一种超声激励控制脆性材料表面及贯穿裂纹尺寸的方法技术

本发明专利技术提供了一种超声激励控制脆性材料表面及贯穿裂纹尺寸的方法，首先脆性材料预制表面裂纹或贯穿裂纹或深埋裂纹，此时裂纹难以满足要求，然后将超声波激励头放置到脆性材料表面，超声发生仪产生超声波，超声波通过材料表面，穿透整个材料体，由于预制裂纹的存在，超声波在裂纹处力学扰动，超声波的机械振动转化为裂纹处的机械能，裂纹产生扩展开裂，开裂直至裂纹尺寸满足要求，停止超声波输入，由此得到符合尺寸要求的表面或贯穿裂纹。本发明专利技术所述的超声激励控制脆性材料表面及贯穿裂纹尺寸的方法，方法简单、合理，高效，操作简便，控制准确，使用经济，控制准确，且制作出的裂纹与岩石、混凝土、玻璃、陶瓷等脆性材料裂纹真实性态更加接近。

A method of ultrasonic excitation to control the surface and penetration crack size of brittle materials

The invention provides a control method for brittle materials surface and through crack sizes for ultrasonic excitation, the prefabricated cracks on the surface of brittle materials or through deep cracks or crack, the crack can't meet the requirements, and then placed into the head of ultrasonic excitation of brittle material surface, the ultrasonic generator generates ultrasonic, ultrasonic wave through the material surface, penetrate the entire the material, due to the pre crack, crack in ultrasonic wave mechanics, mechanical vibration ultrasonic crack into mechanical energy, crack expansion cracking, cracking the crack size to meet the requirements, stop the ultrasonic input, which meets the size requirements of the surface or through cracks. Control of brittle materials and methods of surface crack size through the ultrasonic excitation method is simple and reasonable, high efficiency, simple operation, accurate control, the use of economic, accurate control, crack and rock, concrete, glass, ceramics etc. the authenticity of the state and crack of brittle material produced closer to.

【技术实现步骤摘要】
一种超声激励控制脆性材料表面及贯穿裂纹尺寸的方法
本专利技术属于脆性固体(如金属、岩石、混凝土、陶瓷)断裂力学研究及工程安全预测与评估领域，涉及一种超声激励控制脆性材料如岩石、混凝土、陶瓷、玻璃表面及贯穿裂纹尺寸的方法。
技术介绍
含有内部裂纹的岩石、混凝土、陶瓷、玻璃等脆性材料断裂问题是工程界的一个基本问题，如大尺度岩石剧烈断裂会造成地震；岩石裂纹扩展直至整体断裂会引起水利、交通隧洞的塌垮事故。混凝土结构广泛存在于人类日常生活中，混凝土工程事故也和混凝土中原有裂纹扩展直至整体断裂有关。因此，脆性材料中存在的表面和贯通裂纹的扩展破坏规律一直是土木工程界关注的重要问题。裂纹根据在材料中发生位置不同，可以分为以下三类裂纹：表面裂纹是指，有一面是开裂至材料表面的裂纹，裂纹其余部分都在材料内部。如用刀具刺入材料，但是未刺穿，刀具拔出后形成的裂纹就是表面裂纹。贯穿裂纹是指，有2面开裂至材料表面的裂纹，裂纹其余部分都包裹在材料内部。如用刀具刺穿材料，拔出后形成的裂纹为贯穿裂纹。内部深埋裂纹是指存在于材料内部的裂纹，并且完全被完整材料介质包裹，未开裂至材料表面的裂纹。研究脆性材料中的表面和贯穿裂纹本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种超声激励控制脆性材料表面及贯穿裂纹尺寸的方法，其特征在于：包括以下步骤：脆性材料预制表面裂纹或贯穿裂纹或深埋裂纹，超声波通过材料表面穿透整个材料，经过裂纹时，超声波的机械振动转化为裂纹处的机械能，裂纹尖端的机械振动使裂纹扩展，直到扩展到尺寸符合要求的表面裂纹或贯穿裂纹，停止超声波输入。

【技术特征摘要】
1.一种超声激励控制脆性材料表面及贯穿裂纹尺寸的方法，其特征在于：包括以下步骤：脆性材料预制表面裂纹或贯穿裂纹或深埋裂纹，超声波通过材料表面穿透整个材料，经过裂纹时，超声波的机械振动转化为裂纹处的机械能，裂纹尖端的机械振动使裂纹扩展，直到扩展到尺寸符合要求的表面裂纹或贯穿裂纹，停止超声波输入。2.根据权利要求1所述的超声激励控制脆性材料表面及贯穿裂纹尺寸的方法，其特征在于：通过超声波能量公式控制能量的输入的大小，从而控制裂纹扩展尺寸；通过超声波输入方向控制裂纹扩展方向。3.根据权利要求2所述的超声激励控制脆性材料表面及贯穿裂纹尺寸的方法，其特征在于：所述超声波能量公式为E＝2π2f2A2ρ，其中f为换能器发出超声波频率；A为超声波振幅；ρ为材料密度。4.根据权利要求3所述的超声激励控制脆性材料表面及贯穿裂纹尺寸的方法，其特征在于：所述超声波频率f的范围为20-100kHz，超声波振幅A的范围为30-200μm。5.根据权利要求1-4任一项所述的超声激励控制脆性材料表面及贯穿裂纹尺寸的方法，其特征在于：所述脆性材料预制表面裂纹或贯穿裂纹或深埋裂纹的方法，包括以下步骤：取一完整透明脆性材料，选定预制裂纹的位置；通过透镜聚焦激光，所述激光的能量密度在进入透明脆性材料及到达预制裂纹的位置之前低于透明脆性材料的破坏阈值，在预制裂纹的位置超过透明脆性材料的破坏阈值；激光脉冲使透明脆性材料受热破裂，在预制裂纹的位置覆盖区域产生一破裂点；重复上述过程，在所述覆盖区域内形成由一组破裂点组成的破裂面，同时破裂面外边缘形成一圈整齐的裂纹扩展区并与所述破裂面相连，得所述表面裂纹或贯穿裂纹或深埋裂纹，而透明脆性材料的其余部分保持原样。6.根据权利要求5所述的超声激励控制脆性材料表面及贯穿裂纹尺寸的方法，其特征在于：所述激光波长为532nm或1064nm，脉宽为1-30ns，脉冲能量为1-300mJ；所述破裂点大小为5-80μm；所述破裂点...

【专利技术属性】
技术研发人员：王海军，任然，张汉云，汤雷，钟凌伟，张九丹，陶冉冉，李欣昀，王柳江，
申请(专利权)人：水利部交通运输部国家能源局南京水利科学研究院，
类型：发明
国别省市：江苏,32