CN108593469A - 一种基于位移测量的微型薄膜试件疲劳裂纹监测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于位移测量的微型薄膜试件疲劳裂纹监测方法，将位移传感器安装在微型薄膜试件的夹持部分；对微型薄膜试件进行疲劳加载，通过位移传感器记录在每个循环内的最大位移和最小位移，分别记为D_max、D_min；计算D_max和D_min的差值记为ΔD，先在某些循环内找稳定，再将稳定的ΔD值作为裂纹评估参量，得到ΔD随着循环数的变化情况，将该值作为评估微型薄膜试件缺口部位危险点附近疲劳裂纹的萌生与扩展情况；考察裂纹评估参量ΔD的值，当裂纹评估参量ΔD超过某一判别参数时，表征微型薄膜试件缺口部位危险点附近有裂纹萌生；本方法能够准确地监测微型薄膜试件疲劳裂纹的萌生情况。同时，本方法操作方便，实用性强，有很大的工程实用潜力。

Description

一种基于位移测量的微型薄膜试件疲劳裂纹监测方法

技术领域

本发明应用领域是疲劳裂纹监测方向，特指一种基于位移测量微型薄膜试件疲劳裂纹监测方法。

背景技术

据统计，机械零件的断裂事故中，80％以上都是由于金属疲劳引起的，不仅造成了经济损失，也存在很大的安全隐患。微型薄膜材料在MEMS(micro-electro-mechanicalsystem)元器件中得到了广泛使用。然而由于微型薄膜在使用过程中常因循环交变载荷的作用发生破坏。疲劳破坏往往是由一条疲劳裂纹的萌生开始的，当疲劳裂纹扩展到一定长度，会直接引发结构破坏导致事故。因此，微型薄膜疲劳裂纹监测方法对保证MEMS元器件安全可靠服役具有重要的实际意义。

目前的裂纹监测通常是在裂纹的萌生处安装传感器，但是疲劳裂纹一般都是在应力集中的部位产生，而很多应力集中部位由于结构尺寸和结构用途等缘故无法进行传感器的安装；并且微型薄膜试件是很脆弱的材料，在试件表面安装传感器很容易对试件造成永久损伤，因此，找到一种非直接接触的在非应力集中危险点部位安装传感器间接监测，并且能够准确捕捉裂纹的萌生与扩展情况的实时监测方法是一项非常具有应用价值的工作。

发明内容

本方法目的在于监测微型薄膜试件疲劳裂纹，提出了一种基于位移测量微型薄膜试件疲劳裂纹监测方法，保证MEMS元器件安全可靠服役，具有重要的实际意义。

本方法提供的一种基于位移测量微型薄膜试件疲劳裂纹监测方法，其步骤为：

步骤1)将位移传感器安装在微型薄膜试件的夹持部分；

步骤2)对微型薄膜试件进行疲劳加载，通过位移传感器记录在每个循环内的最大位移和最小位移，分别记为D_max、D_min；

步骤3)计算D_max和D_min的差值ΔD_n+1，先在800-1500个循环内找稳定，即：Δ_n＝ΔD_n+1-ΔD_m，m＝k时n＝k,k+1,k+2,...,n，Δ_n的值在800-1500个循环内的值基本在同一个数量级，则将ΔD_m记为稳定值，将ΔD_m值作为裂纹评估参量。将ΔD_m值作为评估微型薄膜试件缺口部位危险点附近疲劳裂纹的萌生与扩展情况；

步骤4)考察裂纹评估参量ΔD_m的值。Δ_n＝ΔD_n+1-ΔD_m，m＝k时n＝k,k+1,k+2,...,n当Δ_n大于等于在800-1500个循环内的同一数量级数中的最大值时，表征微型薄膜试件缺口部位危险点附近有裂纹萌生；

所述步骤1)中，位移传感器不需和微型薄膜试件直接接触，避免对微型试件造成损伤，扩大了使用范围；

所述步骤3)中，计算D_max和D_min差值ΔD_n+1，选用稳定值ΔD_m作为裂纹评估参量。

与现有技术相比，本方法的优点在于：提出了一种基于位移测量的微型薄膜试件疲劳裂纹监测方法。该方法所利用的测位移装置无需和微型薄膜试件直接接触，避免对微型薄膜试件造成伤害，对位移传感器的尺寸和类型没有严格的限制，扩大了使用范围。并且该方法能够准确地监测微型薄膜试件疲劳裂纹的萌生情况。

附图说明

图1本方法实现疲劳裂纹监测的流程图。

图2本方法的位移传感器安装示意图。

图3本方法应用到铜薄膜试件的疲劳裂纹监测效果图。

具体实施方式

现结合附图通过铜薄膜试件疲劳试验对本方法作进一步说明，对长度为18mm，宽度为4mm，厚度为0.025mm的铜薄膜试件施加应力幅为160MPa，应力比为0.1的脉动循环载荷，直至试件断裂。其步骤为：

步骤1)：对铜薄膜试件进行标定，使危险点在标定范围内，标定的范围如图2所示；

步骤2)：将位移传感器和夹具相连，夹具夹住铜薄膜试件的夹持部分，如图2所示；

步骤3)：对铜薄膜试件进行应力幅为160MPa,应力比为0.1的脉动循环加载，通过位移传感器记录在每个循环内的最大位移和最小位移，分别记为D_max和D_min；

步骤4)计算D_max和D_min的差值记为ΔD_n+1，先在1000个循环内找稳定，即：Δ_n＝ΔD_n+1-ΔD_m(m＝k时n＝k,k+1,k+2,...,n)，Δ_n的值在1000个循环内的值基本在同一个数量级，则将ΔD_m记为稳定值，将ΔD_m值作为裂纹评估参量。将ΔD_m值作为评估金属薄膜试件缺口部位危险点附近疲劳裂纹的萌生与扩展情况；

步骤5)考察裂纹评估参量ΔD_m值，当裂纹评估参量ΔD_n+1≥1.0035ΔD_m，表征金属薄膜试件缺口部位危险点附近有裂纹萌生；

本方法的优点在于：提出了一种基于位移测量的铜薄膜试件疲劳裂纹监测方法。使用该方法传感器无需和铜薄膜试件直接接触，而是通过考察在夹具处的位移传感器测量铜薄膜试件的位移变化来间接反映裂纹的萌生与扩展情况，如图2所示，该铜薄膜试件危险点位于缺口底部，但是由于铜薄膜试件尺寸问题和刚度很小，不能直接和铜薄膜试件接触，无法将传感器安装于缺口处，采用本方法只需将传感器安装在铜薄膜试件夹持部分，即可对该铜薄膜试件进行实时的疲劳裂纹监测。因此，本方法更便于应用到各种环境下进行疲劳裂纹的实时监测，同时该方法能够准确地监测铜薄膜试件疲劳裂纹的萌生情况，而且可以灵敏的监测铜薄膜试件疲劳裂纹扩展到断裂的情况。

为了验证本方法提出的一种基于位移测量的铜薄膜试件疲劳裂纹监测方法的效果，将本方法所得的监测的结果与实际观测得到的裂纹萌生扩展曲线比较，如图3所示。结果表明，基于本方法监测的裂纹萌生长度为6.65um，及时地捕捉了疲劳裂纹的萌生，保证了铜薄膜试件的安全服役，因此，提出的金属薄膜试件疲劳裂纹监测方法能够精准的监测疲劳裂纹的萌生与扩展到断裂情况。

Claims (3)

1.一种基于位移测量的微型薄膜试件疲劳裂纹监测方法，其特征在于：该方法的实现包括如下过程：

步骤1)将位移传感器安装在微型薄膜试件的夹持部分；

步骤2)对微型薄膜试件进行疲劳加载，通过位移传感器记录在每个循环内的最大位移和最小位移，分别记为D_max、D_min；

步骤3)计算D_max和D_min的差值ΔD_n+1，先在800-1500个循环内找稳定，即：Δ_n＝ΔD_n+1-ΔD_m，_m＝k时n＝k,k+1,k+2,...,n，Δ_n的值在800-1500个循环内的值基本在同一个数量级，则将ΔD_m记为稳定值，则将ΔD_m值作为裂纹评估参量；将ΔD_m值作为评估微型薄膜试件缺口部位危险点附近疲劳裂纹的萌生与扩展情况；

步骤4)考察裂纹评估参量ΔD_m的值；Δ_n＝ΔD_n+1-ΔD_m，m＝k时n＝k,k+1,k+2,...,n当Δ_n大于等于在800-1500个循环内的同一数量级数中的最大值时，表征微型薄膜试件缺口部位危险点附近有裂纹萌生。

2.根据权利要求1所述的一种基于位移测量的微型薄膜试件疲劳裂纹监测方法，其特征在于：所述步骤1)中，位移传感器不需和微型薄膜试件直接接触，避免对微型试件造成损伤，扩大了使用范围。

3.根据权利要求1所述的一种基于位移测量的微型薄膜试件疲劳裂纹监测方法，其特征在于：所述步骤3)中，计算D_max和D_min差值ΔD_n+1，选用稳定值ΔD_m作为裂纹评估参量。