專利名稱：原位測量疲勞裂紋擴展長度的新方法
技術領域：
本發明涉及一種可以在疲勞性能測試過程中原位測量疲勞裂紋擴展長度的新方法，可實現疲勞列為擴展長度的實時在線測量。本發明屬于材料的力學性能測試領域。
背景技術：
疲勞是指材料、零件和構件在循環加載下，在某點或某些點產生局部的永久性損傷，并在一定循環次數后形成裂紋或使裂紋進一步擴展直到完全斷裂的現象。引述美國試驗與材料協會(American Society for Testing and Materials, ASTM)在“疲勞試驗及數據統計分析之有關術語的標準定義”(EZ06-72)中所作的定義在某點或某些點承受撓動應力，且在足夠多的循環撓動作用之后形成裂紋或完全斷裂時，材料中所發生的局部永久結構變化的發展過程，稱為“疲勞”。
材料在遠低于其強度極限的循環載荷作用下發生破壞的現象，稱為疲勞破壞。疲勞破壞主要有以下特征
I)只有在材料承受循環載荷作用時，疲勞才會發生。2)疲勞是一個“發展過程”，這一過程發生在一段時間內。“形成裂紋”和“斷裂”，是這一發展過程中不斷形成的損傷累積的結果。3)疲勞通常在某局部區域內發生，而不是由整個結構或構件所控制。4)疲勞過程是結構內部永久變化造成損傷的累積過程。在現代工程的各個方面，主要零件和構件，大多在循環載荷的作用下工作，疲勞破壞是其主要的失效形式。隨著現代工業的發展，對材料的疲勞性能的要求也逐步提高，因此研究材料的疲勞破壞機理，從而尋求提高材料疲勞性能的方法，具有明顯的社會效益和經濟價值。目前，通常采用的材料疲勞抗力指標有疲勞強度、過載持久值、疲勞缺口敏感性、疲勞裂紋擴展速率以及疲勞裂紋擴展門檻值等。而其中采用最多的評價材料疲勞性能的指標是疲勞裂紋擴展速率(da/dN)和疲勞裂紋擴展門檻值(AKth),尤其是AKth已經成為衡量材料和重要部件疲勞性能最重要的指標。根據GB/T 6398-2000中的相關規定，定義疲勞裂紋擴展速率等于lXKTmm/cycle所對應的應力強度因子范圍值為AKth。影響材料的疲勞門檻值的因素很多，下面就疲勞測試過程中可能涉及的相關參量作簡單介紹(以GB/T6398-2000中規定的標準緊湊拉伸(Compact Tension, CT)試樣為例)
I)循環數N :力循環的次數。2)疲勞裂紋擴展速率da/dN :力循環一次的疲勞裂紋的擴展量，國標中表示為疲勞裂紋尖端應力強度因子AK的函數。3)應力強度因子K :裂紋尖端附近區域彈性應力場強度的量值。4)裂紋長度a :與實際裂紋相當的直前緣裂紋長度。對于CT試樣，a從加力線開始計算。5)最大載荷Pniax :循環力的最大代數值。[OOM]6)最小載荷Pmin :循環力的最小代數值。7)力值范圍AP :最大與最小力之間的差值，即AP=Pniax — Pniintj8)應力比R :最小力與最大力的比值，即R= PniinA3niaj^9)最大應力強度因子Kniax :對應于最大力的應力強度因子,并隨著裂紋長度的增長而變化。10)最大應力強度因子Kniin :對應于最小力的應力強度因子。11)應力強度因子范圍AK :最大與最小應力強度因子值之差，SP A K=Kmax - Kmin0對于CT試樣，
AK = ,愈逸,(0.886 +4.64<r-13.32a2 +14.72a3 -5.64af4)⑴
B.、{W (1-a)山'
式中a = a/w (ff為力作用線到CT試樣邊緣的距離)；B為CT試樣的厚度。由公式(I)可知在整個的測試過程中，疲勞裂紋擴展長度的精確測量是關鍵因素之一。目前所采用的測量疲勞裂紋的方法有普通讀數法、應變片法、等效電位法等，其中尤以普通讀數法精度相對較高。普通讀數法的操作步驟是在循環若干次后將疲勞試樣從疲勞試驗機上卸下并將其放置于金相顯微鏡下測量其長度。這種方法精確度較高，卻存在以下缺陷
I)測量裂紋擴展長度時需要卸去載荷，拆卸試樣，在顯微鏡下測量其裂紋長度；測量完畢后需要重新安裝試樣，重新加載。整個操作過程繁瑣，費時費力，且可能造成CT試樣的夾持和對中等參數發生變化，影響測試結果的可重復性。2)拆卸試樣過程中斷了載荷的作用，對于后續的疲勞裂紋擴展速率da/dN有較大的影響，導致所測得的da/dN偏離真實值。3)憑借上一級的da/dN值估算所需進行的循環數，無法觀察實時裂紋擴展長度，降低了實驗效率。另外，整個操作過程對操作人員的經驗要求比較高。因此，尋求更為精確的測量方法無疑有助于提高材料疲勞門檻值測試的精確度和
可重復性。本發明針對疲勞裂紋測試普通讀數法的不足，提出采用金相顯微鏡和容柵傳感器等設備的結合，以達到提高疲勞裂紋擴展長度測量的精確度和實現對疲勞裂紋擴展過程可視化的目的，并提出了具體的實施方案。本發明發明人采用疲勞裂紋+原位測量(fatigue crack + in-situmeasurement)作為關鍵詞檢索了美國專利文摘(USPTO)、歐洲專利文摘(EP — PCT)、《中國專利信息網》以及《中華人民共和國國家知識產權局專利檢索》，沒有發現同類專利。
發明內容
本發明的目的是提供一種原位測量疲勞裂紋擴展長度的新方法及其裝置。更具體地說，本發明的目的是提供一種可以在疲勞測試過程中原位測量疲勞裂紋長度和實時觀察疲勞裂紋擴展的方法，從而可以更加精確地確定各種疲勞應力指標，以便更好地衡量不同工藝條件下各種材料的疲勞性能，這對很多重要構件的設計和制造具有現實意義。本發明一種原位測量疲勞裂紋擴展長度的新方法，可用于實時、精確地測量疲勞性能測試時疲勞裂紋擴展長度的測定；該方法的特征在于，采用金相顯微鏡和電荷耦合(Charge Couple Device, (XD)攝像頭,實時跟蹤疲勞裂紋尖端擴展路徑,通過容柵傳感器即時將機械位移量轉變成電信號的相位變化量，再通過測量電路處理后得到精確的疲勞裂紋長度；其簡要的測量方法如下Ca)將夾具和經過拋光的標準CT試樣裝夾于疲勞試驗機上，將測量設備底座和支架放置于適當位置；(b)調節定位齒條，使得金相顯微鏡的物鏡對準機加工預制的裂紋尖端，在金相顯微鏡中觀察到機加工裂紋尖端在視場的正中心(橫向和縱向標尺線的交點)。將顯示器上的裂紋長度讀數調零；(c)連接CXD攝像頭，使得在顯示器上能夠清晰地顯示試樣表面圖像；(d)啟動疲勞試驗機，通過調整齒條變換金相顯微鏡的位置，使得疲勞裂紋的尖端始終處于CCD攝像頭采集到的圖片中；通過電子顯示屏上的讀數和金相顯微鏡中采集的照片中的裂紋長度，精確地確定真實疲勞裂紋的長度；同時，還可以根據CCD攝像頭采集到的照片分析其裂紋擴展過程中裂紋擴展方向發生偏移的原因；結合疲勞測試后的對試樣的顯微組織進行光學顯微鏡和掃描電子顯微鏡觀察，可進一步分析所測材料的疲勞斷裂機理。本發明一種原位測量疲勞裂紋擴展長度的方法所用的專用裝置，其特征是包括有標準CT試樣、金相顯微鏡、CCD攝像頭、緩震底座、容柵傳感器、夾具、銷釘、數據傳輸系 統、調位旋鈕、定位齒條和計算機；各部件的布置關系如下標準CT試樣、銷釘用夾具連接到疲勞試驗機上，而金相顯微鏡和定位齒條同步，直接安裝在緩震底座上，通過定位旋鈕調整其位置；CCD攝像頭連接于金相顯微鏡上，將采集到的數據通過數據傳輸系統傳到計算機上進行處理，得到最終的疲勞裂紋長度以及疲勞裂紋表面形貌照片。本發明的特點
本發明方法結合金相顯微鏡、定位齒條、容柵傳感器、信號轉換系統、CCD攝像頭、計算機等設備，提出了原位測量疲勞裂紋長度的新方法，通過容柵傳感器將位移信號轉換成電信號，實現了整個疲勞實驗過程中疲勞裂紋擴展過程的原位測量和可視化。不僅可以精確地測量任意時刻的疲勞裂紋長度，而且可以對疲勞裂紋尖端擴展路徑進行即時的觀測和采集。原位測量法的工作原理是通過100倍金相顯微鏡(通過同步的定位齒條調節位置)和CCD攝像頭采集裂紋尖端圖像，將采集到的圖片連接到計算機上，實現疲勞裂紋擴展過程的可視化。同時，與金相顯微鏡同步的容柵傳感器將位移信號轉換成電信號，再通過信號轉換器變成數字信號，最后通過計算機處理后得到疲勞裂紋長度。
圖I為原位測量疲勞裂紋擴展長度的設備示意圖。該設備主要由金相顯微鏡、容柵傳感器、CCD攝像頭、定位齒條、數據采集和傳輸系統、緩震底座等構成。圖2為原位觀察疲勞裂紋擴展長度的設備的側視圖。圖3為標準CT試樣圖，采用線切割的方法按照國標(GB/T 6398-2000)中的尺寸規定進行加工。圖4為某材料各個應力比下材料的疲勞裂紋擴展速率da/dN和裂紋尖端的應力強度因子范圍AK的變化關系圖。圖5為該材料各個應力比下Ig(da/dN)和IgAK的擬合圖。圖6為該材料裂紋擴展門檻值AKth隨應力比變化的關系圖。
具體實施例方式下面結合實施例對本發明進行詳細說明
實施例一
具體步驟如下
疲勞裂紋擴展門檻值(AKth)的測試采用ASTM E647-08和GB/T 6398-2000中規定的降K法測量。詳細的測量過程如下
I)從測試材料上截取一定大小的毛坯，用線切割加工出符合GB/T 639 8-2000中規定的標準CT和專用夾具，CT試樣的具體尺寸見圖3。2)將加工好的夾具裝在載荷疲勞試驗機上，調整疲勞試驗機拉桿之間的距離至合適位置，將標準CT試樣置于夾具中夾緊，保證試驗機加載于CT試樣上的作用力具有良好的對中。3)將測量裝置的底座和支架置于適當的位置，使得顯微鏡物鏡正對CT試樣表面，調節金相顯微鏡的調焦旋鈕至目鏡中能夠清晰地觀察到試樣表面。4)調節定位齒條，使得顯示器中能夠清晰地顯示機加工裂紋的尖端并將其調整至視場的中心，并將此時顯示器中的裂紋長度調零。5)選取合適的應力比R和載荷P，進行預制裂紋。當顯示器上的讀數約為3 mm時，停止加載，裂紋預制結束。精確記錄疲勞裂紋長度a和循環次數N。6)采用預先設計的某個特定的R并選取合適的最大載荷P_，保持R恒定不變，逐級降低載荷進行數據采集，用本發明的原位測量疲勞裂紋擴展長度的新方法準確記錄每一級作用力下a和N的數值，并根據公式(I)計算出此時的AK、K_等參量。在降載的過程中，每級力下使得擴展增量Aa大于上一級Kmax (最大應力強度因子)對應的塑性區Yy的4飛倍，直到平均裂紋擴展速率Aa/AN接近lX10_7mm/CyCle時，降K實驗結束。為了保證采集數據的變化在允許范圍內，每級的降載幅度不超過10%,當da/dN在10_6"10_7mm/cycle區間內時，可以適當減小降載幅度以保證有足夠的擬合數據點。根據pairs公式
—= C(AAT(2)
dN
其中，C和m是和材料本身性質有關的常量。作對數處理后可得lg(da/dN)=m Ig AK+lgC,由此可知lg(da/dN)和IgAK呈線性關系。根據da/dN在10 6 10 7mm/cycle區間內得到的da/dN— A K對應關系,在Ig(da/dN)-IgAK坐標系中作出其對應點，通過線性擬合的方法得到C和m，將其帶入公式(2 )中，并令da/dN=l X 10_7 mm/cycle ,求出A K,即所要求的疲勞裂紋擴展門濫值A Kth。
權利要求
1.一種原位測量疲勞裂紋擴展長度的新方法，可用于實時、精確地測量疲勞性能測試時疲勞裂紋擴展長度的測定，該方法的特征在于，采用金相顯微鏡和電荷耦合(ChargeCouple Device, (XD)攝像頭，實時跟蹤疲勞裂紋尖端擴展路徑，通過容柵傳感器即時將機械位移量轉變成電信號的相位變化量，再通過測量電路處理后得到精確的疲勞裂紋長度；其簡要的測量方法如下Ca)將夾具和經過拋光的標準CT試樣裝夾于疲勞試驗機上，將測量設備底座和支架放置于適當位置；(b)調節定位齒條，使得金相顯微鏡的物鏡對準機加エ預制的裂紋尖端，在金相顯微鏡中觀察到機加工裂紋尖端在視場的正中心(橫向和縱向標尺線的交點)；將顯示器上的裂紋長度讀數調零；(C)連接CXD攝像頭，使得在顯示器上能夠清晰地顯示試樣表面圖像；(d)啟動疲勞試驗機，通過調整齒條變換金相顯微鏡的位置，使得疲勞裂紋的尖端始終處于CCD攝像頭采集到的圖片中；通過電子顯示屏上的讀數和金相顯微鏡中采集的照片中的裂紋長度，精確地確定真實疲勞裂紋的長度；同吋，還可以根據CCD攝像頭采集到的照片分析其裂紋擴展過程中裂紋擴展方向發生偏移的原因；結合疲勞測試后的對試樣的顯微組織進行光學顯微鏡和掃描電子顯微鏡觀察，可進ー步分析所測材料的疲勞斷裂機理。
2.一種原位測量疲勞裂紋擴展長度的方法所用的專用裝置，其特征是包括有標準CT試樣(I)、金相顯微鏡(2)、CXD攝像頭(3)、緩震底座(4)、容柵傳感器(5)、夾具(6)、銷釘(7)、數據傳輸系統(8)、調位旋鈕(9)、定位齒條(10)、計算機(11);各部件的布置關系如下標準CT試樣、銷釘用夾具連接到疲勞試驗機上，而金相顯微鏡和定位齒條同步，直接安裝在緩震底座上，通過定位旋鈕調整其位置；CCD攝像頭連接于金相顯微鏡上，將采集到的數據通過數據傳輸系統傳到計算機上進行處理，得到最終的疲勞裂紋長度以及疲勞裂紋表面形貌照片。
全文摘要
本發明涉及一種原位測量疲勞裂紋擴展長度的方法。本發明的優點和特征在于a)將100倍金相顯微鏡、容柵傳感器、信號處理系統、CCD攝像頭、計算機等進行集成，實現了數據采集和處理一體化，實現了原位、實時測量疲勞裂紋擴展長度；b)解決了通常采用的普通讀數法測量耗時長、操作繁瑣、容易對后續測量產生不利影響的缺點；c)采用容柵傳感器，將獲取的位移信號轉換成電信號，通過信號傳輸和轉換設備得到最終的裂紋長度，實現了半自動測量；d)將CCD攝像頭通過金相顯微鏡采集到的實時圖像傳遞到計算機，實現了整個測試過程的可視化，解決了傳統測量只能觀察結果，無法直接觀測過程的難題。
文檔編號G01B21/02GK102679931SQ201210142369
公開日2012年9月19日 申請日期2012年5月10日 優先權日2012年5月10日
發明者劉霞, 劉鵬, 翟啟杰, 趙炳戈, 高玉來 申請人:上海大學, 劉霞