[發明專利]一種高溫斷裂參數測試方法及其裝置

無效

• 申請號: 200710044474.6
• 申請日: 2007-08-01
• 公開（公告）號: CN101144785A
• 公開（公告）日: 2008-03-19
• 發明（設計）人: 軒福貞;張宏宇;涂善東
• 申請（專利權）人: 華東理工大學
• 主分類號: G01N21/95
• 分類號: G01N21/95;G06F17/00
• 代理公司: 上海智信專利代理有限公司
• 代理人: 繆利明

技術領域

本發明屬于機械工程、材料、力學和實驗技術的交叉領域，具體涉及一種高溫斷裂參數測試方法及其裝置。

背景技術

先進斷裂力學的發展，使得機械結構的可靠性和安全評定成為可能。實施高溫環境下的結構防斷設計和壽命評定，掌握高溫蠕變裂紋的擴展規律是必要條件，離不開對高溫裂變擴展的精確測量，因而進行金屬高溫蠕變裂紋擴展試驗十分必要。

測量裂紋擴展的方法很多，如早期傳統的采用顯微鏡目測裂紋長度的方法，申請號為89106103.7的中國發明專利所公開的自動測量表面裂紋擴展參數的方法，申請號為200610051602.5的中國發明專利申請公開的利用諧振加載原理的裂紋擴展測試方法等。但目前這些方法的使用局限于常溫環境，還未見用于高溫蠕變裂紋擴展測量的探討，而且往往具有較大的局限。基于柔度理論的柔度法雖然能夠用于較高溫度的蠕變裂紋長度測量，然而其精度不很理想，且由于引伸計不易用于過高溫度使得在高溫裂紋測量中受到局限。

目前可用于高溫裂變測試的方法主要有兩種：第一種方法為電位法，主要是利用在試樣兩端施加恒定電流，通過測定裂紋面兩端的電位差來間接獲取裂紋擴展長度；這種方法的缺點是結果精確度受到儀器的限制，且影響因素較多，數據結果分散性大。第二種方法是引伸計方法，該方法用于金屬蠕變開裂擴展速率測量，需要通過將引伸計伸至試樣開口處加載線上下兩端的凹槽，來獲得試樣的加載線位移，進而確定金屬材料的裂紋擴展長度，精度較高，其缺點是對引伸計的要求較高，且價格昂貴，因而難以廣泛使用。目前上述兩種方法已納入美國材料試驗學會標準E1457-00。

發明內容

本發明的目的就在于提供一種用于高溫斷裂參數測試的裝置，該裝置基于非接觸光學測量原理，能夠較好地獲取高溫環境下金屬材料的蠕變裂紋擴展長度和斷裂參數。

本發明的另一個目的在于提供一種基于所述裝置的高溫斷裂參數測試方法。

本發明的高溫蠕變斷裂參數測試裝置包括：

加載機構，用于對試樣進行加載，其內部設有高溫加熱爐，高溫加熱爐上設有開孔，并在開孔內安裝耐高溫玻璃；

白熾光源，用于透過耐高溫玻璃照射試樣以產生視頻信號；

CCD(電荷耦合器件)攝像機，用于攝取高溫環境下試樣表面開口不同時刻的視頻信號(圖像)，并將視頻信號傳輸至數據采集卡，CCD攝像機并帶有三維移動三角支架，用于調整CCD攝像機的定位；

數據采集卡，將來自CCD攝像機的視頻信號轉換成數字信號并存儲于計算機上；和

電子計算機，用于存儲數字信號。

本發明的基于上述裝置的高溫斷裂參數測試方法包括以下步驟：

A、將試樣安裝到加載機構上，打開加載機構的控制系統、高溫加熱爐以及溫度控制系統，設定試驗參數，啟動高溫加熱爐；

B、打開白熾光源，讓白光照射到試樣表面，調整CCD攝像機的位置，使其能夠捕捉透過耐高溫玻璃反射回來的光線；

C、啟動加載機構對試樣進行加載，待穩定后，通過CCD攝像機定時采集試樣表面的視頻信號(圖像)，并將信號傳輸至數據采集卡，再由數據采集卡將視頻信號轉換成數字信號，然后存儲于計算機上；

D、根據采集得到的數字信號，計算不同時間t_i時裂紋嘴上下兩端的距離δ_i，獲取數據序列{t_i，δ_i|i＝1，2，3}，運用相似三角形法得到裂紋擴展長度a，與裂紋嘴上下兩端的距離δ_i之間的幾何關系；

E、試驗結束后，在低溫下將試樣端口打開，實測裂紋擴展長度，與計算所得的裂紋擴展長度進行比較，以比例系數η對裂紋擴展長度a進行修正；

F、分別將裂紋嘴張開位移和蠕變裂紋擴展長度與其對應的時間進行擬合，得到裂紋嘴張開位移隨時間變化的函數表達式δ₁＝δ(t)以及裂紋擴展長度隨時間變化的函數表達式a₁＝f(t)，分別對其求導，得到裂紋嘴張開速率δ和蠕變裂紋擴展速率a，修正裂紋嘴張開速率，由此得到高溫斷裂參數C^*(t)的函數表達式。

本發明的高溫斷裂參數測試方法及其裝置可以實現高溫條件下的測量，精度高，可達微米級，能夠實現斷裂參量的長時測量和準確計算，從而為機械結構的安全設計與定量壽命評估提供基礎數據。

附圖說明

圖1為本發明的高溫斷裂參數測試裝置的示意圖。

圖2為本發明的高溫斷裂參數測試方法的操作流程圖。

圖3為相似三角形法求裂紋擴展長度的示意圖。

圖4為高溫加熱爐的開孔示意圖。