[发明专利]一种基于光学的断裂韧性测量方法

摘要

一种基于光学的断裂韧性测量方法，通过测量试件的杨氏模量E，厚度方向泊松比v_z和面内泊松比v_xy，试件厚度B，用光学应变测量仪的拍摄装置对裂纹尖端附近区域进行拍照，对试件进行疲劳裂纹预制和加载，直至试件断裂停止，然后进行数值运算，得出J_表面：进一步得到反映脆性断裂的K_IC或得到延性断裂韧性值；本方法可适用于各种强度材料，并在各种工况下的测量，具有测量更加方便，数据更加准确，无需接触测量的优点；经试验证明，该方法只要能够对裂纹进行拍照，就可测量，当需要使用传统方法尚未涉及或无法测量的实验配置时，该方法将会起到重要作用。

主权项

1.一种基于光学的断裂韧性测量方法，其特征在于：包括以下步骤：第一步，测量试件的杨氏模量(E)，厚度方向泊松比(v_z)和面内泊松比(v_xy)，试件厚度(B)；第二步，将试件按照所需的实验配置固定，并用光学应变测量仪的拍摄装置准备对裂纹尖端附近区域进行拍照；第三步，对试件进行疲劳裂纹预制；第四步，将试件按照所需配置布置好，使用加载实验机对试件进行用力控制方法或位移控制方法进行加载，直至试件断裂，同时使用光学应变测量仪对试件进行拍照，拍照间隔为两秒；第五步，对脆性断裂发生前的由光学应变测量仪通过所拍照片测得的位移场和应变场按照如下公式进行数值运算，得出J_表面：首先，通过平面应力情况下的弹性本构关系得到应力场：σx=2λμλ+2μθ+2μϵx---(1)]]>σy=2λμλ+2μθ+2μϵy---(2)]]>τ_xy＝2με_xy    (3)其中：θ为体积应变，μ，λ为拉梅常数，表达式如下：θ＝ε_x+ε_y    (4)μ=E2(1-v)---(5)]]>λ=Ev(1+v)(1-2v)---(6)]]>其中ε_x，ε_y，γ_xy为应变分量，由光学应变测量仪得到；E为杨氏模量，v为泊松比；由应变场合应力场得到每一点的应变能密度：W=12(σxϵx+σyϵy+2τxyϵxy)---(7)]]>σ_x，σ_y，τ_xy为应力分量；W为应变能密度；最后，还需要计算面力分量T_x和T_y：T_x＝σ_xn_x+τ_xyn_y    (8)T_y＝τ_xyn_x+σ_yn_y    (9)其中σ_x，σ_y，τ_xy已经在前边得到，n_x，n_y为积分环路外法线方向与x轴和y轴的夹角余弦值，使用直线进行环路积分，将式J=∫ΓWdy-Ti∂ui∂xds---(10)]]>转化为数值算法算式：此式适用于三点弯曲时裂面平行于y轴，垂直于x轴的情况，其中u＝(u_x，u_y)为位移矢量，直接测得，为已知量，W，T＝(T_x，T_y)已经在前边得到；i为积分路径上的光学应变仪测得的数据进行拟合后的数据点，Δs为数据点之间距离，数据点的间隔为0.02mm-0.04mm；由于J积分的路径无关性，可以同时选择至少两条积分路径进行计算，选区方法如下：首先，在垂直裂面方向应变为0.2％的等应变线以外1.5mm-3mm的范围内选择两条积分路径作为内积分路径和外积分路径，然后在两条积分路径之间等间距选择40-70条积分路径，计算每条路径的积分结果，由于J积分的路径守恒性，在1.5mm范围内，不同积分路径结果相差小于10％，即可认这些积分结果的平均值是J_表面，如果发现积分值都相差大于10％，应重新选择积分区域，满足要求；如果是脆性断裂，则对脆性断裂发生前的由光学应变测量仪通过所拍照片测得的位移场和应变场进行数值微积分运算得到J_表面；如果是针对厚度方向泊松比小于0.05的延性断裂材料，则选取裂纹扩展后，断裂前的6张照片进行数值微积分运算得到六个J_表面值；第六步：将试件厚度B、厚度方向泊松比v_z和面内泊松比v_xy代入下式：α=1-fBBB2B3×fvvzvz2vz3]]>f_B＝[0.23495/mm -0.021773/mm² 0.00072641/mm³]    (12)f_v＝[0.96364 1.3606 -0.23765]求得比例系数α，如果为脆性断裂，则试件断裂时试件中面的J积分值J_中面C即为材料的断裂韧性，可由有断裂时试件表面的J积分值J_表面C通过以下方式得到：还可按照KIC=JICE1-vxy2]]>进一步得到反映脆性断裂的K_IC；如果是采用厚度方向泊松比v_z＝0的材料测量延性断裂韧性，此时α＝1，J_表面＝J_中面，则用第五步中计算的J_中面值，按照延性断裂韧性的确定方法，做阻力曲线和0.15mm钝化线，得到延性断裂韧性值。