原位测量疲劳裂纹扩展长度的新方法

摘要

本发明涉及一种原位测量疲劳裂纹扩展长度的方法。本发明的优点和特征在于：a)将100倍金相显微镜、容栅传感器、信号处理系统、CCD摄像头、计算机等进行集成，实现了数据采集和处理一体化，实现了原位、实时测量疲劳裂纹扩展长度；b)解决了通常采用的普通读数法测量耗时长、操作繁琐、容易对后续测量产生不利影响的缺点；c)采用容栅传感器，将获取的位移信号转换成电信号，通过信号传输和转换设备得到最终的裂纹长度，实现了半自动测量；d)将CCD摄像头通过金相显微镜采集到的实时图像传递到计算机，实现了整个测试过程的可视化，解决了传统测量只能观察结果，无法直接观测过程的难题。

说明书

技术领域

本发明涉及一种可以在疲劳性能测试过程中原位测量疲劳裂纹扩展长度的新方法，可实现疲劳列为扩展长度的实时在线测量。本发明属于材料的力学性能测试领域。

背景技术

疲劳是指材料、零件和构件在循环加载下，在某点或某些点产生局部的永久性损伤，并在一定循环次数后形成裂纹或使裂纹进一步扩展直到完全断裂的现象。引述美国试验与材料协会（American Society for Testing and Materials, ASTM）在“疲劳试验及数据统计分析之有关术语的标准定义”( EZ06-72) 中所作的定义：在某点或某些点承受挠动应力，且在足够多的循环挠动作用之后形成裂纹或完全断裂时，材料中所发生的局部永久结构变化的发展过程，称为“疲劳”。

材料在远低于其强度极限的循环载荷作用下发生破坏的现象，称为疲劳破坏。疲劳破坏主要有以下特征：

1）只有在材料承受循环载荷作用时，疲劳才会发生。

2）疲劳是一个“发展过程”，这一过程发生在一段时间内。“形成裂纹”和“断裂”，是这一发展过程中不断形成的损伤累积的结果。

3）疲劳通常在某局部区域内发生，而不是由整个结构或构件所控制。

4）疲劳过程是结构内部永久变化造成损伤的累积过程。

在现代工程的各个方面，主要零件和构件，大多在循环载荷的作用下工作，疲劳破坏是其主要的失效形式。随着现代工业的发展，对材料的疲劳性能的要求也逐步提高，因此研究材料的疲劳破坏机理，从而寻求提高材料疲劳性能的方法，具有明显的社会效益和经济价值。

目前，通常采用的材料疲劳抗力指标有疲劳强度、过载持久值、疲劳缺口敏感性、疲劳裂纹扩展速率以及疲劳裂纹扩展门槛值等。而其中采用最多的评价材料疲劳性能的指标是疲劳裂纹扩展速率(da/dN)和疲劳裂纹扩展门槛值(ΔK_th)，尤其是ΔK_th已经成为衡量材料和重要部件疲劳性能最重要的指标。根据GB/T 6398-2000中的相关规定，定义疲劳裂纹扩展速率等于1×10^-7mm/cycle所对应的应力强度因子范围值为ΔK_th。

影响材料的疲劳门槛值的因素很多，下面就疲劳测试过程中可能涉及的相关参量作简单介绍（以GB/T6398-2000中规定的标准紧凑拉伸（Compact Tension, CT）试样为例）：

1）循环数N：力循环的次数。

2）疲劳裂纹扩展速率da/dN：力循环一次的疲劳裂纹的扩展量，国标中表示为疲劳裂纹尖端应力强度因子ΔK的函数。

3）应力强度因子K：裂纹尖端附近区域弹性应力场强度的量值。

4）裂纹长度a：与实际裂纹相当的直前缘裂纹长度。对于CT试样，a从加力线开始计算。

5）最大载荷P_max：循环力的最大代数值。

6）最小载荷P_min：循环力的最小代数值。

7）力值范围 ΔP：最大与最小力之间的差值，即ΔP=P_max－P_min。

8）应力比R：最小力与最大力的比值，即R= P_min/P_max。

9）最大应力强度因子K_max：对应于最大力的应力强度因子，并随着裂纹长度的增长而变化。

10）最大应力强度因子K_min：对应于最小力的应力强度因子。

11）应力强度因子范围ΔK：最大与最小应力强度因子值之差，即ΔK=K_max－K_min。

对于CT试样，

           （1）

式中：α= a/W（W为力作用线到CT试样边缘的距离）；B为CT试样的厚度。

由公式（1）可知：在整个的测试过程中，疲劳裂纹扩展长度的精确测量是关键因素之一。目前所采用的测量疲劳裂纹的方法有普通读数法、应变片法、等效电位法等，其中尤以普通读数法精度相对较高。

普通读数法的操作步骤是在循环若干次后将疲劳试样从疲劳试验机上卸下并将其放置于金相显微镜下测量其长度。这种方法精确度较高，却存在以下缺陷：

1)      测量裂纹扩展长度时需要卸去载荷，拆卸试样，在显微镜下测量其裂纹长度；测量完毕后需要重新安装试样，重新加载。整个操作过程繁琐，费时费力，且可能造成CT试样的夹持和对中等参数发生变化，影响测试结果的可重复性。

2)      拆卸试样过程中断了载荷的作用，对于后续的疲劳裂纹扩展速率da/dN有较大的影响，导致所测得的da/dN偏离真实值。

3)      凭借上一级的da/dN值估算所需进行的循环数，无法观察实时裂纹扩展长度，降低了实验效率。另外，整个操作过程对操作人员的经验要求比较高。

因此，寻求更为精确的测量方法无疑有助于提高材料疲劳门槛值测试的精确度和可重复性。

本发明针对疲劳裂纹测试普通读数法的不足，提出采用金相显微镜和容栅传感器等设备的结合，以达到提高疲劳裂纹扩展长度测量的精确度和实现对疲劳裂纹扩展过程可视化的目的，并提出了具体的实施方案。

本发明发明人采用疲劳裂纹+原位测量(fatigue crack + in-situ measurement)作为关键词检索了美国专利文摘(USPTO)、欧洲专利文摘(EP—PCT)、《中国专利信息网》以及《中华人民共和国国家知识产权局专利检索》，没有发现同类专利。

发明内容

本发明的目的是提供一种原位测量疲劳裂纹扩展长度的新方法及其装置。更具体地说，本发明的目的是提供一种可以在疲劳测试过程中原位测量疲劳裂纹长度和实时观察疲劳裂纹扩展的方法，从而可以更加精确地确定各种疲劳应力指标，以便更好地衡量不同工艺条件下各种材料的疲劳性能，这对很多重要构件的设计和制造具有现实意义。

本发明一种原位测量疲劳裂纹扩展长度的新方法，可用于实时、精确地测量疲劳性能测试时疲劳裂纹扩展长度的测定；该方法的特征在于，采用金相显微镜和电荷耦合（Charge Couple Device, CCD）摄像头，实时跟踪疲劳裂纹尖端扩展路径，通过容栅传感器即时将机械位移量转变成电信号的相位变化量，再通过测量电路处理后得到精确的疲劳裂纹长度；其简要的测量方法如下：（a）将夹具和经过抛光的标准CT试样装夹于疲劳试验机上，将测量设备底座和支架放置于适当位置；（b）调节定位齿条，使得金相显微镜的物镜对准机加工预制的裂纹尖端，在金相显微镜中观察到机加工裂纹尖端在视场的正中心(横向和纵向标尺线的交点)。将显示器上的裂纹长度读数调零；（c）连接CCD摄像头，使得在显示器上能够清晰地显示试样表面图像；（d）启动疲劳试验机，通过调整齿条变换金相显微镜的位置，使得疲劳裂纹的尖端始终处于CCD摄像头采集到的图片中；通过电子显示屏上的读数和金相显微镜中采集的照片中的裂纹长度，精确地确定真实疲劳裂纹的长度；同时，还可以根据CCD摄像头采集到的照片分析其裂纹扩展过程中裂纹扩展方向发生偏移的原因；结合疲劳测试后的对试样的显微组织进行光学显微镜和扫描电子显微镜观察，可进一步分析所测材料的疲劳断裂机理。

本发明一种原位测量疲劳裂纹扩展长度的方法所用的专用装置，其特征是包括有：标准CT试样、金相显微镜、CCD摄像头、缓震底座、容栅传感器、夹具、销钉、数据传输系统、调位旋钮、定位齿条和计算机；各部件的布置关系如下：标准CT试样、销钉用夹具连接到疲劳试验机上，而金相显微镜和定位齿条同步，直接安装在缓震底座上，通过定位旋钮调整其位置；CCD摄像头连接于金相显微镜上，将采集到的数据通过数据传输系统传到计算机上进行处理，得到最终的疲劳裂纹长度以及疲劳裂纹表面形貌照片。

本发明的特点

本发明方法结合金相显微镜、定位齿条、容栅传感器、信号转换系统、CCD摄像头、计算机等设备，提出了原位测量疲劳裂纹长度的新方法，通过容栅传感器将位移信号转换成电信号，实现了整个疲劳实验过程中疲劳裂纹扩展过程的原位测量和可视化。不仅可以精确地测量任意时刻的疲劳裂纹长度，而且可以对疲劳裂纹尖端扩展路径进行即时的观测和采集。

原位测量法的工作原理是通过100倍金相显微镜（通过同步的定位齿条调节位置）和CCD摄像头采集裂纹尖端图像，将采集到的图片连接到计算机上，实现疲劳裂纹扩展过程的可视化。同时，与金相显微镜同步的容栅传感器将位移信号转换成电信号，再通过信号转换器变成数字信号，最后通过计算机处理后得到疲劳裂纹长度。

附图说明

图1为原位测量疲劳裂纹扩展长度的设备示意图。该设备主要由金相显微镜、容栅传感器、CCD摄像头、定位齿条、数据采集和传输系统、缓震底座等构成。

图2为原位观察疲劳裂纹扩展长度的设备的侧视图。

图3为标准CT试样图，采用线切割的方法按照国标（GB/T 6398-2000）中的尺寸规定进行加工。

图4为某材料各个应力比下材料的疲劳裂纹扩展速率da/dN和裂纹尖端的应力强度因子范围ΔK的变化关系图。

图5为该材料各个应力比下lg(da/dN)和lgΔK的拟合图。

图6为该材料裂纹扩展门槛值ΔK_th随应力比变化的关系图。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明进行详细说明：

实施例一

具体步骤如下：

疲劳裂纹扩展门槛值(ΔK_th)的测试采用ASTM E647-08和GB/T 6398-2000中规定的降K法测量。详细的测量过程如下：

1) 从测试材料上截取一定大小的毛坯，用线切割加工出符合GB/T 6398-2000中规定的标准CT和专用夹具，CT试样的具体尺寸见图3。

2) 将加工好的夹具装在载荷疲劳试验机上，调整疲劳试验机拉杆之间的距离至合适位置，将标准CT试样置于夹具中夹紧，保证试验机加载于CT试样上的作用力具有良好的对中。

3) 将测量装置的底座和支架置于适当的位置，使得显微镜物镜正对CT试样表面，调节金相显微镜的调焦旋钮至目镜中能够清晰地观察到试样表面。

4) 调节定位齿条，使得显示器中能够清晰地显示机加工裂纹的尖端并将其调整至视场的中心，并将此时显示器中的裂纹长度调零。

5) 选取合适的应力比R和载荷P，进行预制裂纹。当显示器上的读数约为3 mm时，停止加载，裂纹预制结束。精确记录疲劳裂纹长度a和循环次数N。

6) 采用预先设计的某个特定的R并选取合适的最大载荷P_max，保持R恒定不变，逐级降低载荷进行数据采集，用本发明的原位测量疲劳裂纹扩展长度的新方法准确记录每一级作用力下a和N的数值，并根据公式（1）计算出此时的ΔK、K_max等参量。在降载的过程中，每级力下使得扩展增量Δa大于上一级K_max（最大应力强度因子）对应的塑性区γ_y的4~6倍，直到平均裂纹扩展速率Δa/ΔN接近1×10^-7mm/cycle时，降K实验结束。为了保证采集数据的变化在允许范围内，每级的降载幅度不超过10%，当da/dN在10^-6~10^-7mm/cycle区间内时，可以适当减小降载幅度以保证有足够的拟合数据点。

根据pairs公式：

                                           （2）

其中，C和m是和材料本身性质有关的常量。

作对数处理后可得lg(da/dN)=m·lgΔK+lgC，由此可知lg(da/dN)和lgΔK呈线性关系。根据da/dN在10^-6~10^-7mm/cycle区间内得到的da/dN—ΔK对应关系，在lg(da/dN)—lgΔK坐标系中作出其对应点，通过线性拟合的方法得到C和m，将其带入公式（2）中，并令da/dN=1×10^-7 mm/cycle ，求出ΔK，即所要求的疲劳裂纹扩展门槛值ΔK_th。