[发明专利]一种基于光学的断裂韧性测量方法

说明书

技术领域

本发明涉及力学测量技术领域，具体涉及一种基于光学的断裂韧性测量方法。 

背景技术

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： 

J=2UB(W-a)---(1)]]>

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。 

发明内容

为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种基于光学的断裂韧性测量方法，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。 

本发明的光学断裂韧性测量方法，其技术原理为： 

断裂韧性J_IC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： 

J=∫ΓWdy-Ti∂ui∂xds---(2)]]>

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。本发明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_中面值，本发明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： 

f_B＝[0.23495/mm  -0.021773/mm²  0.00072641/mm³]     (3)