[发明专利]一种观察钛合金在平面应变状态下裂纹扩展路径的方法

说明书

技术领域

本发明涉及材料裂纹观察方法，特别涉及一种针对钛合金在平面应变状态条件下观察裂纹扩展路径的方法，具体的说，是一种使用具备特定厚度及高度并带有预制疲劳裂纹的试样，缓慢施加载荷至裂纹扩展之后卸载，在裂纹所在平面的中心线处沿垂直方向剖开，在剖面上观察裂纹扩展路径的方法。

背景技术

断裂是工程上最危险的失效形式，具有突然性和不可预见性。材料断裂问题，包括裂纹的起裂、扩展、止裂各个过程，在工程上和学术上历来受到广泛关注。外加载荷作用在裂纹的尖端会导致两种不同的应力条件，即，平面应变状态及平面应力状态。断裂力学理论采用应力场强度因子来描述裂纹尖端的应力场。裂纹扩展对应的应力强度因子的临界数值，在平面应变条件时低于平面应力条件时，即，材料在平面应变状态下服役条件更为危险。对于裂纹扩展的形式，根据裂纹上下两个面的相对位移，可以分为张开型（Ⅰ型）、滑开型（Ⅱ型）和撕开型（Ⅲ型）三种基本类型，其中张开型最为危险。人们对同时具备这两种危险情形的断裂问题，即，平面应变条件下I型裂纹扩展问题更为重视，其中，采用金相显微镜、扫描电镜（SEM）及背散射电子衍射（EBSD）等设备观察裂纹扩展路径及周围显微组织是必要的研究内容。这就要求有合理的试样制备方法，确保待观察的试样既要具备I型裂纹扩展模式同时满足平面应变加载条件。

目前对钛合金平面应变条件I型裂纹扩展路径的显微观察分析，通常采用平面应变断裂韧度（K_IC）测试所用的试样，一般来说，磨削、抛光及观察的是与预制裂纹所在平面垂直的外表面。这种制样方法的优点在于观察的试样满足平面应变断裂条件，但该方法的问题是，在断裂韧度测试过程中，当所加载的载荷达到最大值时，裂纹在钛合金材料中的扩展速度极快，瞬间可以发生断裂，使用断裂之后的试样进行裂纹扩展路径观察，只能得到裂纹扩展路径一侧的组织特征，且在裂纹路径周围的材料会局部脱落，不利于判断裂纹是以穿晶还是沿晶方式扩展，也无法获得裂纹尖端周围材料的组织特征，尤其是当钛合金材料晶粒尺寸较小时，组织特征细节观察更难以进行。为了解决仅观察裂纹路径一侧组织导致的细节信息丢失问题，也有人采用疲劳裂纹扩展（da/dN）测试所用的试样，减慢裂纹扩展速度并及时控制其停止扩展，对未完全断裂的试样上与预制裂纹所在平面垂直的外表面进行观察，能够获得裂纹扩展路径两侧的信息。但是，da/dN试样的厚度较薄，且钛合金相对于钢铁材料有更加明显的剪切变形倾向，整个预制裂纹所在平面的应力状态难以满足平面应变状态。因此，有必要提供一种更为完善的观察钛合金在平面应变状态下裂纹扩展路径的方法。

发明内容

本发明的目的是提供一种观察钛合金在平面应变状态下裂纹扩展路径的方法。

为实现所述目的，本发明采用的技术方案为：

一种观察钛合金在平面应变状态下裂纹扩展路径的方法，包括如下步骤：

（1）制备三点弯曲试样；

（2）切口及疲劳裂纹预制

将步骤（1）所述三点弯曲试样在长度方向的中心、垂直于长度方向、沿宽度方向的位置处预制切口，在疲劳试验机上预制疲劳裂纹，使预制切口与预制疲劳裂纹的总长度约等于试样厚度；

（3）平面应变条件I型裂纹起裂、扩展及止裂控制

将步骤（2）预制完毕切口及疲劳裂纹的三点弯曲试样放置于弯曲试验机的夹具上；安装弯曲试验夹具及引伸计，启动弯曲试验机，加载的同时记录试样的载荷和位移曲线，当载荷上升至最大值时，预制裂纹将迅速起裂并扩展，及时将试样卸载，使裂纹止裂，从而防止试样完全断裂；

（4）裂纹扩展路径微观试样制备及观察

对步骤（3）完成平面应变条件I型裂纹扩展的试样，沿厚度的中心位置垂直于裂纹所在平面剖开并切取包含有裂纹尖端及扩展路径的区域，然后对剖面进行磨削，去除试样表面缺陷和划痕；对磨削面进行电解抛光，对试样的抛光表面进行观察，采用金相显微镜或扫描电镜观察裂纹扩展路径及尖端周围的微观组织，采用背散射电子衍射（EBSD）装置直接对抛光表面进行分析，获得裂纹扩展路径方向与微观组织取向的关系。

步骤（1）中，所述三点弯曲试样的厚度为2.0(K_IC/R_p0.2)²～3.0(K_IC/R_p0.2)²，宽度为2～3倍厚度，长度为4倍厚度，其中K_IC为钛合金材料的平面应变断裂韧度数值，R_p0.2为钛合金材料的非比例延伸极限。