基于数字及图超像导相带关材法的失材超实料验低研温下究断裂特性

摘要

极端复杂环境下材料的多场性能及力学变形测量是当前实验技术研究领域面临的基础难题与挑战。数字图像相关（Digital image correlation DIC）方法是通过图像区域的相关性来获取、分析物体位移、应变等力学量的一种光学测试方法，其具有非接触、全场以及抗电磁干扰等显著优点近年来备受关注。基于DIC测试方法，本文开展了低温环境下材料的断裂特性及超导带材过载流失超现象的实验研究。　　首先，针对典型的断裂力学基本问题——带有中心裂纹的巴西圆盘，开展了圆盘径向压缩下的断裂实验研究。基于I型裂纹的应力强度理论，并结合DIC测试图像，获得了圆盘变形特征以及裂纹尖端处的应力强度因子等，实验测试结果与经典理论预测结果吻合良好，验证了DIC测试方法在结构断裂测试中的有效性。　　其次，为了实现可视化的低温测试环境，自主试制了可视化低温测试杜瓦（基于热传导冷却模式，可实现293K~77K变温），采用DIC测试方法，开展了带有单边裂纹的金属铜带材的力学拉伸实验研究，测量了其低/变温环境下的力学行为（包括全场位移、应变等）与温度的依赖关系等，分析获得了其裂纹尖端处的应力强度因子等断裂特性。进一步地，基于有限元软件 Comsol，对上述实验过程进行了相应的数值仿真研究，获得的定量仿真结果与实验测试结果吻合良好。　　最后，基于非接触的DIC测试方法，开展了高温超导带材过电流失超情形下的力学特性研究，获得了超导带材从超导态到正常态演化过程中的全场应变云图。结果表明：DIC测试方法能够清晰、直观地呈现高温超导带材整个失超过程中应变的变化特征，并有望成为一种基于全场应变的超导结构失超非接触检测新方法。通过将失超发生时的应变信号与电压测试信号进行对比和分析，提出了全场应变判断失超的临界判据。考虑到理想超导带材过电流失超发生时其失超触发位置具有随机性，我们采用中心开洞的超导带材进行了过电流失超实验。研究结果表明：失超发生时圆孔附近的应变先增大，并逐渐向周边传播，该方法能够直观地表征其失超传播的特性。　　本文的实验研究与探索可望为超导材料低温多场下力学性能测试，特别是超导失超过程中的全场应变测试提供一种新的方法与技术。

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