一种基于光学的断裂韧性测量方法技术

一种基于光学的断裂韧性测量方法，通过测量试件的杨氏模量Ｅ，厚度方向泊松比ｖ↓［ｚ］和面内泊松比ｖ↓［ｘｙ］，试件厚度Ｂ，用光学应变测量仪的拍摄装置对裂纹尖端附近区域进行拍照，对试件进行疲劳裂纹预制和加载，直至试件断裂停止，然后进行数值运算，得出Ｊ↓［表面］：进一步得到反映脆性断裂的Ｋ↓［ＩＣ］或得到延性断裂韧性值；本方法可适用于各种强度材料，并在各种工况下的测量，具有测量更加方便，数据更加准确，无需接触测量的优点；经试验证明，该方法只要能够对裂纹进行拍照，就可测量，当需要使用传统方法尚未涉及或无法测量的实验配置时，该方法将会起到重要作用。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及力学测量
，具体涉及。
技术介绍
随着光学测量仪器和计算机技术的发展，光学测量方法由于其大量程，非接触等优点广泛应用于力学实验中，但是目前还没有一套系统的光学断裂韧性测量方法。抗断裂性能是衡量材料，特别是脆性材料的重要指标，中国国家技术监督局、美国机械工程协会等各国相关组织，都颁布了断裂韧性测量的标准，如GB 2038，GB 4461，ASTME813，ASTM E1820，ASTM E1823，但是这些标准都是基于实验机加载过程中力和位移载荷进行计算的，其计算公式如下 其中J为J积分值，U为做功量，B为试件厚度，W是试件宽度，a为裂纹长度。传统方法存在以下缺点一、需要实验机加载的外力和位移值来导出断裂韧性，实验必须在量程合适精度较高的实验机上进行实验，如果实验机量程远高于试件断裂所需载荷，将会引入很大的误差，二、所有的标准都只能给出有限几种实验配置的测量方法，而随着近些年来新材料的涌现，传统方法已经不能满足需要，三、在使用柔度法测量裂纹长度时要使用引伸计，增加了实验的复杂度，而且需要接触测量。
技术实现思路
为了克服上述现有技术的缺点，本专利技术的目的在于提供，可适用于各种强度材料，在各种实验配置和工况下的测量，具有测量更加方便，数据更加准确，无需接触测量等优点。 本专利技术的光学断裂韧性测量方法，其技术原理为 断裂韧性JIC的原型是上世纪在六十年代J.R.Rice按照全量塑性理论提出的路径无关积分 其中J为J积分值，W是应变能密度，T代表作用在曲线Γ的微弧ds上的外应力矢量，u为位移，Γ是任一条从裂纹下表面开始按逆时针方向绕裂纹顶端且终止于裂纹上表面的曲线。本专利技术通过光学方法测得的裂纹尖端附近的应变和位移场，使用数值算法求出这一守恒积分，但由于光学方法是对试件表面进行拍照，所以只能得到试件表面的J表面积分值，而与断裂韧性直接相关的是试件中面的J积分值J中面(也可认为是试件沿厚度方向的J积分的平均值，但因为试件整体仍主要处于平面应变情况下，二者可以认为相等)，其在试件脆性断裂时被认为是断裂韧性值。为了联系测量J表面值和与断裂韧性直接相关的J中面面值，本专利技术通过有限元计算得到了试件表面J表面积分与试件中面J中面积分的比例关系，发现其只受试件厚度(沿裂纹贯穿方向)和厚度方向泊松比的影响 fB＝ (3) fv＝ 其中J表面和J中面为试件表面和中面的J积分值，α为二者比例系数，B为试件厚度，vz为试件厚度方向的泊松比。fB和fv分别为试件厚度和泊松比的1次，2次和3次幂对α影响的系数矩阵。可以明显看出，当厚度方向泊松比为0或者厚度为0时，表面和中面值相同α＝1，因为这时试件全部处于平面应力状态。 这样，基于光学应变测量仪测得的应变和位移场，在通过由公式(2)和编写的相应数值算法获得试件表面J积分值的基础上，再经过公式(3)转化，就可以最终在确定试件在断裂时中面J中面C积分的值， 如果是脆性断裂，J中面C值就是断裂韧性值，并可以通过如下转化关系得到反映脆性断裂的KIC JIC＝J中面C (4) 如果是延性断裂，则取多个中面J中面积分做JR曲线，得到延性断裂韧性值。由于在塑性区泊松比会发生变化，所以本专利技术适用于脆性断裂或发生塑性变形时厚度方向泊松比不变的情况。 本专利技术还可以直接测量试件槽口距离变化，然后用柔度法估计裂纹长度，这一技术在控制疲劳预置裂纹长度和确定裂纹扩展量方面都很有帮助。 为了达到上述目的，本专利技术采用的技术方案为 ，包括以下步骤 第一步，测量试件的杨氏模量E，厚度方向泊松比vz和面内泊松比vxy，试件厚度B； 第二步，将试件按照所需的实验配置固定，并用光学应变测量仪的拍摄装置准备对裂纹尖端附近区域进行拍照； 第三步，对试件进行疲劳裂纹预制； 第四步，将试件按照所需配置布置好，使用加载实验机对试件进行用力控制方法或位移控制方法进行加载，直至试件断裂，同时使用光学应变测量仪对试件进行拍照，拍照间隔为两秒； 第五步，对脆性断裂发生前的由光学应变测量仪通过所拍照片测得的位移场和应变场按照如下公式进行数值运算，得出J表面 首先，通过平面应力情况下的弹性本构关系得到应力场 τxy＝2μεxy(8) 其中θ为体积应变，μ，λ为拉梅常数，表达式如下 θ＝εx+εy (9) 其中εx，εy，γxy为应变分量，由光学应变测量仪得到；E为杨氏模量，v为泊松比。由应变场和应力场得到每一点的应变能密度 σx，σy，τxy为应力分量；W为应变能密度。 最后，还需要计算面力分量Tx和Ty Tx＝σxnx+τxyny(13) Ty＝τxynx+σyny(14) 其中σx，σy，τxy已经在前边得出，nx，ny为积分环路外法线方向与x轴和y轴的夹角余弦值，使用直线进行环路积分，将式 转化为数值算法算式 此式适用于三点弯曲时裂面平行于y轴，垂直于x轴的情况，其中u＝ux，uy)为位移矢量，直接测得，为已知量，W，T＝(Tx，Ty)已经在前边得出；i为积分路径上的光学应变仪测得的数据进行拟合后的数据点，Δs为数据点之间距离，数据点的间隔为0.02mm-0.04mm 由于J积分的路径无关性，可以同时选择至少两条积分路径进行计算，选区方法如下 首先，在垂直裂面方向应变为0.2％的等应变线以外1.5mm-3mm的范围内选择两条积分路径作为内积分路径和外积分路径，然后在两条积分路径之间等间距选择40-70条积分路径，计算每条路径的积分结果，由于J积分的路径守恒性，在1.5mm范围内，不同积分路径结果相差小于10％，即可认为这些积分结果的平均值是J表面，如果发现积分值相差大于10％，应重新选择积分区域，满足要求； 如果是脆性断裂，则对脆性断裂发生前的由光学应变测量仪通过所拍照片测得的位移场和应变场进行数值微积分运算得到J表面； 如果是针对厚度方向泊松比小于0.05的延性材料，则选取裂纹扩展后，断裂前的6张照片进行数值微积分运算得到六个J表面值； 第六步将试件厚度B、厚度方向泊松比vz和面内泊松比vxy代入下式 fB＝ (17) fv＝ 求得比例系数α，如果为脆性断裂，则试件断裂时试件中面的J积分值J中面C即为材料的断裂韧性，可由有断裂时试件表面的J积分值J表面C通过以下方式得到 还可按照 进一步得到反映脆性断裂的KIC； 如果是采用厚度方向泊松比vz＝0的材料测量延性断裂韧性，此时α＝1，J表面＝J中面，则用第五步中计算的J中面值，按照延性断裂韧性的确定方法，做阻力曲线和0.15mm钝化线，得到延性断裂韧性值。 本专利技术由于不需要记录所加外力和位移载荷，所以适用于各种强度材料；由于能够适用于各种不同的实验配置，只要能对裂纹表面进行拍照就可以测量，甚至可直接在工况下应用，因而适用范围大；由于使用光学方法测量，所以能更加方便和准确的估计裂纹长度。 附图说明 图1是本专利技术的积分路径选取矩形的示意图，图中等势线是x方向应变值随坐标x和y的不同产生的本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于光学的断裂韧性测量方法，其特征在于：包括以下步骤：　第一步，测量试件的杨氏模量（Ｅ），厚度方向泊松比（ｖ↓［ｚ］）和面内泊松比（ｖ↓［ｘｙ］），试件厚度（Ｂ）；　第二步，将试件按照所需的实验配置固定，并用光学应变测量仪的拍摄装置准备对裂纹尖端附近区域进行拍照；　第三步，对试件进行疲劳裂纹预制；　第四步，将试件按照所需配置布置好，使用加载实验机对试件进行用力控制方法或位移控制方法进行加载，直至试件断裂，同时使用光学应变测量仪对试件进行拍照，拍照间隔为两秒；　第径，计算每条路径的积分结果，由于Ｊ积分的路径守恒性，在１．５ｍｍ范围内，不同积分路径结果相差小于１０％，即可认这些积分结果的平均值是Ｊ↓［表面］，如果发现积分值都相差大于１０％，应重新选择积分区域，满足要求；　如果是脆性断裂，则对脆性断裂发生前的由光学应变测量仪通过所拍照片测得的位移场和应变场进行数值微积分运算得到Ｊ↓［表面］；　如果是针对厚度方向泊松比小于０．０５的延性断裂材料，则选取裂纹扩展后，断裂前的６张照片进行数值微积分运算得到六个Ｊ↓［表面］值；　第六步：将试件厚度Ｂ、厚度方向泊松比ｖ↓［ｚ］和面内泊松比ｖ↓［ｘｙ］代入下式：　＊＊＊　ｆ↓［Ｂ］＝［０．２３４９５／ｍｍ－０．０２１７７３／ｍｍ↑［２］　０．０００７２６４１／ｍｍ↑［３］］　（１２）　ｆ↓［ｖ］＝［０．９６３６４　１．３６０６－０．２３７６５］　求得比例系数α，如果为脆性断裂，则试件断裂时试件中面的Ｊ积分值Ｊ↓［中面Ｃ］即为材料的断裂韧性，可由有断裂时试件表面的Ｊ积分值Ｊ↓［表面Ｃ］通过以下方式得到：　Ｊ↓［ＩＣ］＝Ｊ↓［中面Ｃ］＝Ｊ↓［表面Ｃ］／α　（１３）　还可按照＊＊＊进一步得到反映脆性断裂的Ｋ↓［ＩＣ］；　如果是采用厚度方向泊松比ｖ↓［ｚ］＝０的材料测量延性断裂韧性，此时α＝１，Ｊ↓［表面］＝Ｊ↓［中面］，则用第五步中计算的Ｊ↓［中面］值，按照延性断裂韧性的确定方法，做阻力曲线和０．１５ｍｍ钝化线，得到延性断裂韧性值。五步，对脆性断裂发生前的由光学应变测量仪通过所拍照片测得的位移场和应变场按照如下公式进行数值运算，得出Ｊ↓［表面］：　首先，通过平面应力情况下的弹性本构关系得到应力场：　σ↓［ｘ］＝２λμ／（λ＋２μ）θ＋２με↓［ｘ］　（１）　σ↓［ｙ］＝２λμ／（λ＋２μ）θ＋２με↓［ｙ］　（２）　τ↓［ｘｙ］＝２με↓［ｘｙ］　（３）　其中：θ为体积应变，μ，λ...

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：陈常青，金明钊，赵天飞，
申请(专利权)人：西安交通大学，
类型：发明
国别省市：87[中国|西安]