CN110672441A - 一种疲劳裂纹扩展过程中裂尖状态的表征方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种疲劳裂纹扩展过程中裂尖状态的表征方法，具体包括五个步骤：1、对CT试样进行表面处理，一面喷制高对比度散斑漆，另一面抛光并粘贴标尺；2、对CT试样施加疲劳载荷进行疲劳裂纹扩展实验，采用CCD相机观测散斑面，采用显微相机观测含标尺的抛光面；3、采用数字相关法对CT试样散斑面进行裂尖应变状态表征；4、采用图像法对显微相机观测得到的裂纹扩展长度进行测量；5、将疲劳循环次数与裂尖应变场和裂纹长度进行关联。利用该方法能够实现CT试样疲劳裂纹扩展过程中裂纹长度以及裂尖应变场的共同表征，能够有效满足表征裂纹尖端状态的需求，适用于CT试样的疲劳裂纹扩展实验。

Description

一种疲劳裂纹扩展过程中裂尖状态的表征方法
技术领域
本发明涉及一种裂纹尖端状态的表征方法，尤其涉及一种紧凑拉伸（CT）试样疲劳裂纹扩展过程中裂纹尖端状态的表征方法。
背景技术
工业设备常被要求在高温、高压、高速等特殊条件下使用，其所承受的交应变力越来越高，疲劳破坏问题日益突出，疲劳破坏是机械零部件和结构最常见的失效形式，而大部分设备的断裂都与疲劳裂纹的萌生和扩展密切相关。对材料进行疲劳裂纹扩展实验，获取疲劳裂纹扩展速率，测量疲劳裂纹尖端的应变场，是研究疲劳断裂特性的关键，对提高结构的可靠性、延长使用寿命有着重要指示意义。
疲劳裂纹扩展过程中，裂纹尖端的应变场存在显著的不均匀性，无法通过引伸计或电阻应变片进行测量。常用的疲劳裂纹裂尖应变场表征方法主要是基于有限元分析，有限元分析过程需要基于大量的分析计算以及材料模型参数，在分析计算过程中还会存在边界条件的假设以及本构模型的假设，因此基于有限元得到的裂尖应变场与实际情况存在一定区别。
疲劳裂纹长度的常用测量方法有目测法、电位法和柔度法。目测法会受人为因素的影响，裂纹长度的测量精度有限，读值精度不高；电位法测量精度容易受到干扰，测量结果误差较大，并且会受到材料组织的影响；柔度法可以测试不同环境下不同实验材料的裂纹长度，但需要基于经验拟合方程以及材料常数，而且对实验机的要求较高。
无论是裂纹尖端应变场表征还是裂纹长度的测量均难以从实验观测的角度直接获取结果。因此，如有一种实验方法能够在疲劳裂纹扩展实验中同时观测获得裂纹尖端的应变场以及裂纹扩展长度，即可减少传统观测方法的不足，以满足疲劳裂纹扩展的实验研究的需要。
发明内容
本发明的目的在于解决现有技术中的不足，提出一种结合了数字散斑法和显微图像观测法的裂纹尖端应变场与裂纹扩展长度的直接实验观测方法。该方法具有能够直接通过实验观测含裂纹CT试样裂纹尖端的应变状态与扩展长度的优点，能够有效满足表征裂纹尖端状态的需求，适用于CT试样的疲劳裂纹扩展实验。
本发明的技术方案为：一种疲劳裂纹扩展过程中裂尖状态的表征方法，具体包括如下步骤：
1）对CT试样进行表面处理，在CT试样前后表面分别制备散斑面以及抛光面，在散斑面喷制高对比度散斑漆用于尖端应变状态观测，在抛光面粘贴标尺用于裂纹扩展长度观测；
2）利用疲劳试验装置对CT试样施加疲劳载荷进行疲劳裂纹扩展实验，采用CCD相机观测散斑面并采集记录试样表面散斑场的变化，采用显微相机观测抛光面并采集记录裂纹尖端的扩展状态；
3）采用数字图像相关法对CT试样散斑面进行裂尖应变状态表征；
4）采用图像法对显微相机观测得到的裂纹扩展长度进行测量；
5）根据CCD相机时间、显微相机时间与疲劳频率的关系，将疲劳循环次数与裂纹尖端应变场和裂纹扩展长度进行关联，实现含裂纹CT试样裂纹尖端的应变状态与裂纹扩展长度的实验表征。
步骤2所用到的疲劳试验装置包括疲劳试验机、CCD相机和显微相机，CT试样通过夹具安装在疲劳实验机上，在CT试样的散斑面一侧通过第一相机支架安装CCD相机，在CCD相机与CT试样之间设有CCD相机光源；在CT试样的抛光面一侧通过第二相机支架安装显微相机，在显微相机与CT试样之间设有显微相机光源，CCD相机与计算机与数字相关图像分析软件连接，显微相机与计算机与图像法裂纹长度测量软件连接。
步骤3的具体实施方法为：将变形前后的散斑图输入到图像处理软件中，利用试样表面随机分布的散斑的灰度统计特性来计算试样表面的应变场，以试样变形前的裂纹尖端区域某一点P为中心选取一个大小为m×m的子集A为相关搜索子区，根据该区域的灰度统计特性，在试样变形后的图像中寻找与其对应的子集B，通过图像处理软件分析输出变形前后的应变场。
步骤4的具体实施方法为，将显微相机观测得到的疲劳裂纹扩展状态图像输入计算机图像处理软件中，结合高清标尺刻度，通过图像法测量出CT试样的疲劳裂纹扩展长度。
本发明的有益效果为：
1. 该方法能够直接由实验获得含裂纹CT试样的应变场，避免了需要通过复杂的有限元分析计算，同时保障了应变场结果的有效性；
2. 该方法能够结合显微观测与图像法直接测量裂纹扩展的长度，能够避免基于柔度法测量需要输入材料参数间接计算得到裂纹长度的缺点；
3. 该方法通过对试样的两侧表面同时进行观测，同步实现了应变场与裂纹扩展长度的观测，提高了疲劳裂纹扩展实验的效率。
附图说明
图1为疲劳裂纹扩展过程中裂尖状态表征方法流程图；
图2为CT试样的结构示意图；
图3为CT试样的散斑面示意图；
图4为CT试样的抛光面示意图；
图5为疲劳裂纹扩展裂尖状态表征方法的实验装置示意图；
图6是CT试样应变场分布图；
图7是疲劳裂纹长度与循环次数之间的关系曲线图；
图8是疲劳循环次数与应变状态和裂纹长度的关系图；
图中，1-计算机与数字相关图像分析软件、2-第一相机支架、3-CCD相机、4-CCD相机光源、5-夹具、6-CT试样、7-疲劳实验机、8-显微相机光源、9-显微相机、10-第二相机支架、11-计算机与图像法裂纹长度测量软件。
具体实施方式
以下实施例进一步说明本发明的内容，但不应理解为对本发明的限制。在不背离本发明实质的情况下，对本发明方法、步骤或条件所作的修改和替换，均属于本发明的范围。
疲劳裂纹扩展过程中裂尖状态的表征方法流程图如图1所示，具体操作步骤如下：
步骤1：CT试样前后表面散斑面以及抛光面的制备
选择30408奥氏体不锈钢为疲劳裂纹扩展实验对象，将实验材料利用线切割方法加工成待测CT试样，试样规格如图2所示，即a×b×c=31.5 mm×30 mm×5 mm，宽度d为25 mm，缺口长度e为8 mm，试样通过疲劳实验预制裂纹，预制裂纹宽度f为1.5 mm；
图3为CT试样的散斑面，通过给CT试样表面均匀喷涂雾状的黑白哑光漆制作随机分布的人工散斑，获取不规则的灰度信息，制作成具有较高反光性能的散斑场，散斑颗粒小密度高，来保证得到较高的相关系数从而提高数字图像相关方法的精确度。
图4为CT试样的抛光面，试样的另一面通过抛光机打磨，获取高质量表面，便于显微相机观测疲劳裂纹的萌生与扩展，并粘贴高清标尺用于基于图像法的裂纹扩展长度测量。
步骤2：对CT试样施加疲劳载荷进行疲劳裂纹扩展实验并对散斑面和抛光面进行观测
疲劳裂纹扩展裂尖状态表征方法的实验装置示意图如图4所示， CT试样6通过夹具5安装在疲劳实验机7上，在CT试样6的散斑面一侧通过第一相机支架2安装CCD相机3，在CCD相机3与CT试样6之间设有CCD相机光源4；在CT试样6的抛光面一侧通过第二相机支架10安装显微相机9，在显微相机9与CT试样6之间设有显微相机光源8，CCD相机3与计算机与数字相关图像分析软件1连接，显微相机9与计算机与图像法裂纹长度测量软件11连接。
施加最大载荷为3 kN，最小载荷为0.3 kN的三角波疲劳循环载荷进行裂纹扩展实验，促使裂纹在疲劳载荷的作用下不断扩展。实验开始前将试样用力学实验机夹具夹紧，调整CCD相机和显微相机与试样表面之间的距离，并对相机进行调焦，提高拍摄清晰度。疲劳实验过程中通过CCD相机采集记录试样表面散斑场的变化，通过显微相机采集记录裂纹尖端扩展状态的变化，所采集的图像用于疲劳裂纹裂尖状态的表征。
步骤3：裂尖应变状态表征
应用数字图像相关方法处理实验所得的散斑图像，获得CT试样应变场分布图，如图5所示。将变形前后散斑图输入到图像处理软件中，利用试样表面随机分布的散斑的灰度统计特性来计算试样表面的应变场。在试样变形前的裂纹尖端区域某一点P为中心选取一个大小为m×m的子集A为相关搜索子区，根据该区域的灰度统计特性，在试样变形后的图像中寻找与其对应的子集B，通过图像处理软件分析输出变形前后的应变场。
步骤4：裂纹扩展长度测量
图6为疲劳裂纹长度与循环次数之间的关系曲线，将显微相机观测的疲劳裂纹扩展状态图像输入计算机图像处理软件中，以高清标尺为基础，通过图像法测量出CT试样的疲劳裂纹扩展长度。
步骤5：CT试样裂纹尖端的应变状态与裂纹扩展长度的实验表征
图7为疲劳循环次数与应变状态和裂纹长度的曲线。根据CCD相机时间、显微相机时间与疲劳频率的关系，可以获得各循环次数下裂纹尖端的应变场以及裂纹长度，从而构建出裂纹尖端应变场、疲劳裂纹长度与循环次数的关系，实现疲劳裂纹扩展过程中裂纹尖端应变场与裂纹扩展长度的共同表征。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征及优点。但是以上所述仅为本发明的具体实施例，本发明的技术特征并不局限于此，任何本领域的技术人员在不脱离本发明的技术方案下得出的其他实施方式均应涵盖在本发明的专利范围之中。

Claims (4)

1.一种疲劳裂纹扩展过程中裂尖状态的表征方法，其特征在于，具体包括如下步骤：
1）对CT试样进行表面处理，在CT试样前后表面分别制备散斑面以及抛光面，在散斑面喷制高对比度散斑漆用于尖端应变状态观测，在抛光面粘贴标尺用于裂纹扩展长度观测；
2）利用疲劳试验装置对CT试样施加疲劳载荷进行疲劳裂纹扩展实验，采用CCD相机观测散斑面并采集记录试样表面散斑场的变化，采用显微相机观测抛光面并采集记录裂纹尖端的扩展状态；
3）采用数字图像相关法对CT试样散斑面进行裂尖应变状态表征；
4）采用图像法对显微相机观测得到的裂纹扩展长度进行测量；
5）根据CCD相机时间、显微相机时间与疲劳频率的关系，将疲劳循环次数与裂纹尖端应变场和裂纹扩展长度进行关联，实现含裂纹CT试样裂纹尖端的应变状态与裂纹扩展长度的实验表征。
2.如权利要求1所述的一种疲劳裂纹扩展过程中裂尖状态的表征方法，其特征在于，步骤2所用到的疲劳试验装置包括疲劳试验机、CCD相机和显微相机，CT试样通过夹具安装在疲劳实验机上，在CT试样的散斑面一侧通过第一相机支架安装CCD相机，在CCD相机与CT试样之间设有CCD相机光源；在CT试样的抛光面一侧通过第二相机支架安装显微相机，在显微相机与CT试样之间设有显微相机光源，CCD相机与计算机与数字相关图像分析软件连接，显微相机与计算机与图像法裂纹长度测量软件连接。
3.如权利要求1所述的一种疲劳裂纹扩展过程中裂尖状态的表征方法，其特征在于，步骤3的具体实施方法为：将变形前后的散斑图输入到图像处理软件中，利用试样表面随机分布的散斑的灰度统计特性来计算试样表面的应变场；以试样变形前的裂纹尖端区域某一点P为中心选取一个大小为m×m的子集A为相关搜索子区，根据该区域的灰度统计特性，在试样变形后的图像中寻找与其对应的子集B，通过图像处理软件分析输出变形前后的应变场。
4.如权利要求1所述的一种疲劳裂纹扩展过程中裂尖状态的表征方法，其特征在于，步骤4的具体实施方法为：将显微相机观测得到的疲劳裂纹扩展状态图像输入计算机图像处理软件中，结合高清标尺刻度，通过图像法测量出CT试样的疲劳裂纹扩展长度。
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