一种测定疲劳裂纹扩展速率的方法及装置与流程

本发明属于光工程材料和疲劳断裂力学研究领域，具体涉及一种测定疲劳裂纹扩展速率的方法及装置。

背景技术：

在材料疲劳裂纹扩展试验中，常使用目测法测量裂纹长度或者测定试样疲劳裂纹的扩展速率，疲劳裂纹扩展速率指交变应力每循环一次裂纹长度的增加量，也是c(t)试样在疲劳载荷作用下，裂纹长度a随循环周次n的变化率，指通常用da/dn表示，式中a为裂纹长度，n为应力循环次数，dn表示交变应力单位循环，da/dn对于估算裂纹体疲劳寿命有重要作用。

根据中华人民共和国国家标准gb/t6398-2017中《金属材料疲劳试验疲劳裂纹扩展方法》第3节“术语和定义”的规定，裂纹长度a表示从参考平面到裂纹尖端的主平面尺寸的线性量度，循环n表示循环性重复作用的力、应力等最小的时间段，也用于表示经历的循环次数，疲劳裂纹扩展速率da/dn表示单位循环对应的疲劳裂纹长度的扩展量。因此，对于本发明中提到的各项名词，如有理解困难之处，均以上述国家标准为准。

目前测定c(t)试样疲劳裂纹扩展速率的方法主要为ccd相机摄像位移或采用引伸计记录位移，也有部分试验人员每隔一定时间暂停试验机，用游标卡尺测量裂纹长度，但这些方法都存在计算复杂或精度不准的问题，且裂纹长度不便观察、误差可能性大；而使用柔度法测量裂纹长度，多用夹式引伸计检测裂纹张开位移，其使用时与试件直接接触，加持位置的错动，试验件的震动，会影响标定精度；依据图像处理技术随之产生的非接触式视频引伸计，能够实现在与试件不接触条件下采集裂纹张开位移信息，但存在未能实时采集动态裂纹张开位移数据的不足。

技术实现要素：

为了避免现有技术的不足之处，本发明提出了一种测定疲劳裂纹扩展速率的方法及装置。

技术方案

一种测定疲劳裂纹扩展速率的方法，其特征在于，步骤如下：

步骤1、c型试样的制备：在c型试样的两端分别开设加载固定孔，并在c型试样的中部开设预制裂纹，同时在c型试样的开口端一侧设置伸出端，且伸出端为菜刀状，伸出端最下面部分与预制裂纹在同一平面上；

步骤2、将制备的c型试样固定在加载装置上；

步骤3、在静载条件下，记录下初始位置数据，包括两个位移传感器与预制裂纹水平面的垂直距离b，第一位移传感器与第二位移传感器的水平距离l1，e点与第二位移传感器的水平距离l，第一位移传感器与伸出端最下面的交叉点记为b，第二位移传感器与伸出端最下面的交叉点记为c；

步骤4、启动加载装置，对c型试样进行循环加载，循环周次记作n，两个位移传感器时刻记录伸出端的相应位移，同时记录以下数据并输送至计算机系统：

(1)在疲劳裂纹实验过程中循环n次的任意开口度最大时刻，即位移最大值时刻，第一位移传感器记录其与伸出端最下面的交叉点b1的垂直距离k，则循环n次所记录的值则记为k1、k2、k3......kn，第二位移传感器记录其与伸出端最下面的交叉点c2的垂直距离h，则循环n次其所记录的值则记为h1、h2、h3......hn；

(2)在疲劳裂纹实验过程中循环n次的任意开口度最大时刻，预制裂纹的长度也变化为ea`，且ea`的长度记为a1、a2、a3......an；

步骤5、根据相似三角形原理可知，在任意时刻，△a`cc2与△b1c1c2相似，那么即存在b1c1/a`c＝c2c1/c2c，进而可以求得:

an＝[l1*(hn-b)/(hn-kn)]-l；

步骤6、计算机系统时刻记录an数值，并输出曲线an/n和excel数据表格，进而采用origin求导可输出曲线da/dn，其中da/dn表示疲劳裂纹扩展速率，其中da＝an-an-1，dn表示交变应力单位循环。

一种测定疲劳裂纹扩展速率的装置，其特征在于：包括加载装置、c型试样、第一位移传感器、第二位移传感器和计算机系统，所述c型试样开设有加载固定孔，并通过所述加载固定孔固定在所述加载装置上，所述第一位移传感器与第二位移传感器固定设置在所述加载装置的底部，并且位于所述c型试样的正下方，所述计算机系统与所述第一位移传感器、第二位移传感器通过数据线连接。

进一步的，c型试样还开设有预制裂纹，并设置有伸出端，所述伸出端成刀状，且底部与所述预制裂纹处于同一水平线。

进一步的，第一位移传感器与第二位移传感器具体位于所述伸出端的正下方。

进一步的，第一位移传感器与第二位移传感器还可单独设置在一支撑平台上，避免加载设备的震动影响实验精度。

进一步的，计算机系统用以记录并处理所述第一位移传感器与第二位移传感器所记录的位移数据。

进一步的，第一位移传感器与第二位移传感器均为微米级高精度位移传感器。

本发明相对于现有技术取得了以下技术效果：本发明提出的一种测定疲劳裂纹扩展速率的方法及装置，率先提出采用位移传感器测定疲劳裂纹扩展速率，能够在非接触条件下实时动态地测量加载中试件裂纹长度，进而精确算得疲劳裂纹扩展速率，装置安装和调节省时，试验结果精度高，操作过程简单，可以实现实验正常开始后中途不需要人员进行其它操作之便利，实时输出数据，节省测定时间和成本，测量结果可靠。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明测定疲劳裂纹扩展速率装置的结构示意图；

图2为c型试样的结构示意图；

图3为c型试样加载前后位置关系示意图；

图4为裂纹长度与循环次数曲线即an/n曲线图例；

其中，1、加载装置，2、c型试样，3、第一位移传感器，4、第二位移传感器，5、计算机系统，21、加载固定孔，22、预制裂纹，23、伸出端。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

本实施例提供一种测定疲劳裂纹扩展速率的方法及装置，其工作原理为，将两个高精度位移传感器固定安装在加载平台底面，并时刻记录不断加载的试样的位移信息，同时两个高精度位移传感器与计算机系统相连，将所采集的位移信息传送至计算机系统，经计算拟合后origin求导输出曲线da/dn或者裂纹长度与循环次数曲线。

具体步骤如下：

步骤1、c型试样2的制备：在c型试样2的两端分别开设加载固定孔21，并在c型试样2的中部开设预制裂纹22，同时在c型试样2的开口端一侧设置伸出端23，且伸出端23为菜刀状，伸出端23最下面部分与预制裂纹22在同一平面上；

需要说明的是，本试验中采用的是c型试样，但并不局限于c型，也可以为t型试样或其他试样，与各标准试样相比，本方案中所用试样均多设置一伸出端，且伸出端优选为菜刀状但不限于菜刀状，以便于位移传感器的数据测量。

步骤2、将制备的c型试样2固定在加载装置1上；

步骤3、在静载条件下，记录下初始位置数据，包括两个位移传感器3、4与预制裂纹22水平面的垂直距离b，第一位移传感器3与第二位移传感器4的水平距离l1，e点与第二位移传感器4的水平距离l，第一位移传感器3与伸出端23最下面的交叉点记为b，第二位移传感器4与伸出端23最下面的交叉点记为c；

需要说明的是，试验开始前应当同时记录试验的仪器型号，试样的规格参数以及材料类型，加载大小与周期，环境特性等试验相关参数。

步骤4、启动加载装置1，对c型试样2进行循环加载，循环周次记作n，两个位移传感器时刻记录伸出端23的相应位移，同时记录以下数据并输送至计算机系统5：

(1)在疲劳裂纹实验过程中循环n次的任意开口度最大时刻，即位移最大值时刻，第一位移传感器3记录其与伸出端23最下面的交叉点b1的垂直距离k，则循环n次所记录的值则记为k1、k2、k3......kn，第二位移传感器4记录其与伸出端23最下面的交叉点c2的垂直距离h，则循环n次其所记录的值则记为h1、h2、h3......hn；

(2)在疲劳裂纹实验过程中循环n次的任意开口度最大时刻，预制裂纹22的长度也变化为ea`，且ea`的长度记为a1、a2、a3......an；

步骤5、根据相似三角形原理可知，在任意时刻，△a`cc2与△b1c1c2相似，那么即存在b1c1/a`c＝c2c1/c2c，进而可以求得an＝[l1*(hn-b)/(hn-kn)]-l，那么an-1＝[l1*(hn-1-b)/(hn-1-kn-1)]-l；

步骤6、计算机系统5时刻记录an数值，并输出曲线an/n和excel数据表格，进而采用origin求导可输出曲线da/dn，其中da/dn表示疲劳裂纹扩展速率，其中da＝an-an-1，dn表示交变应力单位循环。

本方案提出的一种测定疲劳裂纹扩展速率的装置，包括加载装置1、c型试样2、第一位移传感器3、第二位移传感器4和计算机系统5，与标准的c型试样相比而言，本方案中所述的c型试样不仅开设有预制裂纹和加载固定孔，并设置有伸出端，伸出端成刀状，且底部与预制裂纹处于同一水平线。需要说明的是，本方案中所用试样并不局限于c型，t型和其他类型试样同样适用，均设置有伸出端即可，且伸出端底部与预制裂纹处于同一水平线即可。

需要说明的是，根据不同试验需要，加载装置可以选择不同的型号、类型或者不同的加载方式，比如，可以选择上下同时加载，也可以选在只有上或下方加载，具体加载的方式并不做限定。

第一位移传感器3与第二位移传感器4固定设置在加载装置1的底部，并且位于伸出端23的正下方，两个传感器间的距离并不限定，只需满足在加载过程中，传感器均能有效测量伸出端的位移即可。优选的，为了保证所述装置能够满足不同尺寸类型的试样，两个传感器也可以与加载装置底座滑动连接，用以调整传感器间的相对位置以及传感器与底座的相对位置。优选的，为了避免加载装置本身的震动对高精度位移传感器测量结果的影响，高精度位移传感器可以单独设置在一支架或平台上，相对位置处在伸出端的正下方即可，具体支架或平台结构不做限定。

计算机系统5与第一位移传感器3、第二位移传感器4连接，用以记录并处理第一位移传感器3与第二位移传感器4所记录的位移数据，连接方式可以选择为数据线连接，也可以选择无线连接，例如蓝牙连接、红外线数据传输方式等等。

第一位移传感器3与第二位移传感器4均为微米级高精度位移传感器，当然更高精度的位移传感器同样适用于本方案，精度越高，所测得结果也就越精确。

本发明提出的一种测定疲劳裂纹扩展速率的方法及装置，率先提出采用位移传感器测定疲劳裂纹扩展速率，能够在非接触条件下实时动态地测量加载中试件裂纹长度，进而精确算得疲劳裂纹扩展速率，装置安装和调节省时，试验结果精度高，操作过程简单，可以实现实验正常开始后中途不需要人员进行其它操作之便利，实时输出数据，节省测定时间和成本，测量结果可靠。

本发明中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；与本发明所述装置类似或等同的结构应当认为是与本发明所述方案是一致的；同时，对于本领域技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。