一种含划痕缺陷疲劳试验小样的制备方法和疲劳试验方法

本发明涉及材料疲劳性能测试领域，具体涉及一种含划痕缺陷疲劳试验小样的制备方法和疲劳试验方法，应用于航空航天等对材料疲劳性能要求较高的领域。

背景技术：

1、在现代工程应用中，疲劳失效是材料和结构件在长期使用过程中经常面临的重大问题。疲劳失效通常是由于材料在循环加载下逐渐积累的损伤所引起的，这种损伤在微观层面表现为裂纹的萌生与扩展，最终导致材料或结构的断裂。特别是在航空航天、汽车、船舶以及桥梁等领域，疲劳失效可能引发灾难性后果，因此疲劳寿命一直是科学与工程研究中的重点课题。

2、在实际应用中，材料或结构表面不可避免地会出现各种形式的缺陷，如划痕、腐蚀、凹坑等。这些缺陷的存在使得材料的疲劳行为复杂化，显著降低材料的疲劳寿命，进而影响结构的整体安全性和可靠性。基于无缺陷小样的疲劳试验数据，往往无法准确预测含缺陷材料在真实环境中的寿命表现，导致设计和使用中的安全裕度不足。因此，研究和开发能够准确模拟和测试含缺陷材料疲劳寿命的方法对于工程安全具有重要意义。

3、在已公开的技术中，关于含划痕缺陷材料的疲劳试验研究仍然有限。现有的方法多集中于定性分析或简单的裂纹萌生研究，缺乏系统性和标准化。划痕缺陷的引入方式往往缺乏控制，导致试验结果的重复性和可比较性较差。此外，在疲劳试验过程中，如何精确控制应力水平、监测裂纹扩展、分析疲劳数据等方面，也存在许多技术挑战。

技术实现思路

1、为解决上述技术问题，本发明提供一种含划痕缺陷疲劳试验小样的制备方法和疲劳试验方法。通过该方法，可以在材料表面标准化地引入划痕缺陷，并通过疲劳试验评估材料的耐久性和使用寿命。

2、为达到上述目的，本发明采用如下的技术方案：

3、一种含划痕缺陷疲劳试验小样的制备方法，包括如下步骤：

4、第一步、采用车床加工试样，然后根据实际结构件的表面质量要求，选用合适的后续加工方式；

5、第二步、使用标准化工具引入划痕缺陷，该工具控制划痕的深度、长度和形状；

6、第三步、检查缺陷尺寸、试样尺寸、试样表面粗糙度满足设计要求，并记录。

7、进一步地，所述第二步包括：

8、对于圆形小试样，采用定制车刀对圆形试样划一圈预制划痕；对于0.1mm或0.15mm深的小划痕，进行一次进刀预制成型；对于0.25mm深度划痕进行一次预制成型；对于0.35mm或0.4mm深的大划痕分两次进刀预制成型；划痕表面粗糙度要求与试样表面粗糙度要求保持一致；在成型完成后，对划痕表面不再进行加工，用细砂纸擦拭划痕表面去除毛刺。

9、进一步地，所述第三步包括：

10、1）采用超景深显微镜测量检查划痕缺陷的尺寸，必须测量的尺寸包括缺陷在试样表面的直径与缺陷深度，对于标准划痕缺陷，缺陷深度误差不超过10%。

11、2）在精加工完成后用测量方法完成试样尺寸的测量，试样工作段尺寸在精加工后、预制划痕缺陷前进行测量；其余尺寸在试样制备完成后进行测量；采用50分度游标卡尺测量试样尺寸，并取三次测量的平均值作为测量值；比试样图纸中的尺寸偏差要求，判断试样尺寸是否满足图纸。

12、3）在最终机加工阶段用测量方法完成试样表面粗糙度的测量，并以轮廓算

13、术平均偏差进行量化表征，采用光学方法进行表面轮廓测量。

14、本发明还提供一种含划痕缺陷疲劳试验小样的疲劳试验方法，包括如下步骤：

15、第一步、在试验机夹具与传感器之间施加预紧力，并将试样安装在疲劳试验机夹具上，使试样与试验机主轴保持良好的同轴性；

16、第二步、根据试样的横截面尺寸以及应力水平设定疲劳试验具体参数，进行试验，并判断试验有效性；

17、第三步、开展试样宏微观断口分析，采用扫描电镜拍摄断口形貌图；分析裂纹源位置、裂纹扩展趋势、瞬断区形貌等，并进行记录；

18、第四步、整理原始数据，保留有效试验数据，去除无效试验数据，对数据进行统计分析。

19、进一步地，所述第一步包括设置电液伺服疲劳试验机和高频疲劳试验机；所述电液伺服疲劳试验机对金属和非金属材料进行轴向对称性循环疲劳试验，所述高频疲劳试验机用于评估材料在高频循环加载下的疲劳性能和损伤特性。

20、进一步地，所述第二步中，试验有效性判断方法如下：

21、破坏发生在缺陷处的试验结果有效；试样发生失稳或者弯曲百分比超过10%则试验结果无效；试样发生穿过缺陷处的破坏，则试样结果有效；试样破坏区域不在缺陷处，试验结果无效。

22、进一步地，所述第三步中，断口分析包括：

23、1）观察试样的失效区域，通过其形貌，包括河流花纹、扇形花纹、山脊型，找出裂纹源，判断裂纹源类型，包括解理型、准解理型，缺陷，气孔，判断裂纹源的位置，包括试样表面、近表面、内部；

24、2）观察裂纹扩展区域是否存在解理面、瞬断区域的韧窝，以及这些结构的疏密程度，判断试样失效的主要形式；

25、3）在断口观察平面内，观察并记录裂纹源位置及裂纹源数量；裂纹源位于划痕缺陷底端或位于截面内部，根据裂纹数量分为单裂纹源和多裂纹源。

26、有益效果：

27、（1）本发明提供一种含划痕缺陷疲劳试验小样的制备方法，能在工程应用中精确控制划痕几何尺寸，确保试验结果的重复性和可比性；

28、（2）本发明提供一种含划痕缺陷疲劳试验小样的疲劳试验方法，提供高精度的实验数据，为疲劳寿命预测提供坚实的实验依据。

29、本发明通过标准化地引入划痕缺陷，并在严格控制的应力条件下进行疲劳测试，本发明能够获得高精度的疲劳寿命数据。这些数据可用于验证现有的疲劳寿命预测模型，并为工程应用中的材料选择、结构设计和寿命评估提供科学依据。

30、此外，本发明还提出了一种适用于不同材料的划痕预制技术，能够在多种金属和合金材料表面引入可控的划痕缺陷，确保试验的可重复性和数据的可靠性。这种划痕预制技术结合高频疲劳试验方法，可以广泛应用于航空航天、汽车制造、机械工程等领域，对提升结构安全性、延长使用寿命具有重要的工程应用价值。

技术特征：

1.一种含划痕缺陷疲劳试验小样的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

2.根据权利要求1所述的一种含划痕缺陷疲劳试验小样的制备方法，其特征在于，所述第二步包括：

3.根据权利要求1所述的一种含划痕缺陷疲劳试验小样的制备方法，其特征在于，所述第三步包括：

4.一种含划痕缺陷疲劳试验小样的疲劳试验方法，其特征在于，包括如下步骤：

5.根据权利要求4所述的一种含划痕缺陷疲劳试验小样的疲劳试验方法，其特征在于，所述第一步包括设置电液伺服疲劳试验机和高频疲劳试验机；所述电液伺服疲劳试验机对金属和非金属材料进行轴向对称性循环疲劳试验，所述高频疲劳试验机用于评估材料在高频循环加载下的疲劳性能和损伤特性。

6.根据权利要求4所述的一种含划痕缺陷疲劳试验小样的疲劳试验方法，其特征在于，所述第二步中，试验有效性判断方法如下：

7.根据权利要求4所述的一种含划痕缺陷疲劳试验小样的疲劳试验方法，其特征在于，所述第三步中，断口分析包括：

技术总结
本发明提供一种含划痕缺陷疲劳试验小样的制备方法和疲劳试验方法，涉及材料疲劳性能测试领域，首先经过车床加工试样并引入划痕缺陷后，检查缺陷尺寸、试样尺寸和表面质量，确保符合要求。然后将试样安装在疲劳试验机上进行测试，试验结束后分析断口特征，最后处理和分析试验数据。本发明不仅能够为不同材料的疲劳性能提供可靠的数据支持，还可以用于验证现有的疲劳寿命预测模型，并为工程设计和材料选择提供科学依据。本发明适用于航空航天、汽车制造、机械工程等领域，具有广泛的应用前景。

技术研发人员：陈湑龙,胡伟平,余欣莹,曾一村,詹志新,孟庆春
受保护的技术使用者：北京航空航天大学
技术研发日：
技术公布日：2024/12/10