一种原位双轴裂纹扩展路径自动跟踪测量系统及测量方法与流程
本发明涉及一种裂纹测量装置。特别是涉及一种揭示材料在微观尺度下的裂纹萌生、扩展、直至开裂过程的原位双轴裂纹扩展路径自动跟踪测量系统及测量方法。
背景技术：
结构或元件在使用过程中，由于交变载荷的作用，或者由于载荷和环境腐蚀的联合作用，会产生微小的裂纹。裂纹将随着交变载荷周次的增加或环境腐蚀时间的延长而逐渐扩展。随着裂纹尺寸增大，结构或元件的剩余强度逐渐减小，最后导致断裂。因此疲劳破坏时的作用力远小于静载荷破坏时的作用力，而且疲劳破坏时一般都没有明显的变形，对工程结构的危害很大。统计表明在各种机械零件的断裂事故中，大约有80％以上是由于疲劳实效引起的。
传统力学研究多集中于零件或试样在受到单轴应力作用下的裂纹扩展行为，而对于承受面内双轴作用力的裂纹扩展行为研究较少。并且在多轴应力作用下，裂纹扩展方向会发生偏转，传统的手动观测方法很难及时捕捉裂纹尖端。
传统测量裂纹尖端，都是用读数显微镜，就是镜头中间有刻蚀的标尺，让标尺对准裂纹尖端，随着裂纹尖端扩展，需要人为的调整显微镜位置，使得裂纹尖端再次对准标尺，这时候读取显微镜移动距离(通常显微镜有螺旋测微器，可以移动)即为裂纹尖端在本阶段内的扩展距离。这就要求实验人员必须时刻守候，等待变化，否则裂纹尖端可能超过视野，而且难以判断裂纹尖端是朝着哪个方向超出的视野，不容易跟踪观测，也不能准确的绘制扩展路径。
因此，需要开发一种试验系统，包括：可以提供面内双向力学加载；集成裂纹观测显微镜；可以方便的调整显微镜相对于想要观察区域的位置；自动跟踪裂纹尖端；具有相关的控制系统、软件等。实现功能全面的、成体系的原位双轴裂纹扩展路径自动跟踪测量。
技术实现要素：
本发明所要解决的技术问题是，提供一种能够揭示材料在微观尺度下的裂纹萌生、扩展、直至开裂过程的原位双轴裂纹扩展路径自动跟踪测量系统及测量方法。
本发明所采用的技术方案是：一种原位双轴裂纹扩展路径自动跟踪测量系统，包括有计算机，以及由光学平台台面和光学平台支腿构成的光学平台，所述的光学平台台面上固定设置有十字滑台，所述十字滑台的台面上固定设置有用于加载被测试样的双向加载装置，所述的双向加载装置的上方对应所述的被测试样设置有用于采集图像的电子显微镜，所述的电子显微镜固定安装在粗微调显微支架上，所述粗微调显微支架中的导向柱的两端通过设置在光学平台台面上的支撑架进行固定，其中，所述十字滑台的x方向和y方向上的导轨滑块上分别设置有位移传感器，所述位移传感器的信号端连接xy双向移动平台控制器，所述双向加载装置中x方向和y方向的夹具上分别设置一个力传感器，所述力传感器的信号端连接双向加载装置控制器，所述双向加载装置控制器和xy双向移动平台控制器分别连接计算机。
所述的支撑架包括有垂直设置在光学平台台面后侧两个端角上的两个支柱，连接在两个所述支柱顶端上的上横梁和连接在两个支柱之间且位于所述上横梁下面的下横梁，所述粗微调显微支架中的导向柱的顶端固定连接在上横梁的下端面上，所述粗微调显微支架中的导向柱的底端固定连接在下横梁的上端面上。
两个所述支柱的前侧面上分别各连接一个起支撑作用的斜支柱，所述斜支柱的底端固定在所述光学平台台面前侧的两个端角上。
所述电子显微镜是由智能摄像机和齐焦显微镜头组成，所述的齐焦显微镜头固定插入在所述粗微调显微支架中的镜头固定环上，所述齐焦显微镜头的一端连接智能摄像机的镜头连接口上，另一端朝向所述的被测试样。
一种原位双轴裂纹扩展路径自动跟踪测量系统的测量方法，包括如下步骤：
1)将被测样品或零件加工成具有便于测试的形状的试样；
2)在试样上预制裂纹；
3)使用双向加载装置的夹具夹持试样，使试样上的裂纹方向平行于测量系统的x方向；
4)根据所需图像的放大倍数，调整粗微调显微支架，使显微图像成像清晰；
5)通过xy双向移动平台控制器，控制十字滑台移动，调整试样相对于电子显微镜的水平位置，直至获得清晰的裂纹尖端的图像；
6)捕捉裂纹尖端；
7)在双向加载装置的控制软件中设置试验条件，并开始试验；
8)根据捕捉到的裂纹尖端坐标，在xy双向移动平台控制器的控制软件中设置十字滑台的移动条件，使裂纹尖端始终处在电子显微镜视野的中心位置，以实现自动跟踪；
9)记录裂纹尖端移动轨迹、裂纹生长速率和方向信息。
步骤1)中，是将被测样品或零件加工成方形或十字形形状的试样。
步骤2)所述的裂纹是通过刀切割或线切割或激光切割的方式形成在试样的表面的裂纹，或是贯穿试样上下表面的裂纹。
步骤6)所述的捕捉裂纹尖端，是在智能相机的图像分析软件中利用图案识别功能在初始裂纹尖端附近设置训练区域和检测区域，开始试验后，裂纹尖端的位置发生变化，智能相机的图像分析软件自动确定裂纹尖端的位置；利用智能相机的图像分析软件中的绘图工具获得裂纹尖端的x、y坐标。
所述的训练区域是裂纹尖端的初始图像形状，所述的检测区域是智能相机的图像分析软件捕捉裂纹的视野区域的范围。
步骤7)所述的试验条件包括x轴和y轴的：力控制或位移控制方式、力或位移的波形、力或位移的幅值和均值、力或位移的循环周期以及x轴和y轴间的相位差。
本发明的一种原位双轴裂纹扩展路径自动跟踪测量系统及测量方法，能够揭示材料在微观尺度下的裂纹萌生、扩展、直至开裂的过程，对于新材料新工艺、精密加工、半导体、微机电系统等高新技术产业的发展具有重要的推动作用。本发明有益成果如下：
1)本发明集成了xy双向移动平台、双向加载装置、显微观测装置、智能相机及其图像处理软件、双向加载装置控制器及其控制软件、xy双向移动平台控制器及其控制软件等，组成了一套完整原位双轴裂纹扩展路径自动跟踪测量系统。
2)本发明可以通过电子显微镜实时观察样品表面形貌变化和裂纹生长过程，可以自动跟踪裂纹尖端移动，绘制裂纹尖端移动轨迹、计算裂纹生长速率，为断裂力学的研究提供新的实验方法。
3)本发明可以有效解决视场范围与测量精度的矛盾。传统裂纹观测由于成像精度要求高，从而导致成像视场范围小。提高相机分辨率可以在一定程序上解决成像精度与视场范围的矛盾，但这样会极大增加硬件成本，且降低裂纹观测的处理效率。本发明通过调整相机及镜头，使其在裂纹尖端清晰成像。由于系统具有裂尖自动跟踪功能，不用担心裂纹会扩展至观测的视场范围之外，从而实现裂纹扩展全场观测。
4)本发明可以进行系列化推广，一方面可以结合单轴、双轴等各种力学加载装置，实现裂纹扩展及变形场的观测，另一方面可以为加载装置安装多种附件，例如加热装置、腐蚀装置、温湿度箱等，实现不同环境场下的裂纹扩展观测功能。
附图说明
图1是本发明一种原位双轴裂纹扩展路径自动跟踪测量系统的结构示意图；
图2是本发明系统中原位双轴裂纹扩展路径自动跟踪测量装置的结构示意图；
图3是本发明系统中十字滑台的结构示意图；
图4是本发明方法中所测试的十字形试样结构示意图；
图5是本发明方法中裂纹追踪原理示意图。
图中
1：上横梁2：支柱
3：下横梁4：斜支柱
5：齐焦显微镜头6：夹具
7：力传感器8：智能摄像机
9：粗微调显微支架9.1：台面
9.2：光栅式位移传感器9.3：丝杠副
9.4：底座9.5：电机
9.6：联轴器9.7：导轨滑块
9.8：丝杠固定支座10：被测试样
11：双向加载装置12：十字滑台
13：光学平台台面14：光学平台支腿
15：铝合金角架16：导向柱
17：双向加载装置控制器18：xy双向移动平台控制器
19：计算机20：夹持部
21：预制裂纹22：训练图案
23：实时捕捉24：初始裂纹位置
25：实时裂纹位置26：裂纹尖端移动轨迹
具体实施方式
下面结合实施例和附图对本发明的一种原位双轴裂纹扩展路径自动跟踪测量系统及测量方法做出详细说明。
本发明的一种原位双轴裂纹扩展路径自动跟踪测量系统，是针对金属、高分子材料、复合材料等材料样品或元件进行面内双向加载，同时利用显微镜和x、y双向移动平台，观察样品表面裂纹形状变化、自动追踪裂纹尖端，监控裂纹生长状态的试验装置。
如图1、图2所示，本发明的一种原位双轴裂纹扩展路径自动跟踪测量系统，包括有计算机19，以及由光学平台台面13和光学平台支腿14构成的光学平台，光学平台支腿14的上下部分均有减震脚垫。所述的光学平台台面13上固定设置有十字滑台12，所述十字滑台12的台面上固定设置有用于加载被测试样10的双向加载装置11，所述的双向加载装置11的上方对应所述的被测试样10设置有用于采集图像的电子显微镜，所述的电子显微镜固定安装在粗微调显微支架9上，所述粗微调显微支架9中的导向柱16的两端通过设置在光学平台台面13上的支撑架进行固定，其中，所述十字滑台12的x方向和y方向上的导轨滑块上分别设置有位移传感器，所述位移传感器的信号端连接xy双向移动平台控制器18，所述双向加载装置11中x方向和y方向的夹具上分别设置一个力传感器7，所述力传感器7的信号端连接双向加载装置控制器17，所述双向加载装置控制器17和xy双向移动平台控制器18分别连接计算机19。
本发明的实施例中所述的十字滑台12，是采用凯尔测控试验系统(天津)有限公司生产的如图4所示的小型十字滑台，安装有光栅式位移传感器，精度为0.1μm，利用高减速比无回差行星齿轮减速电机作动。其有效行程150mm*100mm，重复定位精度0.5μm。十字滑台的精度和各项尺寸满足试验要求。
所述xy双向移动平台控制器18及其控制软件采用凯尔测控试验系统(天津)有限公司生产的多通道控制器、伺服驱动器、careteststudiosoftware操作软件等。该系统包括通讯模块、ad转换模块、数字信号采集模块、运动控制模块、da转换模块等，可以将智能相机通过tcp/ip协议传输给控制器的裂纹尖端坐标作为反馈变量，软件设置通过移动xy平台维持该坐标至cmos传感器中心像素点，也就是视野的中心位置。同时记录每次的移动量，实时绘制裂纹尖端移动轨迹，并实时输出裂纹生长速率。本发明的实施例中，所述十字滑台和xy双向移动平台控制器除本例中采用的凯尔测控试验系统(天津)有限公司生产的产品外，还可以采用日本nsk品牌、iko品牌、日本nb品牌的类似产品。
本发明的实施例中所述的双向加载装置11，是采用凯尔测控试验系统(天津)有限公司生产的产品，配备4套夹具6，用以夹持十字形试样。本双向加载装置11的参数、精度和各项尺寸满足试验要求。所述的双向加载装置本身带有水浴槽，可以进行腐蚀环境下的静态力学测试及疲劳裂纹扩展实验，在液膜较薄的情况下可以利用显微镜观察，而不影响系统的功能。所述的双向加载装置也可以集成加热装置、温湿度环境箱等，以实现更复杂的功能。
所述双向加载装置控制器17及其控制软件采用凯尔测控试验系统(天津)有限公司品牌配套ipbf-300型原位双轴力学试验系统的控制驱动器及其控制软件，可以实现单拉、双轴拉伸、单轴拉压循环(三角波、正弦波、梯形波)、双轴拉压循环、单轴蠕变、双轴蠕变、单轴松弛、双轴松弛等多种力学测试。本发明的实施例中，所述双向加载装置11和双向加载装置控制器及其控制软件除本例中采用的凯尔测控试验系统(天津)有限公司生产的产品外，还可以采用美国mts品牌、美国ta品牌、美国instron品牌的类似产品。
所述的支撑架包括有通过铝合金角架15垂直设置在光学平台台面13后侧两个端角上的两个支柱2，连接在两个所述支柱2顶端上的上横梁1和连接在两个支柱2之间且位于所述上横梁1下面的下横梁3，所述粗微调显微支架9中的导向柱16的顶端固定连接在上横梁1的下端面上，所述粗微调显微支架9中的导向柱16的底端固定连接在下横梁3的上端面上。两个所述支柱2的前侧面上分别各连接一个起支撑作用的斜支柱4，所述斜支柱4的底端通过铝合金角架15固定在所述光学平台台面13前侧的两个端角上。所述支柱2和斜支柱4组成三角形结构，提高整体装置的刚度。
所述电子显微镜是由智能摄像机8和齐焦显微镜头5组成，所述的齐焦显微镜头5固定插入在所述粗微调显微支架9中的镜头固定环上，所述齐焦显微镜头5的一端连接智能摄像机8的镜头连接口上，另一端朝向所述的被测试样10。
齐焦显微镜头5的放大倍率为32-317倍，可以连续变倍；通过粗微调显微支架9调节焦距，因为采用齐焦显微镜头，可以保证改变放大倍数时焦距不变，方便试验时在不同倍率下观察试样表面形貌和裂纹变化。由于光学平台支腿14的上下部分均有减震脚垫，减小外界振动对于显微观测的影响。
本发明的实施例中，所述智能相机及其所带的图像处理软件是采用美国康耐视品牌
本发明的原位双轴裂纹扩展路径自动跟踪测量系统的测量方法，包括如下步骤：
1)将被测样品或零件加工成具有便于测试的形状的试样，是将被测样品或零件加工成方形或十字形形状的试样，图4所示是加工成十字形形状的试样；
2)在试样上预制裂纹；所述的裂纹是通过刀切割或线切割或激光切割的方式形成在试样的表面的裂纹，或是贯穿试样上下表面的裂纹。
3)使用双向加载装置的夹具夹持试样，使试样上的裂纹方向平行于测量系统的x方向；
4)根据所需图像的放大倍数，调整粗微调显微支架，使显微图像成像清晰；
5)通过xy双向移动平台控制器，控制十字滑台移动，调整试样相对于电子显微镜的水平位置，直至获得清晰的裂纹尖端的图像；
6)捕捉裂纹尖端；
所述的捕捉裂纹尖端，是在智能相机的图像分析软件(in-sight浏览器软件)中利用图案识别功能在初始裂纹尖端附近设置训练区域和检测区域，开始试验后，裂纹尖端的位置发生变化，图像分析软件(in-sight浏览器软件)自动确定裂纹尖端的位置；利用图像分析软件(in-sight浏览器软件)中的绘图工具获得裂纹尖端的x、y坐标。
所述的训练区域是裂纹尖端的初始图像形状，所述的检测区域是图像分析软件(in-sight浏览器软件)捕捉裂纹的视野区域的范围。
7)在双向加载装置的控制软件中设置试验条件，并开始试验，所述的试验条件包括x轴和y轴的：力控制或位移控制方式、力或位移的波形、力或位移的幅值和均值、力或位移的循环周期以及x轴和y轴间的相位差；
8)根据捕捉到的裂纹尖端坐标，在xy双向移动平台控制器的控制软件中设置十字滑台的移动条件，使裂纹尖端始终处在电子显微镜视野的中心位置，如图5所示，以实现自动跟踪；
9)记录裂纹尖端移动轨迹、裂纹生长速率和方向信息。
本发明的实施例中，以一种十字形试样为例具体介绍，事例试验方案为：测量尼龙66材料在室温环境下面内双向循环比例加载时的裂纹扩展情况。首先将需要尼龙66材料依据图4形状制作成试样，制作方法可以是冲压、激光切割等。并在中心部位预制裂纹。使用双向加载装置的夹具夹持试样，使试样上的裂纹方向平行于测量系统的x方向。选定齐焦显微镜头的放大倍数，调整粗微调显微支架9来调节显微镜工作距离，使得计算机上的显微图像成像清晰。
使用xy双向移动平台控制器控制十字滑台进行水平方向的运动，调整试样相对于显微镜的水平位置，直至获得清晰的、想要观察的区域图像，本例中为一侧裂纹尖端。
在in-sight浏览器软件中利用“图案识别”功能在初始裂纹尖端附近设置训练区域和检测区域，开始试验后软件将自动确定与所训练图案最匹配的图案位置；利用“绘图工具”功能选取图像边缘为x、y坐标，利用“测量工具”功能测量图案位置与两个坐标的垂直间距，以此实现实时监测捕捉图案(即裂纹尖端)的位置坐标。
在双向加载装置的控制软件中设置加载试验方案，此例为x、y方向同步执行载荷控制的三角波循环，x轴、y轴的相位差为0，即“比例路径”。开始试验，此时双向加载装置开始运行，对试样施加四个方向的循环作用力。此后裂纹将开始生长，裂纹长度和裂纹尖端的移动方向开始不断变化。
在xy双向移动平台控制软件中设置裂纹坐标伺服至(1296.000，972.000)，即电子显微镜视野的中心位置，单位为“像素”，误差阈值为0.01像素，设置双向加载装置中的试验周期，并开始记录。此后自动控制xy双向移动平台的位置，使得裂纹坐标维持不变，并记录十字滑台的x轴、y轴的坐标变化，通过xy双向移动平台控制器的控制软件换算为裂纹尖端移动轨迹、裂纹生长速率等信息，并记录存储于相关数据文件中。试验结束后使用excel、grapher、origin、matlab等数据处理软件打开数据文件，绘制裂纹尖端移动轨迹线、输出裂纹生长速率等试验信息。
- 还没有人留言评论。精彩留言会获得点赞！