[发明专利]交流电位法测算平板合金疲劳裂纹扩展速率的装置和方法

说明书

技术领域

本发明涉及材料疲劳性能检测领域，特指一种交流电位法测算平板合金疲劳裂纹扩展速率的方法和装置，主要适用于合金疲劳裂纹扩展行为的研究。

背景技术

材料的抗疲劳裂纹扩展性能在现实构件的设计中成为重要参数，为保证构件安全使用的要求，需研究材料的疲劳和裂纹扩展行为。采用电位法可以推导出疲劳裂纹扩展时电位差与裂纹长度之间的函数公式，因此可将电位差作为表征裂纹位置与尺寸参数的函数，用于计算疲劳裂纹的扩展速率。电位监测法分为直流电位法(DCPD)和交流电位法(ACPD)，交流电位法主要是用来监测导体表面裂纹产生和扩展情况。

交流电位法监测疲劳裂纹扩展时，外加交流电通过一对电流供给探针给构件提供持续的交流电，一对电位测量探针监测两点间疲劳裂纹扩展时的电位差变化，电压表显示相应电位值。通过监测和分析电位差信号，可得出构件表面疲劳裂纹产生和扩展情况，最后得到疲劳裂纹扩展速率等裂纹扩展数据。

裂纹快速扩展尤其在高速率区，小裂纹疲劳扩展，及扩展中各种噪声干扰，加之外在环境的恶劣，给实时监测表面疲劳裂纹扩展带来不少麻烦。而交流电位法能长时间自动实时监测疲劳裂纹扩展，操作方便、简易，适合作为研究材料裂纹扩展行为的方法。

国内外涉及交流电位法的专利很少，申请号为03128293.8的中国专利“检测地下金属管道腐蚀状况的地面电测量方法”，利用交流电位法原理检测地下金属管道腐蚀状况，其特征在于以交流电位法监测原理为基础，沿垂直于管道走向的测线布置接地供电电极和测量电极，测量电极与广谱电测仪连接取代与原理中的电压表连接，用广谱电测仪不断改变频率进行电位差振幅和相位测量，再根据相位频率谱曲线上管道异常幅值的大小确定管道是否已被腐蚀及被腐蚀程度。该方法在检测中需不断改变广谱电测仪频率，自动性和盲目性较大；以交变电场的振幅和相位的理论公式为基础的公式较繁琐，计算量大；并且以交流电位法检测腐蚀程度，对其它疲劳扩展没有涉及，应用面狭窄，不能自动得出腐蚀疲劳扩展的全过程。

王亮^[1]等人曾探讨了高温下直流电位法测量疲劳裂纹扩展的方法及使用中出现问题的解决方法([1]王亮，丁传富.高温下直流电位法测量裂纹长度的应用[J].理化检验-物理分册，2006，42(9)：454-456)。该方法与交流电位法测量原理类似，不同的是外加电流为直流电，该方法可测得疲劳裂纹长度，提高的自动化程度，不足之处在于该方法采用在试样打孔嵌入电位测量探针，破坏了试样的完整性，难以实现无损检测。

发明内容

本发明的目的是为克服电位测量探针嵌入试样有损试样完整性、数据完整记录的局限性、监测各种合金试样疲劳裂纹扩展环境因素的制约及系统装置精度提高等不足，设计出改进的交流电位法传感器，通过改良电位测量探针监测裂纹两头扩展时的电位变化，加上CCD在线拍摄试样表面裂纹扩展的直观图像，从而提出一种交流电位法测算平板合金疲劳裂纹扩展速率的方法和装置。

本发明采用的方法为：带有预制裂纹的平板合金试样进行拉拉疲劳测试整个过程中，安装在表面裂纹处的交流电位法传感器通过电位测量探针在线实时监测裂纹两头扩展时的电位信号，经放大器放大后，在双踪示波器中显示出两个电位波形图，监测到的电位信号最后存储于计算机中，通过配套集成软件，从计算机中得出试样疲劳裂纹扩展数据如疲劳裂纹扩展速率等，为具体表述疲劳裂纹扩展整个过程，本发明中采用CCD图像采集系统，记录裂纹扩展过程也存入计算机，从另一角度全面拍摄疲劳裂纹扩展的直观情形，避免疲劳裂纹扩展重要研究细节的疏漏。

实施该方法的装置包括疲劳试验机和试样夹具、预制裂纹平板合金试样、交流电位法传感器、电位测量探针、引线、信号放大器、双踪示波器、A/D转换器、CCD图像采集系统和带有配套集成软件的计算机。将交流电位法传感器的一对矩形诱导线圈连同两对电位测量探针安装在带有预制裂纹的平板合金试样的表面，两对电位测量探针位于预制裂纹的两头并将该裂纹包含于中间位置，交流电位法传感器的两个诱导线圈分别位于被测合金试样表面预制裂纹两头并将两对电位测量探针包含其中，整体置于疲劳试验机上，用夹具将合金试样两端固定；每对电位测量探针的其中一个探针的平顶盖子上的导线与一个信号放大器的输入端相连，而另一个平顶盖子上的导线则与双踪示波器的输出端相连；再用导线将两个信号放大器的输出端与双踪示波器的两个输入端连接，双踪示波器的输出端则与A/D转换器的输入端相连，最后将A/D转换器的输出端与带有配套集成软件的计算机。CCD图像采集系统以及疲劳试验机也是与该计算机相连的。