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原文传递一种蠕变裂纹扩展C*积分的测试装置与方法

专利名称：	一种蠕变裂纹扩展C*积分的测试装置与方法
摘要：	本发明公开了一种蠕变裂纹扩展C积分的测试装置与方法，涉及材料高温蠕变裂纹扩展测试领域。测量系统包括持久蠕变试验机(1)、带观察窗的高温炉(2)、高温夹具(3)、热电偶(4)、控温装置(5)、分光装置(6)、图像采集装置(7)、光源(8)和DIC应变分析系统。测试方法通过DIC技术获取含预制裂纹的表面在试验载荷下的位移场和应变场数据，再将数据代入根据离散化后的C积分公式中，进行数值积分计算，最终获得C积分参量。本发明的装置和方法能够高效获取蠕变裂纹尖端的应变场，自动高效计算C积分的真实值，获取金属材料蠕变裂纹扩展C*积分随持续时间变化的曲线。
专利类型：	发明专利
国家地区组织代码：	北京;11
申请人：	中国航发北京航空材料研究院
发明人：	张悦;许巍;于慧臣;刘帅;王亮;陈新;高至远;何玉怀
专利状态：	有效
申请日期：	2023-07-11T00:00:00+0800
发布日期：	2023-11-03T00:00:00+0800
申请号：	CN202310848262.2
公开号：	CN116990148A
代理机构：	中国航空专利中心
代理人：	周梅萍
分类号：	G01N3/18;G01N3/06;G01N3/04;G01N3/02;G;G01;G01N;G01N3;G01N3/18;G01N3/06;G01N3/04;G01N3/02
申请人地址：	100095 北京市海淀区北京市81号信箱
主权项：	1.一种蠕变裂纹扩展C积分的测试装置，其特征在于，包括：持久蠕变试验机(1)、高温炉(2)、高温夹具(3)、热电偶(4)、控温装置(5)、分光装置(6)、图像采集装置(7)、光源(8)和计算系统(9)，其中：持久蠕变试验机(1)，用于向试样施加力载荷；高温炉(2)，用于向试样施加温度载荷，带有光学观察窗；测量时，试样与高温夹具(3)通过销钉进行连接，并在试样上端下端捆绑热电偶(4)，用来进行温度测量，并通过控温装置(5)保持温度恒定；图像采集装置(7)包括：CCD相机，CCD相机的镜头用于正对高温炉(2)的观察窗，用来采集试样在施加力载荷和温度载荷时的三维图像；分光装置(6)放置于图像采集装置(7)与高温炉(2)之间，用于实现双目测量，以及避免长时蠕变试验过程中高温炉(2)产生的辐射直接照射图像采集装置(7)造成设备损坏；计算系统(9)安装有DIC变形分析系统和C积分计算程序，与图像采集装置(7)进行数据连接，通过对三维图像进行变形场和应变场计算，确定裂纹长度，进而实现C积分计算。 2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，还包括：光源(8)将光线照射至试样表面，用于提高图片亮度。 3.一种蠕变裂纹扩展C积分测试方法，利用权利要求1或2所述的系统进行测量，其特征在于，包括以下步骤： S1，加工带机械缺口的蠕变裂纹扩展试样； S2，利用疲劳试验机对蠕变裂纹扩展试样预制尖锐的疲劳裂纹； S3，在试样的裂纹周围制备高温散斑作为变形追踪载体； S4，利用持久蠕变试验机(1)向试样施加力载荷；利用高温炉(2)向试样施加温度载荷；应用分光装置(6)和图像采集装置(7)对试验过程中对试样表面的图像进行采集，设置图像采集时间间隔，周期性获取试样表面的三维图像； S5，根据数字图像，利用计算系统(9)，测量裂纹周围变形场和应变场，并获取裂纹尖端位置，进而获得蠕变裂纹扩展速率da/dt； S6，选取始于裂纹下表面任一点，止于裂纹上表面的围绕裂纹尖端的闭合路径作为积分路径Γ，进行积分计算获取蠕变裂纹扩展C积分。 4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在步骤S1中：采用紧凑拉伸试样或中心拉伸试样作为蠕变裂纹扩展试样，通过线切割、铣刀、拉刀加工试样缺口。 5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在步骤S2中：在室温或试验温度下利用电液伺服疲劳试验机或电磁疲劳试验机对进行疲劳裂纹预制，裂纹扩展至最后0.5mm时，最大疲劳载荷小于蠕变裂纹扩展试验载荷。 6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在步骤S3中：高温散斑制备采用无水乙醇与金属氧化物粉末按照体积比10:1进行混合成均匀的浊液，滴落在裂纹尖端周围，金属氧化物粉末经过布朗运动均匀分布在裂纹尖端，乙醇挥发获得与细观尺度的高温散斑。该高温散斑不仅匹配小视场条件下的DIC计算，而且能够适用于高温长时环境。 7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在步骤S5中：通过DIC亚像素搜索算法来获取裂纹尖端区域和裂纹附近的变形场。为了消除热空气扰动对应变测量结果的扰动，首先将各点的变形对空间坐标进行差分获得应变场，再将应变场对时间进行均值滤波，进而获得滤波后的应变场。 8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在步骤S5中：应用计算系统(9)中的DIC变形测量系统，在裂纹两侧布置不少于5个基于DIC原理的虚拟引伸计，每个虚拟引伸计的上下追踪点分别位于裂纹的上下边缘，测量虚拟引伸计的位移，将虚拟引伸计的位移与其在裂纹上的投影坐标进行线性拟合，裂纹面上位移为0的位置即为裂纹尖端位置。 9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在步骤S6中：蠕变裂纹扩展积分路径为方形，由线段组成，且每条线段均与视场水平方向平行或垂直。 10.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在步骤S6中：基于C积分的定义，采用恒速蠕变假设，推导C积分计算公式为：在公式2中，Γ为始于裂纹下表面任一点，止于裂纹上表面的围绕裂纹尖端的闭合积分路径，W为蠕变应变能速度密度，T为应力矢量，T为应力矢量速度，U为位移矢量，U为速度矢量，dy为y方向的增量，ds为对应于Γ的积分曲线增量；利用路径Γ上一系列离散点的应变，应力，位移梯度及应变能密度，对公式(2)即可以求出蠕变裂纹C积分。
所属类别：	发明专利