裂纹分析

复合材料的微裂纹和断裂力学一直是困扰科研人员的难题， 对于类似金属材料的断裂力学研究已经有了丰硕的成果；但是复合材料的断裂力学机理和过程， 一直没有较好的测试技术和设备商品化， 贝斯特公司的研发人员通过多年的科研经验和创新的工作， 开发了碳纤维复合材料微裂纹动力学测试技术， 通过该技术可以在线原位扫描样品在外力作用下，内部裂纹的扩展机理和动力学；为科研人员提供一臂之力。 此系统主要由Nano系列动态试验机和原位扫面测试系统、多通道控制系统和专业软件组成。 涡流检测原理：通过感应磁场和微裂纹相关性测试碳纤维复合材料的裂纹动力学。 由于导电材料不均匀会导致磁导率、电导率不同，使涡流流通路径发生改变，导致涡流的大小、相位发生改变。如果被检测件存在缺陷(如表面裂纹)，则会阻碍涡流流过，因涡流只能存在于导体材料中，故导致涡流流通路径的畸变，最终影响涡流磁场，使得涡流强度降低。 构造配置： 技术参数：* 400x400毫米扫描区域* 探针直径1 & 3 mm* 速度Up to 100 mm/s, 同步数据采集up to 5 kHz* 样品厚度 t 8 mm* 3-轴位置控制 X, Y旋转编码器； Z 激光位置反馈* 作为独立的完全集成 “工作站”测试系统控制器。独立的扫描应用* 单通道输出信号，整流直流(0-10V)* X, Y &与负载、行程、应变等信号的记录* 轴向和横向的合规性应用：

可以利用维氏硬度压痕裂纹计算材料的断裂韧度，尤其适合表征硬脆材料的断裂性能。学者提出了很多半经验半定量的关系式。裂纹主要有巴氏（Palmqvist或径向）和中位（Median）裂纹两种形式，有些公式适用于特定的裂纹形式，有些公式对两种（Both）裂纹形式都适用。微米硬度实验设备简单，测试方便，分析直接，不仅在工程实践中有广泛应用，也是评估材料断裂韧度的有效工具。断裂韧度作为衡量材料抵抗裂纹扩展能力的力学性能指标通常用临界应力强度因子KⅠC表示，单位为MPam0.5。字母K为应力场强度因子，反映的是裂纹尖端区域应力场强弱；字母C指的是裂纹扩展的临界情况；下标罗马数字Ⅰ是指裂纹扩展形式为张开型，脆性材料的裂纹扩展类型为Ⅰ型。测量材料KⅠC的方法主要有：山形切口梁法(C. N. B)、单边预裂梁法(S. E. P. B)、表面弯曲裂纹法(S. C. F)、单边切口梁法(S. E. N. B)、单边V形切口梁法(S. E. V. N. B)、短V形切口杆法(S. R)、双扭法(D. T)、双悬臂梁法(D. C. B)、微米划痕法、纳米压痕法和维氏压痕法等。S. R、D. C. B和S. E. P. B法的测试试样难生产、成本高，难以广泛使用；S. E. N. B、S. E. V. N. B和C. N. B法加工试样缺口较困难；D. T法试件的几何尺寸会对测量值产生影响；S. C. F法必须要去除足够深度的表面层来消除残余应力场，才能保证KⅠC不被高估；微米划痕法需要考虑压头的磨损以确保测试结果的准确性；而压痕法具有制备试样简单、测试效率高、以及综合成本低等优点，已被广泛应用于表征陶瓷材料、硬质合金和玻璃材料的断裂韧度。虽然基于Griffith-Irwin平衡断裂力学的压痕法可以反映材料断裂的特征，有效表征材料的断裂韧度，但是使用压痕法确定KⅠC仍然存在不足，依然有争论，比如：诸多半经验半定量的公式在实际应用中受到裂纹模式(径向，中位，横向等)多样复杂的影响，计算的KⅠC结果不可靠；不适用于低泊松比的材料。如何根据不同的材料、不同的压头选择适合的公式和载荷，是当前利用压痕裂纹法表征材料断裂韧度亟需解决的问题。各种依据维氏硬度压痕裂纹长度计算断裂韧度的表达式列于表1，对于不同的裂纹模式有不同的表达式。裂纹主要有两种类型，见图1：一种是基于半椭圆型的中位裂纹(Median crack)；另一种是基于半月状的巴氏裂纹(Palmqvist crack)或径向裂纹(Radial crack)。可以基于曲线拟合的方法得到同时适用于两种(Both)裂纹模式的表达式。典型硬脆材料的压痕裂纹见图2，需要测量压痕的接触半径a和裂纹长度c，可以计算得到l=c-a。维氏硬度HV可以由载荷F除以残余压痕面积AV得到：式中，AV考虑了压痕的倾斜表面(sin68°可以由压头形状获得)，而不是压痕的投影面积；d (= 2a) 是压痕两个对角线长度的平均值；当F和d的单位分别是mN和μm时，维氏硬度的单位是GPa。值得注意的是工程上使用的维氏硬度没有单位，而且相关标准里面也没有单位，这不利于各种测试方法的比较，无法有效服务于科学研究。可见，即使维氏硬度如此基础、简单、成熟，仍然有待进一步发展。由于仪器化压入的兴起，压入硬度HIT是根据投影面积定义，并且努氏硬度HK也是根据投影面积计算，传统的维氏硬度HV可以通过投影面积转换成梅氏硬度(Meyer hardness)HMV(=2F/d2), 便于各种硬度之间的比较。表1中的维氏硬度HV也可以转换成HMV。表 1 利用维氏硬度HV计算材料的断裂韧度Kc[1]注: ϕ = 3, β2 = 0.059[15], Φ = -1.59-0.34ξ-2.02ξ2+11.23ξ3-24.97ξ4+16.32ξ5, ξ = lg(c/a). E是材料的弹性模量. Hv可以在每个载荷下多次测量取平均值，作为某一载荷下的Hv.图 1 维氏硬度压痕裂纹模式示意图图 2 典型硬脆材料的维氏硬度压痕裂纹[1, 15, 16]作者简介刘明，福州大学机械工程及自动化学院教授，全国钢标准化技术委员会力学及工艺性能试验方法分技术委员会金属材料微试样力学性能试验方法工作组（SAC/TC183/SC4/WG1）委员，ISO 14577系列国际标准制修订国内工作组成员。1985年出生于哈尔滨市，哈尔滨工业大学材料科学与工程学院本科、硕士，2012年12月获肯塔基大学（美国）材料科学与工程专业博士学位，法国巴黎高科矿业工程师学校材料研究所博士后，华盛顿州立大学（美国）博士后。2015年4月入职福州大学机械工程及自动化学院机械设计系力学教研室，获评福建省闽江学者特聘教授、福州大学旗山学者海外人才、福建省高层次境外引进C类人才，主要研究领域为微观力学及仪器化压入划入测试方法。作者邮箱：mingliu@fzu.edu.cn QQ：290716672 微信：hasanzhong参考文献[1] M. Liu, D. Hou, Y. Wang, G. Lakshminarayana, Micromechanical properties of Dy3+ ion-doped (Lu Y1-x)3Al5O12 (x = 0, 1/3, 1/2) single crystals by indentation and scratch tests, Ceramics International, 49 (2023) 4482-4504.[2] K. Niihara, A fracture mechanics analysis of indentation-induced Palmqvist crack in ceramics, J. Mater. Sci. Lett., 2 (1983) 221-223.[3] Z. Laiqi, H. Yongan, H. Lei, L. Jun-pin, Determination of empirical equation of fracture toughness for Mo5SiB2 alloy by indentation method, Trans. Mater. Heat Treat., 38 (2017) 178-183.[4] M. Laugier, New formula for indentation toughness in ceramics, J. Mater. Sci. Lett., 6 (1987) 355-356.[5] D. Shetty, I. Wright, P. Mincer, A. Clauer, Indentation fracture of WC-Co cermets, J. Mater. Sci., 20 (1985) 1873-1882.[6] B.R. Lawn, M. Swain, Microfracture beneath point indentations in brittle solids, J. Mater. Sci., 10 (1975) 113-122.[7] K. Tanaka, Elastic/plastic indentation hardness and indentation fracture toughness: the inclusion core model, J. Mater. Sci., 22 (1987) 1501-1508.[8] B.R. Lawn, E.R. Fuller, Equilibrium penny-like cracks in indentation fracture, J. Mater. Sci., 10 (1975) 2016-2024.[9] A.G. EVans, E.A. Charles, Fracture toughness determinations by indentation, J. Am. Ceram. Soc., 59 (1976) 371-372.[10] K. Niihara, R. Morena, D. Hasselman, Evaluation of KIc of brittle solids by the indentation method with low crack-to-indent ratios, J. Mater. Sci. Lett., 1 (1982) 13-16.[11] G. Anstis, P. Chantikul, B.R. Lawn, D. Marshall, A critical evaluation of indentation techniques for measuring fracture toughness: I, direct crack measurements, J. Am. Ceram. Soc., 64 (1981) 533-538.[12] C. Terzioglu, Investigation of some physical properties of Gd added Bi-2223 superconductors, J. Alloys Compd., 509 (2011) 87-93.[13] J. Lankford, Indentation microfracture in the Palmqvist crack regime: implications for fracture toughness evaluation by the indentation method, J. Mater. Sci. Lett., 1 (1982) 493-495.[14] J.E. Blendell, The origins of internal stresses in polycrystalline Al2O3 and their effects on mechanical properties, Massachusetts Institute of Technology, 1979, pp. 1-47.[15] M. Liu, Z. Xu, R. Fu, Micromechanical and microstructure characterization of BaO-Sm2O3–5TiO2 ceramic with addition of Al2O3, Ceramics International, 48 (2022) 992-1005.[16] 刘明, 侯冬杨, 高诚辉, 利用维氏和玻氏压头表征半导体材料断裂韧性, 力学学报, 53 (2021) 413-423.

一个生产部件和组件的制造商向一个供应商订购了一批SS304不锈钢管材。制造商要对1800件管材进行切割和机械加工，然后再通过焊接方式将这些管材制造成更大的子装配件。不久，管理人员在无损检测（NDT）过程中发现了焊缝中有裂纹。接下来，立即叫停所有的生产过程，以对生产质量进行控制，直到查出问题的原因。调查的内容包括根据他们的标准操作程序（SOP）核查焊接保护气体、焊丝和焊接机的设置情况。但是，接着对焊缝的检测仍然表明存在着裂纹。质量控制经理建议对原始管材的材料证书进行核查。不出所有人所料，证书上清楚地表明这些管材就是他们所订购的SS304不锈钢管材。他们还在系统内部进行了其它方面的核查，但是一直没有找到问题的原因。 质量控制经理一筹莫展。还有什么情况他们没有核查？结果发现，他们实际上一直没有核实所接收的管材是否是SS304不锈钢管材。如果在接收这批管材时使用手持式X射线荧光（XRF）技术对货物进行核查，他们就会发现所收到的货物实际上是SS303不锈钢，这个牌号的不锈钢与SS304不锈钢的不同之处是多了硫元素，因而更容易进行机械加工处理，但是在焊接过程中却非常容易出现高温裂纹。如果在收到管材时对管材进行核查，以确保管材与材料证书所述的情况相符，则可以避免出现这种问题。而现在，制造商不仅被迫花费了很多宝贵的时间寻找问题的原因，而且还留下了一些已经开始制造，但是却无法使用的产品。不过，最终制造商还是很幸运，因为他们在出货之前发现了这个问题。如果他们所制造的部件在使用中出现了故障，则问题可能会变得更为严重。 如果这个制造商采用了整体验证计划对来料进行核查，则几乎可以消除加工错误材料的风险。那么，我们为什么会在制造过程中发现使用了错误的材料呢？这是因为每次材料运输时，无论是在工厂、库存商的仓库或服务中心，还是在制造商的仓库，或者在任何制造过程中，都会出现混料的风险。不正确的材料证书、不正确的标记，以及较差的追溯性都会导致材料出现混淆。 要想改变这种不良状况，在每个阶段对材料进行验证至关重要。手持式XRF分析仪就是一种广受欢迎的验证工具。我们的Vanta分析仪有助于制造商在制造过程的每个阶段，验证将要使用的材料是否是希望使用的材料。Vanta分析仪具有检测迅速、坚固耐用的特性，不仅可以在几秒钟之内提供准确的合金识别信息，而且可以在工业环境中持续正常地工作。借助选配的无线连通功能，用户还可以将分析仪连接到奥林巴斯科学云系统，从而可以轻松地将分析仪集成到任何智能制造设施中。奥林巴斯手持式X射线荧光分析仪可对包括镁和铀在内的很多元素进行快速无损分析，可检测出的含量从百万分率到100%。分析仪在检测速度、检出限及可检元素的范围方面具有优质性能。这款分析仪的外壳符合工业设计标准，极为坚固耐用，可以在恶劣的环境中正常工作。新型Vanta系列仪器性能改进：坚固耐用，高效多产仪器配备SD存储卡可使用WI-FI，蓝牙(Bluetooth)适配器进行数据传输可使用USB闪存盘进行方便快速的数据传输Axon技术提高分析结果的精准性IP 55/54—防尘防水坠落测试(MIL-STD-810G)探测器快门闸保护及聚酰亚胺网眼保护