CN101281017A - 一种大尺寸试样表面裂纹扩展长度的自动测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出的一种大尺寸试样表面裂纹扩展长度的自动测量方法是：在大尺寸试样表面裂纹两端分别粘贴具有一定形状的康铜箔片，将两片康铜箔片上位于非测量端的两个电压触点和两个电流触点分别串联，将两片康铜箔片测量端的两个电压触点和两个电流触点分别接入电压信号测量与采集系统和恒定的小电流供电系统；通过连续测量康铜箔片测量端由于其自身随表面裂纹扩展开裂而造成的电压变化，根据标定建立的康铜箔片测量端电压变化与表面裂纹长度的关系，得到大尺寸试样表面裂纹的扩展长度。本发明提出的测量方法可明显提高大尺寸试样表面裂纹长度的测量精度，同时可降低试验成本，提高工作效率；也为自动测量不同加载条件其它类型的裂纹长度提供了一种可行思路。

Description

一种大尺寸试样表面裂纹扩展长度的自动测量方法

技术领域

本发明属于裂纹长度的测量方法领域，主要提出一种大尺寸试样表面裂纹扩展长度的自动测量方法。

背景技术

工程中因疲劳作用而断裂失效的构件，疲劳源大多来自于构件的表面裂纹，因此，研究构件表面裂纹的形成与扩展规律是目前工程界要研究的重要课题之一。然而，如何准确方便地测量出表面裂纹长度却是该课题中的课题。测量表面裂纹长度，尤其是大尺寸试样的表面裂纹长度，国内不少单位都采用多种测量方法如显微镜观察法、复型法、电位法(包括直流电位法、交流电位法、交直流翻转电位法、脉冲直流电位法等)、断裂丝片法等进行了试验尝试，但效果都不令人满意。显微镜观察法或通过连续变焦体视显微镜定时拍照再通过计算机处理的方法及复型法虽然比较简单直观，但往往会带来一定的人为测量误差，而且劳动强度比较大，尤其对于长寿命的疲劳试验，试验成本也较高。电位法虽然可以实现表面裂纹长度的自动化测量，但由于表面裂纹所占大尺寸试样的比例很小，使得电位法测量精度过低，无法满足高精度的测量需求。断裂丝片法也存在明显的技术问题如丝间距的存在将造成测量的不连续等。因此，目前国内还没有一种比较好的大尺寸试样表面裂纹长度的自动测量方法。

发明内容

针对表面裂纹需要准确高效测量，而目前国内又没有一种比较好的大尺寸试样表面裂纹长度自动测量方法这种现状，我们通过资料调研与分析及大量反复的试验研究，提出了一种大尺寸试样表面裂纹扩展长度的自动化测量方法。使该方法可以明显提高大尺寸试样表面裂纹长度的测量精度，同时可以降低试验成本，提高工作效率；也为自动测量不同加载条件其它类型的裂纹长度提供了一种可行思路。

大尺寸试样表面裂纹长度的测量，目前国内多数单位仍采用显微镜观察法或通过连续变焦体视显微镜定时拍照再通过计算机处理的方法，这种方法简单直观，但容易引入人为测量误差，加之劳动强度大，试验成本高，与当今社会自动化、信息化的迅猛发展极不协调。能否找到一种方法，既能够实现大尺寸试样表面裂纹长度的自动化测量，又能够保证较高的测量精度？首先想到了电位法。然而，由于大尺寸试样表面裂纹引起的开裂面积占整个试样裂纹所在截面的面积过小，使得在裂纹扩展过程中，试样裂纹所在截面的电阻变化不明显，在恒电流(电流不易过大，否则有热损耗)作用下，电压变化相应微弱，不容易实现电压信号的准确提取，因而电位法测量大尺寸试样表面裂纹长度的精度和灵敏度将难以保证。既然这样，有没有一种方法能够将试样的表面裂纹提取出来，作为独立的研究对象而又不受其他非开裂面的干扰呢？基于这种思路，本发明提出了这样一种方法，即采用设计有一定形状的康铜箔片，将其与大尺寸试样充分粘贴，使其开裂速率和表面裂纹扩展速率同步，从而通过测量康铜箔片的开裂长度实现测量试样表面裂纹长度，进而再通过计算机编程实现表面裂纹长度的自动化测量。

本发明所采用的方法是：在大尺寸试样表面裂纹两端分别粘贴上具有一定形状的康铜箔片，将两片康铜箔片上位于同一侧(非测量端)的两个电压触点用细导线串联，将另一侧(测量端)的两个电压触点分别接入电压信号测量与采集系统，将两片康铜箔片同一侧(非测量端)的两个电流触点用细导线串联，将另一侧(测量端)的两个电流触点接入恒定的电流供应系统；通过连续测量康铜箔片测量端由于其自身随表面裂纹扩展开裂而造成的电压变化，根据标定建立的康铜箔片测量端电压变化与试样表面裂纹长度的关系，得到大尺寸试样表面裂纹的扩展长度。

本发明提出的大尺寸试样表面裂纹扩展长度Δ2c(mm)与康铜箔片测量端的电压变化Δu的函数关系为：Δ2c(mm)＝0.07365Δu(mV)+0.08936(R＝0.9995)。

通过连续测量康铜箔片测量端两侧的电压变化Δu，根据其与表面裂纹扩展长度的关系，通过计算机编程便可以实现大尺寸试样表面裂纹长度的连续自动测量。

利用本发明方法所建立的表面裂纹长度自动测量方法和测量系统，可以对大尺寸试样的表面裂纹长度进行连续自动测量。由于该方法采用了独立于试样的康铜箔片及相关应用技术，突破了以往多种表面裂纹测量方法将研究对象定位在大尺寸试样表面裂纹本身的思维模式，大大提高了大尺寸试样表面裂纹长度的测量精度，避免了采用显微镜观察法、复型法等由于不同人测量而引入的人为测量误差；同时，由于实现了表面裂纹长度测量的自动化，采用该方法还能够明显节约试验成本，降低劳动强度，提高工作效率。

附图说明

图1为康铜箔片测量表面裂纹长度自动测量系统示意图。

图中，1、康铜箔片电压串联线，2、大尺寸试样的表面裂纹，3、康铜箔片串联电流线，4、康铜箔片的电压触点，5、单个的康铜箔片，6、大尺寸试样，7、电流回路，8、测量电压回路，9、稳流器与电压信号测量集成装置，10、计算机。

具体实施方式

康铜箔片的粘贴步骤如下：

(1)、打磨试样。用粗细合适如80#的砂纸反复打磨表面裂纹所在试样表面。

(2)、清洗试样。用丙酮擦洗试样表面多遍，直至擦洗棉球无脏物为止。

(3)、锐化试样表面缺口。采用专用工具锐化表面缺口的两个前端，确保锐化深度和长度一致，且锐化方向在一条直线上，模拟实际表面裂纹。

(4)、配胶粘剂。将M-610环氧树脂胶粘剂的A与B组分按1∶1混合均匀。

(5)、放置胶粘剂。将混合好的胶粘剂放置60～90min。

(6)、涂胶。采用专用工具，将事先准备好的两片康铜箔片涂胶，胶层厚度尽可能涂薄(如不要超过0.1mm)，同时保证胶层涂抹均匀。

(7)、粘贴康铜箔片。将两片康铜箔片粘贴在表面裂纹的两端，注意保证康铜箔片上表面清洁。

(8)、定位康铜箔片。在显微镜下，轻轻移动两个康铜箔片，使其前端充分靠近表面裂纹的两个尖端，同时确保两个康铜箔片的几何中线位于表面裂纹两个尖端的锐化线上。

(9)、施压。将位置固定的两个康铜箔片上表面施加0.1～0.3MPa的压力。

(10)、固化待用。将粘贴好两个康铜箔片的试样放置在一个清洁无污染的环境中，放置12h以上固化。

电流、电压微小触点的焊接：

由于康铜箔片的电流、电压触点设计较小，为确保电流、电压线与相应触点的充分焊合，需要专用的焊接技术来实施，具体步骤如下：

(1)、检查康铜箔片的电流、电压触点是否清洁干净。

(2)、准备工作。准备好焊接电流、电压微小触点所用的工具如恒温尖头微型电烙铁、自行配置的专用助焊剂、低熔点细焊丝(如直径为0.5mm)等。

(3)、点加助焊剂。在保证电流、电压微小触点清洁干净的情况下，采用专用工具，依次在八个触点上适量点加自行配置的专用助焊剂。

(4)、选线。选用直径约为1mm的多股绝缘铜线四根。

(5)、焊接。将铜线端头抹上适量熔化的焊丝，准确地放在电流或电压微小触点上的助焊剂中(可用探照灯照明)，用恒温尖头微型电烙铁焊接，并确保每个焊点尽可能小。

(6)、检查。依次轻动焊接线，确保每个焊点牢固焊合。

康铜箔片测量表面裂纹长度标定测量系统的建立：

为实现表面裂纹长度的自动化测量，仅有康铜箔片是不够的，还需要有稳流器提供恒定的电流(如200mA)、需要有毫伏电压表测量康铜箔片两侧变化的电压，需要有计算机采集毫伏电压表的数据等，如图1为康铜箔片、稳流器与电压测量集成系统及计算机的连接图。

表面裂纹长度与康铜箔片两侧电压变化函数关系的建立：

利用康铜箔片测量表面裂纹长度的标定测量系统，通过稳流器与电压信号采集集成系统提供200mA的电流，测量康铜箔片两侧的电压变化。对康铜箔片的开裂长度与其两侧的电压变化进行标定，试验终止后撕去康铜箔片，比较表面裂纹的扩展长度与康铜箔片的开裂长度，结果表明，两者之间的误差不超过0.4％，因此，可以用康铜箔片的开裂长度作为表面裂纹的扩展长度。经试验标定，大尺寸试样表面裂纹扩展长度Δ2c与康铜箔片两侧的电压变化Δu的函数关系如下：

Δ2c(mm)＝0.07365Δu(mV)+0.08936(R＝0.9995)      (I)

根据上式，只要连续测量康铜箔片两侧的电压变化Δu，就可以通过计算机编程实现表面裂纹长度的连续自动测量。

试验方法：

根据以上建立的康铜箔片测量表面裂纹长度标定测量系统及表面裂纹长度与康铜箔片两侧电压变化关系的方程，就可以建立大尺寸试样表面裂纹长度自动测量方法。首先，将准备好的试样打磨、擦洗、缺口锐化，然后粘贴康铜箔片，12小时后焊接电流和电压的触点，接着连接系统进行试验，通过标定测量系统连续采集康铜箔片的电压变化，自动计算表面裂纹的扩展长度。最后，还可以根据试验获得的表面裂纹长度与循环周次的关系，建立表面裂纹扩展规律，从而为构件或材料的剩余服役寿命评估提供依据。

根据所建立的表面裂纹长度的自动测量系统和测量方法，进行了试验。试验在专门设计有悬臂弯曲加载系统的PWS-50型电液伺服材料试验机上进行，所用试样为板状形式，长为400mm，宽64mm，厚20mm，初始表面裂纹位于接近最大试样最大弯距处，锐化并预制的疲劳裂纹长度为8.83mm，约扩展15mm终止试验。采用悬臂弯曲的加载方式，位移控制，控制幅值为6mm，正弦波形，试验频率为1.0Hz。采用目测法和串联康铜箔片建立的表面裂纹长度自动测量系统同时测量表面裂纹长度，比较测量结果，并计算相应的误差。试验结果见表1。

表1 目测法与康铜箔片法自动测量表面裂纹长度的比较

a前/mm	a后/mm	2c/mm	u/mV	Δu/mV	Δ2c/mm	Δ2c′/mm	误差/％
								17.66	26.49	8.83	413.0	0.0	0.00	0.09	1.01
17.18	26.50	9.32	419.7	6.7	0.49	0.58	1.00
								16.74	26.89	10.15	426.9	13.9	1.32	1.11	-2.04
16.46	27.03	10.57	434.3	21.3	1.74	1.66	-0.77
								16.27	27.23	10.96	440.5	27.5	2.13	2.11	-0.14
15.92	27.51	11.59	447.8	34.8	2.76	2.65	-0.93
								15.81	27.74	11.93	455.5	42.5	3.10	3.22	1.00
15.38	28.07	12.69	463.5	50.5	3.86	3.81	-0.40
								15.00	28.37	13.37	473.3	60.3	4.54	4.53	-0.07
14.75	28.53	13.78	481.6	68.6	4.95	5.14	1.39
								14.09	29.26	15.17	500.3	87.3	6.34	6.52	1.18
12.57	29.92	16.35	516.9	103.9	7.52	7.74	1.36
								13.10	30.17	17.07	526.6	113.6	8.24	8.46	1.27
12.56	30.66	18.10	540.3	127.3	9.27	9.47	1.08
								11.92	31.30	19.38	554.0	141.0	10.55	10.47	-0.39

11.13	31.94	20.81	575.3	162.3	11.98	12.04	0.30
								10.44	32.71	22.27	592.0	179.0	13.44	13.27	-0.75
9.76	33.43	23.67	610.4	197.4	14.84	14.63	-0.90

注：表1中，a_前和a_后指采用目测法测量表面裂纹两端读数，2c和Δ2c分别指采用目测法测量表面裂纹长度及其增量，u和Δu分别指串联康铜箔片两测的电压及其变化量，Δ2c′指通过采用康铜箔片标定出的方程(I)式计算出的表面裂纹长度的增量。

从表1的测量与计算数据可知，采用本发明方法自动测量的表面裂纹长度与采用目测法测量的裂纹长度在整个裂纹扩展中的最大误差基本上不超过2.0％，测量精度明显高于其它方法。可见，本发明方法完全适用于连续自动测量大尺寸试样的表面裂纹长度，既满足了较高的测量精度，又明显节约了试验成本，降低了劳动强度，提高了工作效率。

Claims (3)

1、一种大尺寸试样表面裂纹扩展长度的自动测量方法，其特征是：在大尺寸试样表面裂纹两端分别粘贴具有一定形状的康铜箔片，将两片康铜箔片上位于非测量端的两个电压触点和两个电流触点分别串联，将两片康铜箔片测量端的两个电压触点和两个电流触点分别接入电压信号测量与采集系统和恒定的小电流供电系统；通过连续测量康铜箔片测量端由于其自身随表面裂纹扩展开裂而造成的电压变化，根据标定建立的康铜箔片测量端电压变化与表面裂纹长度的关系，得到大尺寸试样表面裂纹的扩展长度。

2、根据权利要求1所述的一种大尺寸试样表面裂纹扩展长度的自动测量方法，其特征是：由康铜箔片两侧的电压变化通过大尺寸试样表面裂纹扩展长度Δ2c(mm)与康铜箔片两侧的电压变化Δu的函数关系，即Δ2c(mm)＝0.07365Δu(mV)+0.08936(R＝0.9995)得到大尺寸试样表面裂纹扩展长度。

3、根据权利要求1所述的一种大尺寸试样表面裂纹扩展长度的自动测量方法，其特征是：所述的大尺寸试样表面裂纹在粘贴康铜箔片前进行锐化，即锐化大尺寸试样表面裂纹的两个前端，确保锐化深度和长度一致，且锐化方向在一条直线上，以模拟实际表面裂纹，使两个康铜箔片前端充分靠近表面裂纹的两个尖端，同时确保两个康铜箔片的几何中线位于表面裂纹两个尖端的锐化线上。

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