专利名称：一种金属基复合材料热疲劳性能测试和分析的方法
技术领域：
本发明涉及一种金属基复合材料热疲劳性能测试和分析的方法，属金属基复合材料性能测试和分析领域。
背景技术：
热疲劳失效是指金属基复合材料在激冷激热循环交替作用下，复合层与基材金属的宏观界面附近及复合层内部会形成网状裂纹的现象，热疲劳是金属基复合材料在激冷激热工况下使用失效的主要形式之一。
目前关于金属基复合材料热疲劳性能的评定及分析方法尚无前例可循，关于热疲劳性能的评定仅仅局限在热作模具钢上，但是其结果不精确，人为引起的误差相对较大，而且热作模具钢的热疲劳性能测试和分析方法所考虑的范围过窄，没有考虑到裂纹的形态、 分布情况等因素，其所得结论目前也存在一定的争议性，其方法并不适用于金属基复合材料热疲劳性能的测试和分析。发明内容
为克服现有技术中只有对钢的热疲劳性能测试和分析，仍缺乏对复合材料热疲劳性能的测试和分析；本发明的目的在于提供一种金属基复合材料的热疲劳性能测试和分析的方法，真实地模拟实际生产中材料的热疲劳条件，并由计算机对裂纹图像进行系统性的定量化研究和分析。
本发明通过下列技术方案实现一种金属基复合材料热疲劳性能测试和分析的方法，包括下列工艺步骤(1)将金属基复合材料试样切割成方块，并将带有基材和复合层的一面研磨到抛光态；(2)将步骤(1)所得试样进行热处理至试样充分受热升温；(3)将步骤(2)所得高温试样放入室温下的水中，使其激冷至室温，以此模拟激冷激热工况；(4)将步骤(3)冷却后的试样进行抛光，以去除表面氧化皮，用金相显微镜观察步骤 (1)中的研磨面，并对裂纹和复合层进行拍照；(5)反复数次步骤(2)、(3)、(4)，将所拍照片用热疲劳裂纹图像分析系统进行裂纹的定量化分析，即能分析热疲劳失效机理以及热疲劳裂纹萌生和扩展的方式，以实现金属基复合材料热疲劳性能的测试和分析。
所述步骤(2)的热处理温度为500 800°C，热处理时间为5 10分钟。
和现有技术相比，本发明具有以下有益效果1、本发明采用热处理炉提供材料的加热方式以及室温下水冷却，真实地模拟了实际生产中材料发生热疲劳的工作条件，操作简单，可控性强。
2、本发明采用了计算机技术进行裂纹图像的系统处理，避免了人工评定的误差，同时综合考虑了裂纹的分布、形态等各方面的因素，使得所得结果更加接近实际。
3、得到的裂纹定量分析结果即可用于通过控制复合材料发生热疲劳的实际工作条件来减轻材料在激冷激热工况下的热疲劳失效。
图1是本方法的步骤(1)中所述切割方块的示意图；图2是实施例1的金属基复合材料的热疲劳裂纹金相照片图； 图3是实施例2的金属基复合材料的热疲劳裂纹金相照片图； 图4是实施例1的计算机测量出的裂纹宽度图。
具体实施方式
下面通过实施例并结合附图对本发明作进一步详细说明。
实施例1(1)将碳化钨体积分数为20%、高碳铬铁粉体积分数为80%的Cr15高铬钢基复合材料试样切割成方块，并将带有基材和复合层的一面研磨到抛光态；(2)将步骤(1)所得试样在温度为600°C下进行热处理10分钟，至试样充分受热升温；(3)将步骤(2)所得高温试样放入室温下的水中，使其激冷至室温，以此模拟激冷激热工况；(4)将步骤(3)冷却后的试样进行抛光，以去除表面氧化皮，用金相显微镜观察步骤 (1)中的研磨面，并对裂纹和复合层进行拍照；(5)反复30次步骤(2)、(3)、(4)，将所拍照片(如图3所示)用热疲劳裂纹图像分析系统进行裂纹的定量化分析，测量出裂纹宽度(如图5所示)，即能分析热疲劳失效机理以及热疲劳裂纹萌生和扩展的方式，以实现金属基复合材料热疲劳性能的测试和分析。
由图及结合XRD等分析手段，可以得出由于氧化致脆、热应力及循环应力的共同作用下，裂纹开始萌生并不断扩展而由复合层顶部萌生并向基材方向扩展的裂纹虽随着热震次数的增强裂纹宽度亦有所增加，但在试样表面的扩展止于横向裂纹。
实施例2(1)将碳化钨体积分数为40%、高碳铬铁粉体积分数为60%的Cr15高铬钢基复合材料试样切割成方块，并将带有基材和复合层的一面研磨到抛光态；(2)将步骤(1)所得试样在温度为80(TC下进行热处理5分钟，至试样充分受热升温；(3)将步骤(2)所得高温试样放入室温下的水中，使其激冷至室温，以此模拟激冷激热工况；(4)将步骤(3)冷却后的试样进行抛光，以去除表面氧化皮，用金相显微镜观察步骤 (1)中的研磨面，并对裂纹和复合层进行拍照；(5)反复36次步骤(2)、(3)、(4)，将所拍照片(如图4所示)用热疲劳裂纹图像分析系统进行裂纹的定量化分析，即能分析热疲劳失效机理以及热疲劳裂纹萌生和扩展的方式， 以实现金属基复合材料热疲劳性能的测试和分析。
WC颗粒内部出现裂纹，一方面反映了 WC在应力与氧化的双重作用下产生了崩落或粉化导致的损耗，另一方面也反映了裂纹也在不断的向颗粒内部扩展，若任由这种现象持续发展下去，那么在WC的氧化与裂纹向颗粒内部不断扩展的共同作用下，WC颗粒就会整体脱落，从而对颗粒增强复合材料造成灾难性的破坏，使复合材料寿命终止。
实施例3(1)将碳化钨体积分数为40%、高碳铬铁粉体积分数为60%的Cr15高铬钢基复合材料试样切割成方块，并将带有基材和复合层的一面研磨到抛光态；(2)将步骤(1)所得试样在温度为50(TC下进行热处理8分钟，至试样充分受热升温；(3)将步骤(2)所得高温试样放入室温下的水中，使其激冷至室温，以此模拟激冷激热工况；(4)将步骤(3)冷却后的试样进行抛光，以去除表面氧化皮，用金相显微镜观察步骤 (1)中的研磨面，并对裂纹和复合层进行拍照；(5)反复40次步骤(2)、(3)、(4)，将所拍照片用热疲劳裂纹图像分析系统进行裂纹的定量化分析，即能分析热疲劳失效机理以及热疲劳裂纹萌生和扩展的方式，以实现金属基复合材料热疲劳性能的测试和分析。
由热震实验，发现距界面最近处的WC颗粒首先发生开裂，并诱发周围基体延界面方向产生裂纹。由复合层顶部纵向扩展的裂纹虽止于横贯过渡区的横向裂纹，但近基材处 WC颗粒诱发了向界面垂直方向扩展的裂纹，说明WC颗粒的加入使界面周围的热膨胀系数急剧变化，导致温度骤变时在该处产生极大的热应力，从而此处较易萌生裂纹。
权利要求
1.一种金属基复合材料热疲劳性能测试和分析的方法，其特征在于包括下列工艺步骤(1)将金属基复合材料试样切割成方块，并将带有基材和复合层的一面研磨到抛光态；(2)将步骤(1)所得试样进行热处理至试样充分受热升温；(3)将步骤(2)所得高温试样放入室温下的水中，使其激冷至室温；(4)将步骤(3)冷却后的试样进行抛光，用金相显微镜观察步骤(1)中的研磨面，并对裂纹和复合层进行拍照；(5)反复数次步骤(2)、(3)、(4)，将所拍照片用热疲劳裂纹图像分析系统进行裂纹的定量化分析，即能分析热疲劳失效机理以及热疲劳裂纹萌生和扩展的方式，以实现金属基复合材料热疲劳性能的测试和分析。
2.根据权利要求1所述的金属基复合材料热疲劳性能测试和分析的方法，其特征在于所述步骤(2)的热处理温度为500 800°C，热处理时间为5 10分钟。
全文摘要
本发明提供一种金属基复合材料热疲劳性能测试和分析的方法，将金属基复合材料试样切割成方块，并将带有基材和复合层的一面研磨到抛光态；再进行热处理至试样充分受热升温；然后放入室温下的水中，使其激冷至室温；再抛光，用金相显微镜观察研磨面，并对裂纹和复合层进行拍照；反复加热、冷却、观察数次，将所拍照片用热疲劳裂纹图像分析系统进行裂纹的定量化分析，即能分析热疲劳失效机理以及热疲劳裂纹萌生和扩展的方式，以实现金属基复合材料热疲劳性能的测试和分析。本发明操作简单，可控性强，综合考虑了裂纹的分布、形态等各方面的因素，使得所得结果更加接近实际。
文档编号G01N3/60GK102519818SQ201110445090
公开日2012年6月27日 申请日期2011年12月28日 优先权日2011年12月28日
发明者周荣, 山泉, 李祖来, 蒋业华, 隋育栋, 黄汝清 申请人:昆明理工大学