[发明专利]一种微裂纹微小张开位移的测量方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种带微裂纹(1μm～200μm)的试件加载时，其微裂纹微小张开位移(纳米量级到微米量级)的精确测量方法和系统，属于光测力学、工程材料、构件变形、微纳米位移测试技术和疲劳断裂力学研究领域。

背景技术

近几十年来，线弹性断裂力学的理论和测试技术都比较成熟，并在研究材料的脆性破坏、疲劳破坏和应力腐蚀等方面得到了广泛应用。当裂纹体上施加较小载荷时，裂纹顶端出现小范围屈服。但当构件在迅速断裂前，有时裂纹顶端会出现大范围屈服情况。例如，中，低强度钢在韧度发生激烈变化的转变温度以上使用时，就会出现大范围屈服，这时线弹性断裂力学就不再适用。因此，需要研究由线弹性范围一直到大范围屈服都适用的断裂判据。大范围屈服后发生的断裂是半脆性的，有时在失稳前裂纹还有一个缓慢的亚临界扩展时裂纹体中必有一定的屈服区域。由于弹塑性力学处理裂纹问题比较困难，所以这部分内容的发展远不如线弹性断裂力学完善，目前对这类问题的处理办法一般是将线弹性断裂力学基础上加以延伸，在实验的基础上提出新的断裂韧性参量。这些参量可以分为两类：一类是能量或能量率的概念，即将G概念加以延伸得到J积分的概念，从而得到J判据；另一类是从裂纹周围的应力及应变分析出发，以裂纹顶端张开位移(简称COD)作为判据来处理大范围屈服问题，此即为韦尔期在1961～1965期间提出的COD(Crack Opening Displacement)判据理论。

1985年国际结构与材料研究联合会(RILEM)推荐的由三点弯曲梁测定I型裂缝断裂能的标准试验方法，降低了采用直接拉伸法测定断裂能对试验机刚度、试件制作及试验操作技术的要求，简化了试验操作，便于普通的实验室更为系统地研究材料的断裂能。RILEM方法基于断裂功原理，假设构件裂缝面外耗散的弹性变形能在最后完全断裂时刻全部流入到断裂带，即认为外力做的功完全用于裂缝的扩展。因此，在进行断裂试验时，特别关注载荷-裂纹张开位移曲线(p-CMOD)。相比于裂缝张开位移(CMOD)，加载点位移容易受到支座以及加载点塑性变形的影响，试验常常需要设计至少3个以上的多个试件，且在试验梁上需附加一个参考钢架来尽可能地减小支座塑性变形所引起的测量误差。考虑到这些因素，为了进一步减少试验采集的工作量，简化试验操作，方便实际工程现场的量测，Shah教授在1991提出采用载荷-裂纹张开位移曲线(p-CMOD)来代替荷载-裂纹加载点跨中挠度曲线来近似计算断裂能的设想。之后，他的研究小组进行了各种实验认为在工程意义上，由载荷-裂纹张开位移曲线(p-CMOD)经过简单线性比例转化后可以用来计算材料的断裂能。

疲劳实验时，为了计算材料的断裂能及断裂参数，经常要测量裂纹的张开位移量与载荷的关系来确定。现今，由于测量技术和手段的不断发展，断裂疲劳实验的研究已经进入到微纳米的测量阶段。研究裂纹张开位移的方法，大多集中在光测力学的领域，如利用数字图像相关技术、几何云纹技术、云纹干涉技术等位移测量技术，其测量的原理是测量出裂纹两端的位移，再反算求出裂纹的张开位移。还有的技术是利用读数显微镜对裂纹处进行观测，得到载荷-裂纹张开位移的关系。现有的试件加载裂纹张开位移测量方法，其测量的裂纹尺寸通常在宏观量级上，上述的技术及方案通常能够满足测量的精度的要求。而对疲劳裂纹的通常的研究和专利都集中在疲劳裂纹的扩展速率等研究上，如一种疲劳裂纹扩展测试的方法(中国专利申请号200610051602.5)、机械结构的裂纹扩展率和裂纹扩展寿命预测方法(中国专利申请号200710130912.0)等及裂纹的检测方法上，如火车轮裂纹检测传感器(中国专利申请号200310104100.0)、封闭表面疲劳裂纹的检测方法(中国专利申请号200510111765.3)。

但是，对于试件的微裂纹情况(1μm～200μm)在加载时产生的微小张开位移量，由于上述的光学位移测量技术的精度，很少有能够达到其裂纹张开位移的精度和要求。如云纹方法，数字图像相关方法其测量时会受到刚体位移的影响，其对于微裂纹的张开位移其分辨率不高；读数显微镜观测裂纹张开的位移时，其加载过程中微小张开口位移量通常在显微镜最低估读量级上，产生了较大的误差，对于断裂性能的测量会产生更大的误差。微裂纹的宽度可以利用光学衍射的方法及光学或电子显微镜观测量的方法测量得到。