過程的方法及裝置。包括成型單元，成型單元上設有金屬材料試樣進入口，成型單元內設有與金屬材料試樣進入口連通的金屬彎曲成型空間，金屬彎曲成型空間的橫面與金屬材料試樣的橫截面適應；成型單元上金屬彎曲成型空間的縱面所在的面為觀測面，金屬彎曲成型空間的縱面呈連續漸變曲率狀。本發明解決了現在對材料彎曲應力變化進行微觀組織結構變化觀測時，裝置結構復雜，試驗裝置和觀測儀器相互影響和制約的裝置。

技術領域

本發明涉及材料的物理分析領域，具體涉及漸變曲率法觀測金屬材料彎曲破壞過程的方法及裝置。

背景技術

隨著科技的進步與發展，材料的使用場景日益廣泛，使用的條件日趨復雜苛刻，因此產生的材料失效問題更為復雜，材料失效帶來的后果更為嚴重。而產生這些后果的重要的根源在于對于測試的能力不足，對于材料內部組織結構對性能的影響及失效機理缺乏足夠認識，因此深入了解材料的失效機理，探索材料在受力工況下的微觀組織變化及破壞過程對材料進一步發展有重要意義。材料、構件以及裝置在服役時常受到彎曲應力的作用，如車橋、起重機大梁、車刀、火車輪軸等，研究這些材料構件在彎曲工況下變形、損傷及斷裂機理顯得尤為重要。

關于金屬材料的彎曲實驗，在國標和行標中均有相關規定：冶金行業標準YB/T5349-2014規定了一種金屬材料彎曲力學性能試驗方法，采用三點彎曲、四點彎曲試驗測定材料彎曲力學性能，通過將標準試樣放在一定跨距的支座上，利用試驗機對材料施加壓力，對試樣進行彎曲變形，通過彎曲變形可以獲得材料的抗彎強度、彎曲彈性模量、撓度等。國標GB/T 232-2010規定了一種金屬材料彎曲試驗方法，采用支輥式、V型、虎鉗式等彎曲裝置，將試樣在彎曲裝置上經受彎曲變形，不改變加力方向，直至達到規定的彎曲角度，若彎曲外表面無可見裂紋產生應評定為合格。但這些彎曲試驗方法要么是對彎曲力-撓度以及斷后斷面進行分析，要么就是對達到彎曲角度后的材料表面進行分析，無法對彎曲過程中材料的微觀組織結構變化過程以及裂紋萌生、擴展等行為進行觀測。

隨著技術的發展，很多科研工作者通過原位觀測技術，研究在載荷作用下的材料的微觀變形、損傷及失效機理等，采用的技術路線是將試驗裝置與原位觀測儀器結合，這樣就可以在材料彎曲的過程中采用原位觀測儀器進行動態的觀測，如原位三點彎曲力學性能測試，該試驗是運用小型化的三點彎曲測試裝置，借助于掃描電子顯微鏡、激光共聚焦顯微鏡、超景深顯微鏡等高倍數的顯微成像組件，在獲取準確的載荷-撓度曲線的同時，能夠原位實時監測被測試件在三點彎曲工況下的裂紋的萌生、擴展路徑。專利CN 102494955 A“顯微組件下跨尺度原位微納米三點/四點彎曲測試裝置”、專利CN 203249835U“力熱場耦合作用下材料原位彎曲測試裝置”均為采用的是上述技術路線。

采用將試驗裝置與原位觀測儀器結合，對金屬材料彎曲破壞過程中實時觀測的方式，雖然能夠觀測到金屬材料彎曲測試時的微觀結構變化，但是存在著如下問題：

1.增加了結構的復雜度和安裝難度。

原位觀測儀器較為昂貴，為了使其穩固、穩定的安裝于試驗裝置上，在兩者之間需要眾多的精細零部件，以及對零部件之間精準安裝，而不是簡單的安裝結構，簡單的加載，這大大的增加了結構的復雜度和安裝的難度。

如專利CN 102494955 A“顯微組件下跨尺度原位微納米三點/四點彎曲測試裝置”說明書摘要中提到的，安裝結構包括精密驅動控制單元、具有三自由度的調整單元、傳動及執行單元、信號檢測單元和連接支撐單元。其中精密驅動直流伺服電機通過柔性聯軸器與一級渦輪相連，一級渦輪通過渦輪蝸桿傳動副與二級渦輪相連，并且二級渦輪通過渦輪蝸桿傳動副分別與引導杠Ⅰ、Ⅱ相連，進而帶動彎曲測試沖頭完成測試動作。

2.觀測過程中，試驗裝置和原位觀測儀器會相互影響和制約。