CN101975703B - 激光冲击加载材料动态断裂特性测量方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种应力波作用下材料力学特性的试验方法，尤其涉及激光冲击加载材料动态断裂特性测量方法和装置。其特征在于利用纳秒级的激光脉冲(8)诱导的冲击波对具有预制裂纹(1)的三点弯曲试样(4)进行加载，采用光弹和云纹相结合的方法，检测应力波(17)在三点弯曲试样(4)中的传播特性及裂纹的扩展特性。本装置利用多火花照相机光学系统(13)获得高加载率条件下材料与应力波相互作用的高速瞬态光弹图像，可清晰的观察到激光诱导的短脉冲应力波(17)的传播，通过处理可以准确、可靠的获得材料的断裂特性。

Description

激光冲击加载材料动态断裂特性测量方法和装置

技术领域

本发明涉及一种应力波作用下材料力学特性的试验方法，尤其涉及激光冲击加载材料动态断裂特性测量方法和装置。

背景技术

材料的动态断裂韧度(动态起裂韧度)是材料动态特性的重要参数，为裂纹体在动载作用下，动态应力强度因子的极限值，是材料的韧性参数。它作为现代损伤容限设计中的材料参数，可以弥补设计中的材料基本参数(K_IC，J_IC)没有考虑惯性效应及加载速率的影响，不能预测动载作用下材料及结构的安全性等不足。

动态断裂特性测量试验最重要的两个方面是加载和测试技术。目前，动态断裂研究中的试验设备基本上是摆锤和落重式试验机，应用最广泛的测试方法是Charpy冲击试验，美国的材料与试验学会(ASTM)和欧洲的结构完整性协会(ESIS)都提出了推荐标准。这种方法的优点是简单易行、费用少，尤其适合于工程应用。但它对试样、支座和摆锤结构等都提出了严格的要求，试验机必须有足够的能量使试样完全断裂，断裂能量不能超过总势能的80％，机器必须牢固固定在地面上，并保持其水平等等。

关于材料的动态性能测试方法有Hopkinson杆、分段式Hopkinson杆等(1.Ouk Sub Lee，GuanHee Kim，Myun Soo Kim et al.Dynamic deformation behavior of aluminum alloys under highstrain rate compressive/tensile loading[J].Journal of Mechanical Science and Technology，2003，Volume 17，Number 6，Pages 787-795)，(H.Huh，W.J.Kang and S.S.Han.A Tension SplitHopkinson Bar for Investigating the Dynamic Behavior of Sheet Metals[J].ExperimentalMechanics，2002，Volume 42，Number 1，Pages 8-17.)。这些方法都是应用扁平或方形截面的杆件测量和加载速率较低的冲击载荷(如子弹、落锤、摆锤)作用下材料的动态参数。在以上加载方法中，杆件加载的载荷持续作用时间较长，一般大于或等于10^-4秒。因此可以忽略杆中质点横向运动的惯性作用，把杆中的应力波作为一维平面波处理。然而，当加载的作用时间缩短时，以上方法就不能胜任在短时应力波加载条件下对材料动态性能的研究。如当用炸药作载荷源时，一般药量仅数十毫克，产生的爆炸载荷对试件的有效加载时间仅有十几微秒，例如重为100mg的DDNP炸药爆炸脉冲的先驱压缩相持续时间大约为15微秒。这在波速小于2000m/s的光弹性材料中产生的脉冲波长大约为30mm。在此条件下，要满足试件横向尺寸远小于加载波波长这个一维问题的基本假说，就会使得试件的横向尺寸仅为3mm左右。在这样窄的试件上采用光弹性和应变片测量爆炸作用下材料的动态参数无疑是十分困难的。由此可见，杆件加载的Hopkinson杆、分段式Hopkinson杆等方法仅适用研究在持续时间较长的载荷作用下应力波与材料作用的特性。

此外，传统的用物块撞击或炸药爆炸产生冲击波加载的方法加载率相对较低。动态断裂中加载率是衡量施加载荷的速率，在线弹性力学中，加载率参数

即裂纹尖端区的加载速率，可按下式定义：

${\stackrel{\·}{K}}_I=K_{\mathrm{IC}}/t_f$

式中K_IC为材料的断裂韧性，t_f为加载开始至裂纹开始扩展的时间间隔。

在杆件加载技术中，杆件加载的加载率

不够高，大概在10⁵～10⁶MPa m^1/2/s而炸药加载的加载率

虽然能达到10⁸量级，但是试验中要求试样的尺寸较大，材料浪费较多。

出于以上考虑，为进一步有效测定材料动态断裂特性，以二维模型为基础，针对光弹性材料，提出以下发明。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，提高动态断裂的加载率。提供一种激光冲击加载材料动态断裂特性测量方法和装置。

本发明所采取的技术方案是，将激光诱导的等离子体爆炸产生的冲击波作为加载载荷，取代了传统的用物块撞击或炸药爆炸产生冲击波的方法，从而大大提高了动态断裂的加载率。激光冲击加载的冲击波持续时间为纳秒级，根据加载率的公式计算，其加载率可达到10⁹量级。属于高速加载，是研究在极端条件下，材料和应力波作用的有效加载方法。

本发明方法的特征在于利用强激光脉冲诱导的等离子体爆炸产生比传统杆件加载和炸药加载所产生的历时更短，加载率更高的冲击波对特制的预制裂纹三点弯曲试样进行加载，并采用光弹和云纹相结合的方法，检测高加载率、超短脉冲应力波在试样中的传播特性及材料裂纹在应力波作用下的扩展特性。具体步骤为：

(1)制作带有预制裂纹的三点弯曲试样，在试样预制裂纹面的对面依次贴上吸收层、约束层，吸收层为黑漆或铝箔，约束层为K9玻璃；在沿应力波传播路径上的裂纹前端无裂纹处制作上试件栅和基准栅，所述试件栅和基准栅采用照相拷贝方法翻印在感光胶片或感光玻璃板上制作，栅频为50～100线/毫米，所述试件栅粘贴在三点弯曲试样上，基准栅与试件栅紧密接触；将三点弯曲试样放置在顶杆I、顶杆II一端，顶杆I和顶杆II与三点弯曲试样的接触点为三点弯曲试样的受力点；

(2)选择激光参数对特制的预制裂纹的三点弯曲试样进行加载；激光脉冲被吸收层吸收产生等离子体，等离子体在约束层约束下爆炸产生纳秒级的应力波向三点弯曲试样内部传播；同时，多火花照相机光学系统和示波器由计算机控制，分别记录图像和图像所对应的时刻；挡光板I和挡光板II放置在三点弯曲试样两侧，与约束层平齐，将激光脉冲和等离子体爆炸产生的光线挡住，以防止其干扰多火花照相机光学系统获取云纹和光弹图像；

(3)多火花照相机光学系统获取三点弯曲试样在应力波作用下的图像，每幅图的栅板部分为云纹图，其余部分为光弹图；通过云纹图像获得材料在应力波作用下的应变信息，从而计算得到动态材料条纹值f_σd；裂纹的传播速度根据所拍摄的动态光弹性照片，测出裂纹扩展的长度，每幅光弹照片所对应的时刻用示波器记录下来；绘制裂纹长度随时间变化的曲线，该曲线对时间的导数为裂纹传播速度。

(4)多火花照相机光学系统获取三点弯曲试样在应力波作用下的光弹图像；分析对光弹图像得出裂纹尖端的应力强度因子，从光弹图像判断裂纹扩展的临界应力强度因子为材料的断裂韧度；并且通过结合步骤(3)获得的裂纹传播速度得到动态应力强度因子随裂纹扩展速度变化的曲线。

动态应力强度因子随裂纹扩展速度变化的曲线即可表征材料动态断裂特性。

本发明的装置包括激光器、约束层、吸收层、试样栅、基准栅、三点弯曲试样、多火花照相机光学系统、示波器、计算机、顶杆I、顶杆II、挡光板I、挡光板II；所述多火花照相机光学系统包括电火花光源、透镜、检偏镜、起偏镜、四分之一波片、照相底片；所述顶杆I和顶杆II一端固定，另一端放置将三点弯曲试样，三点弯曲试样(4)的预制裂纹面正对两顶杆；所述三点弯曲试样(4)的预制裂纹面的对面依次贴上吸收层、约束层，在三点弯曲试样侧面沿应力波传播路径上的预制裂纹前端无裂纹处依次制作试件栅和基准栅，所述基准栅与试件栅紧密接触；所述挡光板I和挡光板II放置在三点弯曲试样(4)两侧，与约束层平齐；所述计算机与多火花照相机光学系统、示波器、激光器相连，所述多火花照相机光学系统与示波器相连。

本发明可以通过调节激光参数，如激光脉冲能量、脉冲宽度等来调节输入的应力波。实施本发明方法的装置包括激光器、约束层、吸收层、试件栅、基准栅、三点弯曲试样、多火花照相机光学系统、示波器、计算机、顶杆、挡光板组成。多火花照相机光学系统包括电火花光源、透镜、检偏镜、起偏镜、四分之一波片、照相底片。在三点弯曲试样上，吸收层和约束层贴于预制裂纹面的对面，试件栅和基准栅贴于沿应力波传播路径上的裂纹前端无裂纹处。

本发明的优点是：

(1)动态断裂特性的测量由激光冲击完成加载，脉冲时间短，并且加载率高于子弹加载和炸药加载。激光冲击加载是研究在短脉冲，高加载率条件下材料与应力波相互作用的有效加载方法。

(2)高速照相机光学系统能够获得高速瞬态光弹图像，能够清晰的观察到激光诱导的短脉冲应力波的传播，准确、可靠的获得材料的断裂特性。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

图1为三点弯曲试样的制作与准备

图2为测试系统主视图

图3为测试系统俯视图

图4为激光诱导产生冲击波的示意图

图中，1.预制裂纹 2.吸收层 3.约束层 4.三点弯曲试样 5.试件栅 6.基准栅 7.激光器 8.激光脉冲 9.顶杆I 10.顶杆II 11.挡光板I 12.挡光板II 13多火花照相机光学系统 14.示波器 15.计算机 16.等离子体 17.应力波

具体实施方式

装置可行性分析：三点弯曲试样4尺寸按照GB/T 21143-2007(金属材料准静态断裂韧度的统一试验方法)中规定制作。根据应力波波速定义：

可以计算得到应力波速大部分在1000～5000m/s范围内。WZDD-1型多火花照相机光学系统13，采用按4×4方正排列的小尺寸电火花光源，一次工作能将经历一段时间历程的16幅动态光弹图像记录下来。多火花照相机光学系统13的幅率可以调至2～80×10⁴幅/秒，即最小时间间隔为1.25微秒，十六张照片的最短时间历程为20微秒。因此可拍摄到应力波17在三点弯曲试样4中传播的距离为20～100mm。此距离可作三点弯曲试样4的尺寸符合实际。以上参数都可行，并且多火花照相机光学系统13有足够的时间分辨率，故装置可行。

本发明所使用的激光器7为高功率重复频率钕玻璃脉冲激光器，脉宽为10～100纳秒可调，波长1064/532纳米可选，能量在10～100J可调。根据所要输入的应力波17，选择合适的激光参数(包括激光脉冲能量、脉冲宽度、激光波长)。计算机15控制激光器7工作，激光脉冲8输出，此时计算机控制多火花照相机光学系统13、示波器14开始工作。应力波17在传播过程中首先经过试样栅5和基准栅6，多火花照相机光学系统13记录栅板部分所产生的云纹。目的是通过计算云纹得到材料在应力波17作用下产生的随时间变化的动态应变，进而计算得到动态材料条纹值f_σd。随着应力波17的推进，应力波17与预制裂纹1相互作用，多火花照相机光学系统13记录所产生的光弹图像。多火花照相机光学系统13可以使用北京科学仪器厂生产的WZDD-1型，它采用按4×4方正排列的小尺寸电火花光源，一次工作能将经历一段时间历程的16幅动态光弹图像记录下来。电火花闪光的脉冲宽度为400～500ns(对应脉光峰值1/3的时间间隔)。脉冲光之间的时间间隔可调，幅率可以调至2～80×10⁴幅/秒。

具体实施过程如下：

(1)制作带有预制裂纹1的三点弯曲试样4，在三点弯曲试样4预制裂纹1面的对面依次贴上吸收层2、约束层3，吸收层2为黑漆或铝箔等，约束层3为K9玻璃；在沿应力波17传播路径上的预制裂纹1前端无裂纹处制作上试件栅5和基准栅6，试件栅5和基准栅6采用照相拷贝方法翻印在感光胶片或感光玻璃板上制作而成，栅频为50～100线/毫米，试件栅5粘贴在三点弯曲试样4上，基准栅6与试件栅5紧密接触，如图1；将三点弯曲试样4放置在顶杆I9、顶杆II10一端，顶杆I9和顶杆II10与三点弯曲试样4的接触点为三点弯曲试样4的受力点。见图2。

(2)选择合适的激光参数(包括激光脉冲能量、脉冲宽度、激光波长)对具有预制裂纹1的三点弯曲试样4进行加载。激光脉冲8被吸收层2吸收产生等离子体16，等离子体16在约束层3约束下爆炸产生纳秒级的应力波17向三点弯曲试样4内部传播。见图4。同时，计算机控制多火花照相机光学系统13和示波器14开始工作，分别记录图像和图像所对应的时刻。挡光板I11和挡光板II12将激光脉冲8和等离子体16爆炸产生的光线挡住，以防止其干扰多火花照相机光学系统13获取云纹和光弹图像。见图3。

(3)多火花照相机光学系统13获取三点弯曲试样4在应力波17作用下的图像，每幅图的栅板部分为云纹图，其余部分为光弹图。通过云纹图像可以获得材料在应力波17作用下的应变信息，从而计算得到动态材料条纹值f_σd。裂纹的传播速度可以根据所拍摄的动态光弹性照片，测出裂纹扩展的长度，而每幅光弹照片所对应的时刻可用示波器14记录下来。于是便获得了裂纹长度随时间变化的曲线，该曲线对时间的导数即表示了裂纹的传播速度。

(4)多火花照相机光学系统13获取三点弯曲试样4在应力波17作用下的光弹图像。通过对光弹图像分析，可以计算出裂纹尖端的应力强度因子，从图中判断裂纹扩展的临界应力强度因子为材料的断裂韧度。并且通过结合步骤(3)获得的数据可以得到动态应力强度因子随裂纹扩展速度变化的曲线。

根据以下方法可以计算出裂纹尖端处的动态应力强度因子。以下是分析与计算：

裂纹的传播速度可以根据所拍摄的动态光弹照片，测出裂纹扩展的长度，而每幅照片所对应的时刻可用示波器14记录下来。于是便获得了裂纹长度随时间变化的曲线，该曲线对时间的导数即表示了裂纹的传播速度。从而为得到动态应力强度因子随裂纹扩展速度变化的曲线做准备。

纵波与横波波速可以从动态光弹图得到。由多火花照相机光学系统13记录16幅与应力波17传播相应的等差条纹；根据照片上纵波与横波对应条纹离爆炸面的距离和相应的记录时刻，得出纵波和横波的移动速度，即c₁、c₂。

动态泊松比v_d的确定：根据弹性应力波传播理论，在平面应力波情况下，纵波和横波波速可表示为

$c_1=\sqrt{E_d/\left[\mathrm{\ρ}(1-v_d^2)\right]}$

$c_2=\sqrt{E_d/\left[2\mathrm{\ρ}(1+v_d)\right]}$

所以动态泊松比v_d可以表示为v_d＝1-2(c₂/c₁)²

动态弹性模量E_d的确定： $E_d=(1-v_d^2)\mathrm{\ρ}{c}_1$

动态材料条纹值f_σd的确定：

由动态应力-光性定律得到：σ₁-σ₂＝N·f_σd/h

在中心轴对称的条件下(本试验中可近似看作中心轴对称，以等离子体爆炸中心为对称轴)有σ_R-σ_θ＝N·f_σd/h，

由二维胡克定律可推得 ${\mathrm{\σ}}_R-{\mathrm{\σ}}_{\mathrm{\θ}}=\frac{E_d}{1+v_d}({\mathrm{\ϵ}}_R-\frac{1}{R}\underset{R}{\∫}{\mathrm{\ϵ}}_R\mathrm{dR})$

最终可得 $f_{\mathrm{\σd}}=\frac{h{E}_d}{(1+v_d)N}({\mathrm{\ϵ}}_R-\frac{1}{R}\underset{R}{\∫}{\mathrm{\ϵ}}_R\mathrm{dR}).$

R-等离子体爆炸中心到选定点的距离

具体实验时是用动态云纹-光弹性方法同时记录与应力波17传播相应的等差条纹以及与之对称的位置上的云纹条纹。由等差条纹确定条纹级数沿径向的分布，由云纹条纹测定径向应变随R的分布。把应力波17上升前沿中不同位置上N值和ε_R值代入上式中，求出一系列f_σd，以其平均值作为f_σd的测量值。

动态光弹中确定应力强度因子的方法如下：根据Irwin提出的方法，利用弹性力学中求二维主应力的公式和应力光学定率有：

$\frac{1}{4}{(\frac{H}{\sqrt{r}}+{\mathrm{\σ}}_{0x})}^2+\frac{J^2}{r}-{\left(\frac{{\mathrm{Nf}}_{\mathrm{\σd}}}{2h}\right)}^2=0---\left(1\right)$

其中

f_σd为动态条纹值，N为条纹级数，h为试件厚度。

$H=\frac{K_I}{\sqrt{\mathrm{\π}}}{B}_I\left(c\right)\·\{(1+s_1^2){[f\left(c_1\right)+g\left(c_1\right)]}^{1/2}-\frac{4s_1{s}_2}{1+s_2^2}{[f\left(c_2\right)+g\left(c_2\right)]}^{1/2}\}$

$-\frac{K_{\mathrm{II}}}{\sqrt{\mathrm{\π}}}{B}_{\mathrm{II}}\left(c\right)\·\{(1+s_1^2){[f\left(c_1\right)-g\left(c_1\right)]}^{1/2}-(1+s_2^2){[f\left(c_2\right)-g\left(c_2\right)]}^{1/2}\}$

$J=\frac{K_I}{\sqrt{\mathrm{\π}}}{B}_I\left(c\right)\·s_1\{{[f\left(c_1\right)-g\left(c_1\right)]}^{1/2}-{[f\left(c_2\right)-g\left(c_2\right)]}^{1/2}\}$

$+\frac{K_{\mathrm{II}}}{4\sqrt{\mathrm{\π}}{s}_2}{B}_{\mathrm{II}}\left(c\right)\·\{{4s}_1{s}_2{[f\left(c_1\right)+g\left(c_1\right)]}^{1/2}-{(1+s_2^2)}^2{[f\left(c_2\right)+g\left(c_2\right)]}^{1/2}\}$

$B_I\left(c\right)=\frac{1+s_2^2}{4s_1{s}_2-{(1+s_2^2)}^2}$

$B_{\mathrm{II}}\left(c\right)=\frac{{2s}_2}{4s_1{s}_2-{(1+s_2^2)}^2}$

$f\left(c_i\right)=\frac{1}{\sqrt{1-\frac{c^2}{c_i^2}{\sin }^2\mathrm{\θ}}},i=\mathrm{1,2}$

$g\left(c_i\right)=\frac{\cos \mathrm{\θ}}{1-\frac{c^2}{c_i^2}{\sin }^2\mathrm{\θ}},i=\mathrm{1,2}$

$s_i^2=1-\frac{c^2}{c_i^2},i=\mathrm{1,2}$

K_I-纯I型应力强度因子

K_II-纯II型应力强度因子

c-裂纹扩展速度

c₁-纵波波速

c₂-横波波速

r-运动裂纹尖端为原点的极半径

θ-运动裂纹尖端为原点的极角

当获得动光弹断裂实验的条纹图以后，对于给定参数f_σd，h，c，c₁，c₂，在裂纹顶端附近、条纹的级数为N的试验等差图的条纹上选取一点，把改点的坐标值r、θ代入式(1)，可以得到一个关于待定K场的参数的方程。对于如此选定的m个点，可得出一组以K场参数为未知量的方程：

f_k(K_I，K_II，σ_0x)＝0

式中k＝1，2，...，m，这里m＞3。

利用不同的数据拟合方法如最小二乘法、阻尼最小二乘算法、随机投点法，便可以确定K场参数K_I，K_II，σ_0x。

根据以上数据，可以到动态应力强度因子随裂纹扩展速度变化的曲线。

Claims (3)

1.激光冲击加载的材料动态断裂特性测量方法，其特征在于，具体步骤为：

A）制作带有预制裂纹（1）的三点弯曲试样（4），在三点弯曲试样（4）预制裂纹（1）面的对面依次贴上吸收层（2）、约束层（3），吸收层（2）为黑漆或铝箔，约束层（3）为K9玻璃；在沿应力波（17）传播路径上的预制裂纹（1）前端无裂纹处制作试件栅（5）和基准栅（6），所述试件栅（5）和基准栅（6）采用照相拷贝方法翻印在感光胶片或感光玻璃板上制作，栅频为50~100线/毫米，所述试件栅（5）粘贴在三点弯曲试样（4）上，基准栅（6）与试件栅（5）紧密接触；将三点弯曲试样（4）放置在顶杆 

（9）、顶杆

（10）一端，顶杆

（9）和顶杆

（10）与三点弯曲试样（4）的接触点为三点弯曲试样（4）的受力点；

B）选择激光参数对特制的预制裂纹（1）三点弯曲试样（4）进行加载；激光脉冲（8）被吸收层（2）吸收产生等离子体（16），等离子体（16）在约束层（3）约束下爆炸产生纳秒级的应力波（17）向三点弯曲试样（4）内部传播；同时，多火花照相机光学系统（13）和示波器(14)在计算机（15）控制下开始工作，分别记录图像和图像所对应的时刻；挡光板

（11）和挡光板

（12）放置在三点弯曲试样（4）两侧，与约束层（3）平齐，将激光脉冲（8）和等离子体（16）爆炸产生的光线挡住，以防止其干扰多火花照相机光学系统（13）获取云纹和光弹图像；

C）多火花照相机光学系统（13）获取三点弯曲试样（4）在应力波（17）作用下的图像，每幅图的栅板部分为云纹图，其余部分为光弹图；通过云纹图像获得材料在应力波（17）作用下的应变信息，计算得到动态材料条纹值

；裂纹的传播速度根据所拍摄的动态光弹性照片，测出裂纹扩展的长度，每幅光弹照片所对应的时刻用示波器（14）记录下来；绘制裂纹长度随时间变化的曲线，该曲线对时间的导数为裂纹传播速度；

D）多火花照相机光学系统（13）获取三点弯曲试样（4）在应力波（17）作用下的光弹图像；分析光弹图像得到裂纹尖端的应力强度因子，从光弹图像判断裂纹扩展的临界应力强度因子为材料的断裂韧度； 

E）通过结合步骤（C）获得的裂纹传播速度得到动态应力强度因子随裂纹扩展速度变化的曲线：

裂纹的传播速度可以根据所拍摄的动态光弹照片，测出裂纹扩展的长度，而每幅照片所对应的时刻可用示波器（14）记录下来；于是便获得了裂纹长度随时间变化的曲线，该曲线对时间的导数即表示了裂纹的传播速度；

纵波与横波波速从动态光弹图得到，由多火花照相机光学系统（13）记录16幅与应力波（17）传播相应的等差条纹；根据照片上纵波与横波对应条纹离爆炸面的距离和相应的记录时刻，得出纵波和横波的移动速度，即、

；

动态泊松比的确定：根据弹性应力波传播理论，在平面应力波情况下，纵波和横波波速可表示为

    所以动态泊松比

可以表示为

动态弹性模量的确定：

式中ρ为试样材料密度；

动态材料条纹值

的确定：

由动态应力—光性定律得到：

在中心轴对称的条件下，即近似看作中心轴对称，以等离子体爆炸中心为对称轴，有

，

由二维胡克定律可推得

最终可得

—距等离子体爆炸中心R处的应变值；

—等离子体爆炸中心到选定点的距离；

具体实验时是用动态云纹—光弹性方法同时记录与应力波（17）传播相应的等差条纹以及与之对称的位置上的云纹条纹；由等差条纹确定条纹级数沿径向的分布，由云纹条纹测定径向应变随R的分布；把应力波（17）上升前沿中不同位置上

值和

值代入上式中，求出一系列

，以其平均值作为

的测量值；

动态光弹中确定应力强度因子的方法如下：根据Irwin提出的方法，利用弹性力学中求二维主应力的公式和应力光学定率有：

    （1）

其中

    

为动态条纹值，为条纹级数，

为试件厚度，

为远场应力；

  

  

  

—纯

型应力强度因子

—纯

型应力强度因子

—裂纹扩展速度

—纵波波速

—横波波速

—运动裂纹尖端为原点的极半径

—运动裂纹尖端为原点的极角

当获得动光弹断裂实验的条纹图以后，对于给定参数

，

，

，

，

，在裂纹顶端附近、条纹的级数为

的试验等差图的条纹上选取一点，把该点的坐标值

、

代入式（1），得到一个关于待定K场的参数的方程；对于如此选定的m个点，出一组以K场参数为未知量的方程：

式中k=1,2,…,m,这里m>3；

利用最小二乘法、阻尼最小二乘算法或随机投点法，确定场参数，

，

；

根据以上数据，得到动态应力强度因子随裂纹扩展速度变化的曲线。

2.根据权利要求1所述的激光冲击加载的材料动态断裂特性测量方法，其特征在于，采用强激光短脉冲，脉宽为10~100纳秒，波长1064/532纳米，能量在10~100J。

3.实施权利要求1所述的激光冲击加载的材料动态断裂特性测量方法的装置，其特征在于，包括激光器(7)、约束层(3)、吸收层(2)、试样栅(5)、基准栅(6)、三点弯曲试样(4)、多火花照相机光学系统(13)、示波器(14)、计算机(15)、顶杆

 (9)、顶杆

 (10)、挡光板

 (11)、挡光板

 (12)；所述多火花照相机光学系统(13)包括电火花光源、透镜、检偏镜、起偏镜、四分之一波片、照相底片；所述顶杆（9）和顶杆

（10）一端固定，另一端放置三点弯曲试样（4），所述三点弯曲试样(4)的预制裂纹（1）面正对两顶杆；所述三点弯曲试样(4)的预制裂纹（1）面的对面依次贴上吸收层（2）、约束层（3），在三点弯曲试样（4）侧面沿应力波（17）传播路径上的预制裂纹（1）前端无裂纹处依次制作试件栅（5）和基准栅（6），所述基准栅（6）与试件栅（5）紧密接触；所述挡光板

（11）和挡光板

（12）放置在三点弯曲试样(4)两侧，与约束层（3）平齐；所述计算机(15)分别与多火花照相机光学系统(13)、示波器(14)、激光器(7)相连，所述多火花照相机光学系统(13)与示波器(14)相连。

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