CN102564851A - 钛合金断裂过程焦散线测试装置和方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种钛合金断裂过程焦散线测试装置和方法，该装置中凸透镜(6)的光轴与凸透镜(4)的光轴呈90°夹角；半透半反镜(5)所在平面位于两个凸透镜所在平面夹角的角平分线处；点光源阵列(7)光路方向与凸透镜(6)的光轴重合，45°角穿过半透半反镜(5)的中心，与待测试样(2)的裂纹尖端处于同一水平高度；高速摄像机(3)的镜头的光轴与凸透镜(4)的光轴重合，呈45°角穿过半透半反镜(5)的中心；高速摄像机(3)到凸透镜(4)所在平面的距离，等于点光源阵列(7)到凸透镜(6)所在平面的距离；加载杆(1)的轴心穿过待测试样(2)中预制裂纹所在平面。本发明简单、易操作，准确性好。
Description
技术领域
本发明涉及一种钛合金断裂过程焦散线测试装置和方法，特别涉及一种钛合金断裂韧性的焦散线测试装置和方法，具体的说是一种利用点光源阵列按一定时间间隔发出的光线和利用高速摄影装置，根据高速摄影装置记录的加载之后钛合金试样表面反映的焦散线光学信息，计算动态应力强度因子随时间的变化曲线以及裂纹长度随时间变化的曲线，从而确定裂纹起裂时间、动态断裂韧性以及裂纹扩展速率的测试方法。属于一种材料的力学性能测试方法。
背景技术
在断裂力学中，按照载荷产生的应力强度因子变化率数值的大小对静态及动态载荷进行划分，当
时属于静态或准静态断裂加载；当
时属于动态断裂加载，必须考虑惯性效应的影响；当
时属于高动态加载，此时除必须考虑惯性效应外还必须考虑应力波与裂纹的相互作用。钛合金作为广泛应用于航空航天领域的结构材料，通常在服役过程中承受动态载荷。材料在动态加载条件下会有不同于静态条件的力学响应规律，材料或结构中的裂纹会更容易起裂。对于常规的钛合金断裂韧性试验，按照国家标准或国际标准中规定的实验速率加载，
的数值通常在10-3MPa·m1/2s-1或者更低的范围，属于静态或准静态条件下的试验，难以预测动态条件下材料或结构的安全性，因而对其动态断裂韧性的测试显得尤为重要。目前国内外尚未建立广泛适用的动态断裂韧性测试方法及标准。常用于动态断裂韧性测试的方法有示波冲击法及焦散线法等等。示波冲击法的不足之处在于，仅是采用静态条件的计算方法对动态条件进行近似计算，仅适用于低速冲击条件，难以测试裂纹扩展速率，难以对动态断裂的过程进行观测。焦散线法是常用于动态条件下测试应力强度因子的光测技术，具有测试精度高、实时性好的优点，但是由于设备条件等原因，国内采用该方法测试材料动态断裂韧性的研究较少，在金属材料方面的应用主要针对钢铁材料。由于钢铁材料不透明，其动态断裂行为试验采用反射式焦散线光路，该方案需要试样表面为镜面，从而获得足够的反射光强度。工作镜面的制备方法一般采用镜面转移法，即首先在光学平面玻璃上真空蒸镀一层铝箔，将镀有铝箔的玻璃用环氧树脂粘贴于试样表面，移除玻璃，即可在试样表层获得工作镜面。钛合金与钢铁材料相比有更明显的缺口敏感性和剪切变形的倾向，一方面导致镜面转移法获得的工作镜面在断裂过程中容易与试样剥离，另一方面会使I型断口与预制裂纹所在平面呈45°夹角，二者最终导致适用于钢铁材料测试的焦散线法方案难以适用于钛合金材料。因此，有必要建立一种适用于钛合金的，实验加载速率范围大的动态断裂过程观察方法及动态断裂韧性测试装置和方法。
发明内容
本发明的目的之一是提供一种钛合金断裂过程焦散线测试装置。
为实现所述目的，本发明采用的技术方案为：
一种钛合金断裂过程焦散线测试装置，其组成包括加载杆1、高速摄像机3、半透半反镜5、点光源阵列7及两个凸透镜4和6，凸透镜6的光轴与凸透镜4的光轴呈90°夹角；半透半反镜5所在平面位于凸透镜6所在平面与凸透镜4所在平面夹角的角平分线处；点光源阵列7光路方向与凸透镜6的光轴重合，呈45°角穿过半透半反镜5的中心，与待测试样2的裂纹尖端处于同一水平高度；高速摄像机3的镜头的光轴与凸透镜4的光轴重合，呈45°角穿过半透半反镜5的中心；高速摄像机3到凸透镜4所在平面的距离，等于点光源阵列7到凸透镜6所在平面的距离；加载杆1的轴心穿过待测试样2中预制裂纹所在平面。
一种优选的技术方案，其特征在于：所述点光源阵列7为N×N点光源阵列，在待测试样2受到动态载荷冲击之后以设定的时间间隔依次发光，由高速摄像机3依次记录N×N张图像。
本发明的第二个目的是提供一种利用上述的钛合金断裂过程焦散线测试装置进行钛合金断裂过程焦散线测试的方法。
为实现所述目的，本发明采用的技术方案为：
一种钛合金断裂过程焦散线测试方法，包括如下步骤：
(1)对钛合金待测试样2预制疲劳裂纹，然后在待测试样2能够被点光源阵列7照射的表面采用机械精抛光的方式加工获得镜面平面，在50×金相显微镜下观察无明显划痕；用游标卡尺测量试样2厚度d，确定钛合金的弹性模量E和泊松比v，计算钛合金应力光学常数c，计算公式为
(2)将待测试样2放置于测试装置中，确保加载杆1的轴心穿过待测试样2中预制裂纹所在平面，并且确保点光源阵列7发出的光线都能透过凸透镜6以及半透半反镜5之后垂直照射在待测试样2表面；
(3)在距离待测试样2镜面的背面一定距离的位置设置与待测试样2镜面的背面平行的参考平面，将高速摄像机3聚焦于参考平面，用米尺测量参考平面与待测试样2镜面的背面的距离z；
(4)用落锤系统、摆锤系统、霍普金森(Hopkinson)压杆系统或者气炮系统驱动加载杆，对待测试样2加载，之后，点光源阵列7相隔特定的时间间隔依次发光，光线穿过凸透镜6和半透半反镜5照射到待测试样2镜面表面，待测试样2镜面表面的反射光线形成焦散线及焦散斑图像，经半透半反镜5反射改变光路，透过凸透镜4进入高速摄像机3；高速摄像机3依次记录各个时刻的待测试样表面裂纹扩展位置、焦散线及焦散斑图像；
(5)对步骤(4)中获得的各张图像底片分别测量，确定焦散线特征尺寸D，计算各个时刻对应的应力强度因子；分别对各张底片测量确定裂纹长度a，并确定裂纹起裂时刻，裂纹起裂时刻的应力强度因子即作为动态断裂韧性；对裂纹起裂之后各个时刻对应的裂纹长度进行最小二乘拟合，所得直线的斜率为裂纹平均扩展速率。
一种优选的技术方案，其特征在于：对于I型动态断裂韧性测试，所述待测试样采用三点弯曲试样或四点弯曲试样；对于II型动态断裂韧性测试，所述待测试样采用剪切试样。
一种优选的技术方案，其特征在于：对于I型动态断裂韧性测试，当I型应力强度因子变化率在范围时，在待测试样表面上的预制裂纹位置处加工贯穿整个待测试样高度的浅槽。
一种优选的技术方案，其特征在于：对待测试样加载时，依据所需的应力强度因子变化率
的范围选择加速系统，当
时选择落锤或摆锤系统；当
时选择霍普金森(Hopkinson)压杆系统或者气炮系统。
一种优选的技术方案，其特征在于：步骤(5)中，对于I型动态断裂韧性测试，各个时刻t对应的应力强度因子KId(t)计算公式为对于II型动态断裂韧性测试，各个时刻t对应的应力强度因子KIId(t)计算公式为
本发明的装置根据高速摄像机3最终记录的N×N张一系列底片上反映的不同时刻在待测试样2裂纹尖端在表面产生的焦散线特征尺寸计算相应时刻的应力强度因子，根据不同时刻焦散斑的位置计算相应时刻的裂纹长度并计算平均裂纹扩展速率，根据裂纹起裂时刻的应力强度因子确定动态断裂韧性。
该测试方法的优点在于，试验过程中仅需对焦散线特征尺寸这一个变量随时间的变化规律进行测量即可计算确定钛合金断裂过程应力强度因子随时间变化规律、裂纹长度随时间变化规律、动态断裂韧性及裂纹平均扩展速率，加载速率范围通过选择不同的加载系统进行控制，改进之后的表面处理工艺能够解决钛合金断裂过程中镜面与试样剥离现象，钛合金试样表面加工的浅槽能够约束裂纹扩展路径并防止出现45°斜断口，从而建立了适合钛合金动态断裂研究的焦散线方法。
下面通过附图和具体实施方式对本发明做进一步说明，但并不意味着对本发明保护范围的限制。
附图说明
图1为本发明钛合金动态断裂韧性测试装置的结构示意图。
具体实施方式
如图1所示为本发明用于测试钛合金动态断裂韧性的钛合金断裂过程焦散线测试装置的示意图，其组成为：加载杆1、待测试样2、高速摄像机3、凸透镜4、凸透镜6、半透半反镜5和点光源阵列7，凸透镜6的光轴与凸透镜4的光轴呈90°夹角；半透半反镜5所在平面位于凸透镜6所在平面与凸透镜4所在平面夹角的角平分线处；点光源阵列7光路方向与凸透镜6的光轴重合，呈45°角穿过半透半反镜5的中心，与待测试样2的裂纹尖端处于同一水平高度；高速摄像机3的镜头的光轴与凸透镜4的光轴重合，呈45°角穿过半透半反镜5的中心；高速摄像机3到凸透镜4所在平面的距离，等于点光源阵列7到凸透镜6所在平面的距离，加载杆1的轴心穿过待测试样2中预制裂纹所在平面。
所述点光源阵列7为N×N点光源阵列，在待测试样2受到动态载荷冲击之后以设定的时间间隔依次发光，由高速摄像机3依次记录N×N张图像。
实施例1
测试钛合金I型动态断裂韧性，结合本发明的钛合金断裂过程焦散线测试装置，具体测试步骤如下：
(1)对于某牌号钛合金I型动态断裂韧性测试，采用三点弯曲试样或四点弯曲试样，对上述形式的待测试样2预制疲劳裂纹。当I型应力强度因子变化率在
范围时，在待测试样2表面上的预制裂纹位置处加工贯穿整个试样高度的浅槽。上述形式的待测试样2能够被点光源阵列照射的表面采用机械精抛光的方式加工获得镜面平面，在50×金相显微镜下观察无明显划痕。用游标卡尺测量试样厚度d＝5mm。确定钛合金的弹性模量E＝115GPa和泊松比v＝0.3，计算钛合金应力光学常数c，c计算公式为
(2)将待测试样2放置于测试装置中，确保加载杆1的轴心穿过待测试样2中预制裂纹所在平面，并且确保点光源阵列7发出的光线都能透过凸透镜4、6以及半透半反镜5之后垂直照射在待测试样2表面。
(3)在待测试样2镜面的背面一定距离的位置设置与试样表面平行的参考平面，将高速摄像机3聚焦于参考平面，用米尺测量参考平面与待测试样的距离z＝370mm。
(4)待测试样2所需的应力强度因子变化率
的范围为
选择落锤或摆锤系统驱动加载杆1，对待测试样2加载(对待测试样2提供动态载荷)。待测试样2加载之后，点光源阵列7相隔特定的时间间隔(本实施例中为20μs)依次发光，光线穿过凸透镜6和半透半反镜5照射到待测试样2表面，由于受到载荷的作用待测试样2表面的反射光线形成焦散线及焦散斑图像，经半透半反镜5反射改变光路，透过凸透镜4进入高速摄影系统。高速摄像机3依次记录各个时刻的试样表面裂纹扩展位置、焦散线及焦散斑图像。
(5)对过程(4)中获得的各张底片分别测量，分别确定焦散线特征尺寸D，对于I型载荷，各个时刻t对应的应力强度因子KId(t)计算为
分别对各张底片测量确定裂纹长度a。预制裂纹尖端应力强度因子随着加载时间的延长逐渐升高，当裂纹扩展时开始下降；预制裂纹长度a在裂纹扩展之后数值急剧升高，结合应力强度因子KId(t)和裂纹长度a数值变化规律确定裂纹起裂时刻。当t＝300μs左右时，焦散线特征尺寸D＝8.28mm，此时KId计算为121MPa·m1/2，在t＝300μs时刻之后，应力强度因子下降，裂纹长度开始增加，即t＝300μs时刻为裂纹起裂时刻。裂纹起裂时刻的应力强度因子数值即作为动态断裂韧性。对裂纹起裂之后各个时刻对应的裂纹长度进行最小二乘拟合，所得直线的斜率为裂纹平均扩展速率，计算得36.0m/s。
实施例2
测试钛合金II型动态断裂韧性，结合本发明的钛合金断裂过程焦散线测试装置，具体测试步骤如下：
(1)对于某牌号钛合金II型动态断裂韧性测试采用剪切试样，对上述形式的待测试样2预制疲劳裂纹。上述形式的待测试样2能够被点光源阵列照射的表面采用机械精抛光的方式加工获得镜面平面，在50×金相显微镜下观察无明显划痕。用游标卡尺测量试样厚度d＝5mm。确定钛合金的弹性模量E＝115GPa和泊松比v＝0.3，计算钛合金应力光学常数c，c计算为
(2)将待测试样2放置于测试装置中，确保加载杆1的轴心穿过待测试样2中预制裂纹所在平面，并且确保点光源阵列7发出的光线都能透过凸透镜4、6以及半透半反镜5之后垂直照射待测试样2表面。
(3)在待测试样2镜面的背面一定距离的位置设置与试样表面2平行的参考平面，将高速摄像机3聚焦于参考平面，用米尺测量参考平面与待测试样2的距离z＝370mm。
(4)待测试样2所需的应力强度因子变化率
的范围为
选择Hopkinson压杆系统或者气炮系统驱动加载杆，对待测试样2加载(对待测试样2提供动态载荷)。当待测试样2加载之后，点光源阵列7相隔特定的时间间隔(本实施例中为15μs)依次发光，光线穿过凸透镜6和半透半反镜5照射到待测试样2表面，由于受到载荷的作用待测试样2表面的反射光线形成焦散线及焦散斑图像，经半透半反镜5反射改变光路，透过凸透镜4进入高速摄影系统。高速摄像机3依次记录各个时刻的试样表面裂纹扩展位置、焦散线及焦散斑图像。
(5)对过程(4)中获得的各张底片分别测量，确定焦散线特征尺寸D，对于II型载荷，各个时刻t对应的应力强度因子KIId(t)计算为分别对各张底片测量确定裂纹长度a，并确定裂纹起裂时刻。预制裂纹尖端应力强度因子随着加载时间的延长逐渐升高，当裂纹扩展时开始下降；预制裂纹长度a在裂纹扩展之后数值急剧升高，结合应力强度因子KIId(t)和裂纹长度a数值变化规律确定裂纹起裂时刻。当t＝150μs左右时，焦散线特征尺寸D＝7.22mm，此时KIId计算为97MPa·m1/2，在t＝150μs时刻之后，应力强度因子下降，裂纹长度开始增加，即t＝300μs时刻为裂纹起裂时刻。裂纹起裂时刻的应力强度因子即作为动态断裂韧性。对裂纹起裂之后各个时刻对应的裂纹长度进行最小二乘拟合，所得直线的斜率为裂纹平均扩展速率42.6m/s。本发明简单、易操作，准确性好。
Claims (9)
1.一种钛合金断裂过程焦散线测试装置，其组成包括加载杆(1)、高速摄像机(3)、半透半反镜(5)、点光源阵列(7)及两个凸透镜(4)和(6)，凸透镜(6)的光轴与凸透镜(4)的光轴呈90°夹角；半透半反镜(5)所在平面位于凸透镜(6)所在平面与凸透镜(4)所在平面夹角的角平分线处；点光源阵列(7)光路方向与凸透镜(6)的光轴重合，呈45°角穿过半透半反镜(5)的中心，与待测试样(2)的裂纹尖端处于同一水平高度；高速摄像机(3)的镜头的光轴与凸透镜(4)的光轴重合，呈45°角穿过半透半反镜(5)的中心；高速摄像机(3)到凸透镜(4)所在平面的距离，等于点光源阵列(7)到凸透镜(6)所在平面的距离；加载杆(1)的轴心穿过待测试样(2)中预制裂纹所在平面。
2.根据权利要求1所述的钛合金断裂过程焦散线测试装置，其特征在于：所述点光源阵列(7)为N×N点光源阵列，在待测试样(2)受到动态载荷冲击之后以设定的时间间隔依次发光，由高速摄像机(3)依次记录N×N张图像。
3.一种钛合金断裂过程焦散线测试方法，包括如下步骤：
1)对钛合金待测试样(2)预制疲劳裂纹，然后在待测试样(2)能够被点光源阵列(7)照射的表面采用机械精抛光的方式加工获得镜面平面，在50×金相显微镜下观察无明显划痕；用游标卡尺测量试样(2)厚度d，确定钛合金的弹性模量E和泊松比v，计算钛合金应力光学常数c，计算公式为
2)将待测试样(2)放置于测试装置中，使加载杆(1)的轴心穿过待测试样(2)中预制裂纹所在平面，并且确保点光源阵列(7)发出的光线都能透过凸透镜(6)以及半透半反镜(5)之后垂直照射在待测试样(2)表面；
3)在待测试样(2)镜面的背面一定距离的位置设置与待测试样(2)表面平行的参考平面，将高速摄像机(3)聚焦于参考平面，用米尺测量参考平面与待测试样(2)镜面的背面的距离z；
4)用落锤系统、摆锤系统、霍普金森压杆系统或者气炮系统驱动加载杆，对待测试样(2)加载，之后，点光源阵列(7)相隔特定的时间间隔依次发光，光线穿过凸透镜(6)和半透半反镜(5)照射到待测试样(2)表面，待测试样(2)表面的反射光线形成焦散线及焦散斑图像，经半透半反镜(5)反射改变光路，透过凸透镜(4)进入高速摄像机(3)；高速摄像机(3)依次记录各个时刻的待测试样表面裂纹扩展位置、焦散线及焦散斑图像；
5)对步骤4)中获得的各张图像底片分别测量，确定焦散线特征尺寸D，计算各个时刻对应的应力强度因子；分别对各张底片测量确定裂纹长度a，并确定裂纹起裂时刻，裂纹起裂时刻的应力强度因子即作为动态断裂韧性；对裂纹起裂之后各个时刻对应的裂纹长度进行最小二乘拟合，所得直线的斜率为裂纹平均扩展速率。
4.根据权利要求3所述的钛合金断裂过程焦散线测试方法，其特征在于：所述待测试样采用三点弯曲试样或四点弯曲试样。
5.根据权利要求3所述的钛合金断裂过程焦散线测试方法，其特征在于：所述待测试样采用剪切试样。
6.根据权利要求3所述的钛合金断裂过程焦散线测试方法，其特征在于：对于I型动态断裂韧性测试，当I型应力强度因子变化率在
范围时，在待测试样表面上的预制裂纹位置处加工贯穿整个待测试样高度的浅槽。
7.根据权利要求3所述的钛合金断裂过程焦散线测试方法，其特征在于：对待测试样加载时，当应力强度因子变化率
的范围为时，选择落锤或摆锤系统。
8.根据权利要求3所述的钛合金断裂过程焦散线测试方法，其特征在于：对待测试样加载时，当应力强度因子变化率
的范围为
时，选择霍普金森压杆系统或者气炮系统。
9.根据权利要求3所述的钛合金断裂过程焦散线测试方法，其特征在于：步骤5)中，对于I型动态断裂韧性测试，各个时刻t对应的应力强度因子KId(t)计算公式为
对于II型动态断裂韧性测试，各个时刻t对应的应力强度因子KIId(t)计算公式为
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