一种利用拉伸单剪方法定性分析多层异质梯度材料最弱界面的方法技术

本发明专利技术公开了一种利用拉伸被搭接了不同界面的样品来定性分析多层材料不同层之间最弱界面的方法。其是将拥有三层及以上的梯度异质材料加工成类似搭接的一体化阶梯结构，并以形式上和一般金属材料试样拉伸测试一样的方式来进行轴向拉伸并实现在多层不同材料结合界面上同时进行单剪操作并观察。在测试过程中，不同材料层之间界面所有的剪切强度不同，其中界面剪切强度最弱的材料界面会在拉伸过程中最先因剪切力作用而被破坏失效，从而定性得到多层异质梯度材料中最弱界面所在。本发明专利技术可以快速判断多层异质梯度材料的最弱界面，为多层异质梯度材料的设计和改进提供基本判据和方向，且方法本身耗材少，时间短，形式简单，成本低。成本低。成本低。

【技术实现步骤摘要】
一种利用拉伸单剪方法定性分析多层异质梯度材料最弱界面的方法


[0001]本专利技术涉及力学检测定性分析领域，准确的说，涉及一种利用拉伸方法使试样产生剪切破坏来定性分析粉末冶金金属基多层异质梯度材料最弱界面的方法。
技术背景
[0002]粉末冶金梯度多层异质材料是多功能，高性能材料的未来发展方向之一。这类材料可以结合多种异质合金的优势特性，例如如钛合金有高耐腐蚀性，耐高温冲击等优异性能，而镁合金有高阻尼特性，低密度优势，同时铝合金有良好的导电导热性能和良好可塑性，将这些材料梯度复合可以得到良好的耐高温高压轻质且抗冲击的材料。这些材料通常拥有较高的强度重量比，优异的耐腐蚀性，高比强度，较低的密度和由优异的强度以及韧性而带来的良好的抗冲击性能，在军事及航空航天等高新技术应用领域均有独特出色的表现。为了实现这些优异性能的良好融合，对粉末冶金梯度多层异质材料不同材料层之间结合界面的研究是重中之重。
[0003]通常而言，搭接两种不同材料并在其搭接界面上进行单剪测试可以得到其搭接界面的抗剪切强度，而这个抗剪切强度是一种很适合表征被搭接在一起的材料之间界面强度的特征，通过对比界面上的抗剪切强度可以找出梯度材料中力学特性上最强和最弱的界面。一般进行相关研究时，探究重点在于如何解决强度最弱的界面所带来的问题。但是，这种方法通常只能测试两种不同材料之间的一个界面强度，当粉末冶金梯度复合材料存在多个界面且想要快速找出其中最弱界面时，对多层界面分别进行测试不仅麻烦耗时，还会造成大量材料损耗，而且对于层厚较小的粉末冶金梯度材料，单取其中两层来制备测试样品的难度也相对较大，而且精准度不好保证。同时，粉末冶金梯度材料有很多是铺粉之后统一烧结一体成型才能保证工艺的完整性，因此多层材料要测单一界面时还需要把其他层的材料和多余的结合界面全部削除，造成大量的材料浪费，同时为同一个材料多次制样也很费时费力。
[0004]因此，现亟待设计出一种参数设定简单，操作快捷方便，准确度相对较高，可定性分析多层梯度异质复合材料最弱界面的方法。

技术实现思路

[0005]在实际研发过程中发现：
[0006]1.在一般梯度异质材料的拉伸测试中，拉伸样最先断裂的界面或材料层并不一定是抗拉强度最低的，也可能是因延伸率不同出现低延伸率高抗拉强度的界面或材料层率先发生断裂的情况，对研究方向产生误导；
[0007]2.即使多层梯度异质材料试样在拉伸试验中于同一位置同时多层材料断裂失效，失效最初起点同样难以判定，这对于后续断口微观研究点位的选取和后续调整强化的思路规划都有不利影响。在工程化实验问题探索中，快速准确的对梯度多层异质材料各层强度
进行定性分析是十分重要且高效的研究需求；
[0008]3.传统梯度材料界面强度测试中常用搭接的方式连接两异质材料并且通过两界面间的剪切强度表征其连接界面强度，这种方法可以定量表征两界面上的不同材料的结合强度，但对于多层梯度异质材料的研究，一次定量研究两界面间结合强度的方法效率太低，同时多层材料中两界面的结合情况也不能代表材料整体的性能，需要经过多层测试。一般情况下，对于材料的研究和改进都会从最弱项着手，因此对多层梯度异质材料中结合强度最弱界面的研究是最有价值的。
[0009]基于上述研究发现，为克服以现有技术的缺点与不足，本专利技术的目的在于提供一种快速定性判断多结合面情况下粉末冶金梯度异质材料最弱结合界面的方法；该方法可以实现通过单一样品一次测试来分辨出粉末冶金多层异质梯度材料中结合强度最弱的结合界面，其参数设定简单，操作快捷方便，测试设备及条件易于获取，样品制备相对容易，耗材少，成本低。
[0010]为达到上述目的，本专利技术方案分为三个步骤：包括样品制备处理，样品夹持和样品剪切拉伸测试。
[0011]样品制备处理是指：取得合适大小的粉末冶金梯度复合材料作为原料，经过线切割和表面处理后将材料加工成对应图示所示样品的形状和规格；去除不同层合金暴露表面所可能产生的氧化层；对样品进行清洗烘干并将打磨光滑；
[0012]样品夹持是指：在样品首尾两端加装合适大小形状的调整垫片使被万用力学仪器夹具夹持住后的样品上下端整体保持与被施加的拉伸力平行；
[0013]所述样品拉伸剪切测试是指：夹持好样品后，按一般拉伸测试方法启动万用力学仪器，拉伸样品直至样品失效断裂。如样品断裂位置在其中两层材料结合面上，则可判断这个结合面强度为材料中所有结合面里最弱的一个；弱样品断裂位置不在结合面而在样品其中一层金属材料上，则说明此合金材料抗拉强度比样品中最弱结合面的结合强度更弱。
[0014]本专利技术一种利用拉伸单剪定性分析多层异质梯度材料最弱界面的方法，
[0015]所述多层异质梯度材料有A1材质层、A2材质层、An材质层组成；其中n 为大于等于2的整数；将所述多层异质梯度材料按材质的不同加工成阶梯状样品；即按材质和阶梯层形成一一对应关系，将n个材质层加工成n阶阶梯状的样品(比如A1材质层被加工成第1阶梯，A2材质层被加工成第2阶梯、第n材质层被加工成第n阶梯)，任意两个阶梯搭接处的面积大于等于对应阶梯面积的 5％；任意一个阶梯的厚度必须等于对应材质层的厚度(即依照阶梯结构按梯度材料原本排布结构进行加工，在样品厚度方向体现原本梯度材料的层次结构)；当n大于2时，A2材质层在垂直于平面方向上的投影形状大小等于A2到An
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1 的任意一层，而所有材料层之间搭接部位在垂直于平面方向上投影面积大小和形状也均相等，且n各阶梯的总厚度大于等于0.5mm；然后利用拉伸设备对样品进行拉伸，直至断裂。
[0016]作为优选方案，本专利技术一种利用拉伸单剪定性分析多层异质梯度材料最弱界面的方法，试样全长不小于40mm、优选为80
‑
140mm，所述试样包括加持端和非加持部分；夹持端宽度不小于3mm、优选为15
‑
25mm，夹持端长度不小于3mm、优选为15
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25mm，对应一般金属拉伸板材试样的“平行段”部位，样品此处宽度不小于0.5mm、优选为5
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10mm。
[0017]在本专利技术中标准试样整体厚度d不小于0.5mm，以提供足够的稳定性和测试精度；所测试样品材料本体的各层异质材料层厚度不要求一致；在夹持样品进行测试时可在样品
头尾两端附加上合适厚度的金属垫片，以保持两夹持端厚度和水平高度的一致，并确保测试过程的稳定性和精度。
[0018]作为优选方案，本专利技术一种利用拉伸单剪定性分析多层异质梯度材料最弱界面的方法，试样非夹持部分的长度为30
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200mm、优选为60
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120mm。
[0019]作为优选方案，本专利技术一种利用拉伸单剪定性分析多层异质梯度材料最弱界面的方法，所测试样品材料本体的各层异质材料层厚度为相等或不相等。
[0020]作为优选方案，本专利技术一种利用拉伸单剪定性分析多层异质梯度材料最弱界面的方法，将所述多层异质梯度材料按材质的不同加工成阶梯本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种利用拉伸单剪定性分析多层异质梯度材料最弱界面的方法，其特征在于：所述多层异质梯度材料有A1材质层、A2材质层、An材质层组成；其中n为大于等于2的整数；将所述多层异质梯度材料按材质的不同加工成阶梯状样品；即按材质和阶梯层形成一一对应关系，将n个材质层加工成n阶阶梯状的样品，任意两个阶梯搭接处的面积大于等于对应阶梯面积的5％；任意一个阶梯的厚度必须等于对应材质层的厚度；且n各阶梯的总厚度大于等于0.5mm；然后利用拉伸设备对样品进行拉伸，直至断裂。2.根据权利要求1所述的一种利用拉伸单剪定性分析多层异质梯度材料最弱界面的方法，其特征在于：试样全长不小于40mm、优选为80
‑
140mm，所述试样包括加持端和非加持部分；夹持端宽度不小于3mm、优选为10
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20mm，夹持端长度不小于3mm、优选为10
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15mm，对应一般金属拉伸板材试样的“平行段”部位，样品此处宽度不小于0.5mm。3.根据权利要求1所述的一种利用拉伸单剪定性分析多层异质梯度材料最弱界面的方法，其特征在于：试样非夹持部分的长度为30
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200mm。4.根据权利要求1所述的一种利用拉伸单剪定性分析多层异质梯度材料最弱界面的方法，其特征在于：所测试样品材料本体的各层异质材料层厚度为相等或不相等。5.根据权利要求2所述的一种利用拉伸单剪定性分析多层异质梯度材料最弱界面的方法，其特征在于：将所述多层异质梯度材料按材质的不同加工成阶梯状样品；即按材质和阶梯层形成一一对应关系，将n个材质层加工成n阶阶梯状的样品；然后再在已有基础上进行切削加工并抛光至其表面粗糙度Ra为3
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【专利技术属性】
技术研发人员：刘文胜，尹潇，刘超，马运柱，
申请(专利权)人：中南大学，
类型：发明
国别省市：