[发明专利]一种在介观尺度捕捉块体材料裂纹萌生的试样及制作方法

说明书

本发明涉及一种在介观尺度捕捉块体材料裂纹萌生的试样及制作方法，包括两端的夹持部分、中间的测试部和弧型切口；两端的夹持部分之间的测试部为内凹弧线旋转体结构，直径均小于两端的夹持部分的直径，横截面积最小的横截面定义为测试截面，测试截面部位设有敞开的切口。本发明的独特优势在于：可针对块状材料测试更大的载荷：节省设备资源：电镜只在观察时使用，而在长时间的疲劳加载是在电镜外部进行，大大节省了设备资源；裂纹萌生位置集中：能以极高的概率观测到裂纹的萌生和长大过程。极大的提高了扫描电子显微镜(SEM)的观测速度和准确性。

技术领域

本发明属于材料微观组织测试工程技术领域、测量装置领域，涉及一种在介观尺度捕捉块体材料裂纹萌生的试样及制作方法。适用于介观尺度，采用二次电子和背散射电子信号进行原位观察试样结构，可用于考察疲劳加载进程中下介观尺度的单晶及多晶块体材料微观组织演化特征，以及微纳裂纹萌生。尤其对金属材料适用。

背景技术

在介观尺度下原位(in situ)观察晶体材料的微结构及其表征参量的演化规律对研究疲劳裂纹的萌生和生长具有重要作用。介观尺度下的各种观察手段是一项重要的研究内容。随着二次电子和背散射电子观测技术的不断发展，许多相关技术被发展出来。

文献：专利公开号为CN102346117A(扫描电镜下微弧度级精度原位扭转材料力学性能测试装置)，提供了一种方法可在各类成像仪器的观测下开展针对三维宏观试件的跨尺度原位扭转测试以及扭转作用下的微观变形和损伤过程进行原位观察。该专利主要是针对纤维类试样的测试。

文献：公开号CN102033003A(基于原位观察的薄板动态拉伸试验方法)，该方法采用加工有两个对称的圆弧凹面的试样，通过同时观察试样表面和斜面的变化，实现了薄板动态拉伸的观察。主要是针对薄板动态拉伸实验进行的原位观察。

随着研究的发展，不局限于针对纤维和薄板试样的观察，针对块体材料的原位观察方法也不断出现。

文献：专利CN201720578369(一种可用于微观原位观察的轴向拉伸疲劳试验装置)提供的一种方法；能够满足轴向拉伸及疲劳试验过程中试样360°全方位原位观测的实验需求，可与光学显微镜、扫描电子显微镜(SEM)等仪器结合使用构成围观实验观察装置。对试样每旋转一定角度成像一次，当试样旋转360°后完成图像的采集，同时利用样品台的上下位置调节功能，对试样的不同位置进行观察。

文献：专利CN201810710045(织构演化原位观察实验装置、系统及应用方法)，提供了一种织构演化原位观察实验系统及应用方法。适用于不同尺寸的三点弯曲试样。

上述专利所描述的技术条件下，要想提高分辨率和放大倍率实现纳微介观尺度的原位观察，一种重要方法就是使用二次电子和背散射电子观测方法。因二次电子和背散射电子的观测存在真空要求，所以试样和加载装置必须安装在真空环境中。带来的结果是试样和加载装置尺寸受制于SEM真空室的有限容积，必须尽可能做得紧凑，而且不能和真空室的电极产生干扰。

由此，产生三个方面的问题：其一，小的载荷只能对应微小试样，导致应力状态以平面应力为主，与真实承力结构中平面应变状态不符，可导致错误结果。其二，由于加载频率无法提高，导致工程中最关心的长寿命(106-109循环)损伤及开裂机制研究无法进行。其三面临放大倍率越高，观察视野越小的矛盾。导致观察区域正好捕捉到裂纹。

综上，在现有技术条件下，以上矛盾制约了块体晶体材料大载荷高循环加载条件下的介观尺度演化的研究。

发明内容

要解决的技术问题

为了避免现有技术的不足之处，本发明提出一种在介观尺度捕捉块体材料裂纹萌生的试样及制作方法，解决大载荷块体金属材料高循环加载条件下的介观尺度演化观察无法进行的问题。

技术方案