專利名稱：一種基于光學(xué)的斷裂韌性測量方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及力學(xué)測量技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種基于光學(xué)的斷裂韌性測量方法。

背景技術(shù)：
隨著光學(xué)測量儀器和計算機技術(shù)的發(fā)展，光學(xué)測量方法由于其大量程，非接觸等優(yōu)點廣泛應(yīng)用于力學(xué)實驗中，但是目前還沒有一套系統(tǒng)的光學(xué)斷裂韌性測量方法?？箶嗔研阅苁呛饬坎牧?，特別是脆性材料的重要指標(biāo)，中國國家技術(shù)監(jiān)督局、美國機械工程協(xié)會等各國相關(guān)組織，都頒布了斷裂韌性測量的標(biāo)準(zhǔn)，如GB 2038，GB 4461，ASTME813，ASTM E1820，ASTM E1823，但是這些標(biāo)準(zhǔn)都是基于實驗機加載過程中力和位移載荷進行計算的，其計算公式如下 其中J為J積分值，U為做功量，B為試件厚度，W是試件寬度，a為裂紋長度。傳統(tǒng)方法存在以下缺點一、需要實驗機加載的外力和位移值來導(dǎo)出斷裂韌性，實驗必須在量程合適精度較高的實驗機上進行實驗，如果實驗機量程遠(yuǎn)高于試件斷裂所需載荷，將會引入很大的誤差，二、所有的標(biāo)準(zhǔn)都只能給出有限幾種實驗配置的測量方法，而隨著近些年來新材料的涌現(xiàn)，傳統(tǒng)方法已經(jīng)不能滿足需要，三、在使用柔度法測量裂紋長度時要使用引伸計，增加了實驗的復(fù)雜度，而且需要接觸測量。


發(fā)明內(nèi)容
為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)的缺點，本發(fā)明的目的在于提供一種基于光學(xué)的斷裂韌性測量方法，可適用于各種強度材料，在各種實驗配置和工況下的測量，具有測量更加方便，數(shù)據(jù)更加準(zhǔn)確，無需接觸測量等優(yōu)點。
本發(fā)明的光學(xué)斷裂韌性測量方法，其技術(shù)原理為 斷裂韌性JIC的原型是上世紀(jì)在六十年代J.R.Rice按照全量塑性理論提出的路徑無關(guān)積分 其中J為J積分值，W是應(yīng)變能密度，T代表作用在曲線Γ的微弧ds上的外應(yīng)力矢量，u為位移，Γ是任一條從裂紋下表面開始按逆時針方向繞裂紋頂端且終止于裂紋上表面的曲線。本發(fā)明通過光學(xué)方法測得的裂紋尖端附近的應(yīng)變和位移場，使用數(shù)值算法求出這一守恒積分，但由于光學(xué)方法是對試件表面進行拍照，所以只能得到試件表面的J表面積分值，而與斷裂韌性直接相關(guān)的是試件中面的J積分值J中面(也可認(rèn)為是試件沿厚度方向的J積分的平均值，但因為試件整體仍主要處于平面應(yīng)變情況下，二者可以認(rèn)為相等)，其在試件脆性斷裂時被認(rèn)為是斷裂韌性值。為了聯(lián)系測量J表面值和與斷裂韌性直接相關(guān)的J中面面值，本發(fā)明通過有限元計算得到了試件表面J表面積分與試件中面J中面積分的比例關(guān)系，發(fā)現(xiàn)其只受試件厚度(沿裂紋貫穿方向)和厚度方向泊松比的影響
fB＝
(3) fv＝
其中J表面和J中面為試件表面和中面的J積分值，α為二者比例系數(shù)，B為試件厚度，vz為試件厚度方向的泊松比。fB和fv分別為試件厚度和泊松比的1次，2次和3次冪對α影響的系數(shù)矩陣?？梢悦黠@看出，當(dāng)厚度方向泊松比為0或者厚度為0時，表面和中面值相同α＝1，因為這時試件全部處于平面應(yīng)力狀態(tài)。
這樣，基于光學(xué)應(yīng)變測量儀測得的應(yīng)變和位移場，在通過由公式(2)和編寫的相應(yīng)數(shù)值算法獲得試件表面J積分值的基礎(chǔ)上，再經(jīng)過公式(3)轉(zhuǎn)化，就可以最終在確定試件在斷裂時中面J中面C積分的值， 如果是脆性斷裂，J中面C值就是斷裂韌性值，并可以通過如下轉(zhuǎn)化關(guān)系得到反映脆性斷裂的KIC JIC＝J中面C (4) 如果是延性斷裂，則取多個中面J中面積分做JR曲線，得到延性斷裂韌性值。由于在塑性區(qū)泊松比會發(fā)生變化，所以本發(fā)明適用于脆性斷裂或發(fā)生塑性變形時厚度方向泊松比不變的情況。
本發(fā)明還可以直接測量試件槽口距離變化，然后用柔度法估計裂紋長度，這一技術(shù)在控制疲勞預(yù)置裂紋長度和確定裂紋擴展量方面都很有幫助。
為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案為 一種基于光學(xué)的斷裂韌性測量方法，包括以下步驟 第一步，測量試件的楊氏模量E，厚度方向泊松比vz和面內(nèi)泊松比vxy，試件厚度B； 第二步，將試件按照所需的實驗配置固定，并用光學(xué)應(yīng)變測量儀的拍攝裝置準(zhǔn)備對裂紋尖端附近區(qū)域進行拍照； 第三步，對試件進行疲勞裂紋預(yù)制； 第四步，將試件按照所需配置布置好，使用加載實驗機對試件進行用力控制方法或位移控制方法進行加載，直至試件斷裂，同時使用光學(xué)應(yīng)變測量儀對試件進行拍照，拍照間隔為兩秒； 第五步，對脆性斷裂發(fā)生前的由光學(xué)應(yīng)變測量儀通過所拍照片測得的位移場和應(yīng)變場按照如下公式進行數(shù)值運算，得出J表面 首先，通過平面應(yīng)力情況下的彈性本構(gòu)關(guān)系得到應(yīng)力場 τxy＝2μεxy(8) 其中θ為體積應(yīng)變，μ，λ為拉梅常數(shù)，表達(dá)式如下 θ＝εx+εy (9) 其中εx，εy，γxy為應(yīng)變分量，由光學(xué)應(yīng)變測量儀得到；E為楊氏模量，v為泊松比。由應(yīng)變場和應(yīng)力場得到每一點的應(yīng)變能密度 σx，σy，τxy為應(yīng)力分量；W為應(yīng)變能密度。
最后，還需要計算面力分量Tx和Ty Tx＝σxnx+τxyny(13) Ty＝τxynx+σyny(14) 其中σx，σy，τxy已經(jīng)在前邊得出，nx，ny為積分環(huán)路外法線方向與x軸和y軸的夾角余弦值，使用直線進行環(huán)路積分，將式 轉(zhuǎn)化為數(shù)值算法算式
此式適用于三點彎曲時裂面平行于y軸，垂直于x軸的情況，其中u＝ux，uy)為位移矢量，直接測得，為已知量，W，T＝(Tx，Ty)已經(jīng)在前邊得出；i為積分路徑上的光學(xué)應(yīng)變儀測得的數(shù)據(jù)進行擬合后的數(shù)據(jù)點，Δs為數(shù)據(jù)點之間距離，數(shù)據(jù)點的間隔為0.02mm-0.04mm 由于J積分的路徑無關(guān)性，可以同時選擇至少兩條積分路徑進行計算，選區(qū)方法如下 首先，在垂直裂面方向應(yīng)變?yōu)?.2％的等應(yīng)變線以外1.5mm-3mm的范圍內(nèi)選擇兩條積分路徑作為內(nèi)積分路徑和外積分路徑，然后在兩條積分路徑之間等間距選擇40-70條積分路徑，計算每條路徑的積分結(jié)果，由于J積分的路徑守恒性，在1.5mm范圍內(nèi)，不同積分路徑結(jié)果相差小于10％，即可認(rèn)為這些積分結(jié)果的平均值是J表面，如果發(fā)現(xiàn)積分值相差大于10％，應(yīng)重新選擇積分區(qū)域，滿足要求； 如果是脆性斷裂，則對脆性斷裂發(fā)生前的由光學(xué)應(yīng)變測量儀通過所拍照片測得的位移場和應(yīng)變場進行數(shù)值微積分運算得到J表面； 如果是針對厚度方向泊松比小于0.05的延性材料，則選取裂紋擴展后，斷裂前的6張照片進行數(shù)值微積分運算得到六個J表面值； 第六步將試件厚度B、厚度方向泊松比vz和面內(nèi)泊松比vxy代入下式 fB＝
(17) fv＝
求得比例系數(shù)α，如果為脆性斷裂，則試件斷裂時試件中面的J積分值J中面C即為材料的斷裂韌性，可由有斷裂時試件表面的J積分值J表面C通過以下方式得到
還可按照

進一步得到反映脆性斷裂的KIC； 如果是采用厚度方向泊松比vz＝0的材料測量延性斷裂韌性，此時α＝1，J表面＝J中面，則用第五步中計算的J中面值，按照延性斷裂韌性的確定方法，做阻力曲線和0.15mm鈍化線，得到延性斷裂韌性值。
本發(fā)明由于不需要記錄所加外力和位移載荷，所以適用于各種強度材料；由于能夠適用于各種不同的實驗配置，只要能對裂紋表面進行拍照就可以測量，甚至可直接在工況下應(yīng)用，因而適用范圍大；由于使用光學(xué)方法測量，所以能更加方便和準(zhǔn)確的估計裂紋長度。



圖1是本發(fā)明的積分路徑選取矩形的示意圖，圖中等勢線是x方向應(yīng)變值隨坐標(biāo)x和y的不同產(chǎn)生的變化。
圖2是實施例三的阻力曲線圖，其中x軸為裂紋擴展長度，y軸為對應(yīng)的J積分值。

具體實施例方式 下面結(jié)合附圖對本發(fā)明做進一步詳細(xì)說明。
一種基于光學(xué)的斷裂韌性測量方法，包括以下幾個步驟 第一步，測量試件的楊氏模量E，厚度方向vz和面內(nèi)泊松比vxy，試件厚度B， 第二步，將試件按照所需的實驗配置固定，并用光學(xué)應(yīng)變測量儀的拍攝裝置準(zhǔn)備對裂紋尖端附近區(qū)域準(zhǔn)備進行拍照， 第三步，對試件進行疲勞裂紋預(yù)制；其間在使用柔度法測量試件裂紋擴展量時，可采用光學(xué)應(yīng)變測量儀代替?zhèn)鹘y(tǒng)方法中使用的引伸計來測量試件槽口位移； 第四步，將試件按照所需配置布置好，使用加載實驗機對試件進行用力控制方法或位移控制方法進行加載，直至試件斷裂，同時使用光學(xué)應(yīng)變測量儀對試件進行拍照，拍照間隔為兩秒； 第五步，對脆性斷裂發(fā)生前的由光學(xué)應(yīng)變測量儀通過所拍照片測得的位移場和應(yīng)變場按照如下公式進行數(shù)值運算，得出J表面或J中面 首先，通過平面應(yīng)力情況下的彈性本構(gòu)關(guān)系得到應(yīng)力場 τxy＝2μεxy(21) 其中θ為體積應(yīng)變，μ，λ為拉梅常數(shù)，表達(dá)式如下 θ＝εx+εy (22) 其中εx，εy，γxy為應(yīng)變分量，由光學(xué)應(yīng)變測量儀得到，E為楊氏模量，v為泊松比。由應(yīng)變場和應(yīng)力場得到每一點的應(yīng)變能密度 σxσyσxy為應(yīng)力分量；W為應(yīng)變能密度。最后，還需要計算面力分量Tx和Ty Tx＝σxnx+τxyny(26) Ty＝τxynx+σyny(27) 其中σx，σy，τxy已經(jīng)在前邊得出，nx，ny為積分環(huán)路外法線方向與x軸和y軸的夾角余弦值，使用直線進行環(huán)路積分，將式 轉(zhuǎn)化為數(shù)值算法算式
此式適用于三點彎曲時裂面平行于y軸，垂直于x軸的情況，其中u＝(ux，uy)為位移矢量，直接測得，為已知量，W，T＝(Tx，Ty)已經(jīng)在前邊得出。i為積分路徑上的光學(xué)應(yīng)變儀測得的數(shù)據(jù)進行擬合后的數(shù)據(jù)點，Δs為數(shù)據(jù)點之間距離，數(shù)據(jù)點的間隔為0.02mm-0.04mm 由于J積分的路徑無關(guān)性，可以同時選擇至少兩條積分路徑進行計算，選區(qū)方法如下 參見圖1，首先，在垂直裂面方向應(yīng)變?yōu)?.2％的等應(yīng)變線以外1.5mm-3mm的范圍內(nèi)選擇兩條積分路徑作為內(nèi)積分路徑和外積分路徑，在圖中外積分路徑和內(nèi)積分路徑之間選取40-70條積分路徑條路徑來找到穩(wěn)定的積分路徑值，本實施例的外積分路徑和內(nèi)積分路徑都由四條線積分組成，積分路徑1在裂紋尖端后，垂直穿過自由裂面，由于自由裂面對光學(xué)測量結(jié)果產(chǎn)生了污染，而且其附近的材料沒有變形，故在這一區(qū)域不積分。積分路徑2和積分路徑4平行于裂紋表面和y軸，分別在裂紋兩側(cè)。積分路徑3垂直于裂紋表面在裂紋尖端前。積分方向為順指針方向。由于途中x軸與.y軸與式(16)中所定義的x軸y軸相反，故在計算時對二式做相應(yīng)的修改。
然后在兩條積分路徑之間等間距選擇40-70條積分路徑積分路徑，計算每條路徑的積分結(jié)果，由于J積分的路徑守恒性，在1.5mm范圍內(nèi)，不同積分路徑結(jié)果相差小于10％，即可認(rèn)這些積分結(jié)果的平均值是J表面，如果發(fā)現(xiàn)積分值相差大于10％，應(yīng)重新選擇積分區(qū)域，滿足要求； 如果是脆性斷裂，則對脆性斷裂發(fā)生前的由光學(xué)應(yīng)變測量儀通過所拍照片測得的位移場和應(yīng)變場進行數(shù)值微積分運算得到J表面； 如果是針對厚度方向泊松比小于0.05的延性材料，則選取裂紋擴展后，斷裂前的6張照片進行計算，得到六個J表面值； 第六步將試件厚度B、厚度方向泊松比vz和面內(nèi)泊松比vxy代入下式 fB＝
(30) fv＝
求得比例系數(shù)α，如果為脆性斷裂，則試件斷裂時試件中面的J積分值J中面C即為材料的斷裂韌性，可由有斷裂時試件表面的J積分值J表面C通過以下方式得到
還可按照

進一步得到反映脆性斷裂的KIC； 如果是采用厚度方向泊松比vz＝0的材料測量延性斷裂韌性，此時α＝1，J表面＝J中面，則用第五步中計算的J中面值，按照延性斷裂韌性的確定方法，做阻力曲線和0.15mm鈍化線，得到延性斷裂韌性值。
下面以具體實施例對本發(fā)明做更詳細(xì)的說明。
實施例一試件為鋼件 第一步測量試件的楊氏模量E，厚度方向vz和面內(nèi)泊松比vxy，試件厚度B，楊氏模量E為213GPa，厚度方向和面內(nèi)泊松比均為0.3，即vxy＝vz＝0.3，試件厚度B為7.51mm， 第二步，將試件按照所需的實驗配置固定，并用光學(xué)應(yīng)變測量儀的拍攝裝置準(zhǔn)備對裂紋尖端附近區(qū)域準(zhǔn)備進行拍照， 第三步開啟柔光燈和照相機開始實驗。以3000N載荷進行疲勞裂紋預(yù)置，使用光學(xué)方法通過測量加載卸載過程中試件槽口位移變化量，進而測得試件剛度在疲勞試驗前測得試件剛度為94201/mm，進行疲勞預(yù)置裂紋，當(dāng)剛度減小到67092N/mm，通過計算可得裂紋擴展量為1.82毫米， 第四步使用力控制方法，在加載實驗機上對試件進行加載，光學(xué)應(yīng)變測量儀同時進行拍照，外力加至4995N時裂紋斷裂， 第五步對脆性斷裂發(fā)生前的由光學(xué)應(yīng)變測量儀通過所拍照片測得的位移場和應(yīng)變場進行數(shù)值運算，得出J表面。
試件裂紋斷裂前光學(xué)應(yīng)變測量儀測得的應(yīng)變場和位移場如下 由于共有1886個數(shù)據(jù)點，所以這里只選出10個數(shù)據(jù)點作為例子。
根據(jù)上表數(shù)據(jù)，按照公式(10)，(11)得到λ＝125.77GPa，μ＝83.846GPa。再按照公式(6)、(7)、(8)、(9)、(12)、(13)、(14)，由上表εx、εy、εxy的值得到下表所列對應(yīng)的σy、σx、τxy、W 這里選擇矩形積分路徑進行積分 積分路徑一 由于平行于x軸，故公式(16)中nx＝0，ny＝-1，則有 Tx＝-τxy (32) Ty＝-σy 然后將所得結(jié)果代入公式(16)計算，由積分路徑一得到的線積分結(jié)果為2.590kJ/m2，同理得到積分路徑2，3，4的結(jié)果分別為5.637kJ/m2，1.675kJ/m2，6.767kJ/m2。將四條積分路徑計算得到結(jié)果相加得J表面C＝16.67kJ/m2， 第六步首先將v＝0.3，B＝7.51mm，代入公式(3)得到α＝0.658。將在外力載為荷為4995N時，第五步測得J積分值為16.67kJ/m2，故由轉(zhuǎn)化公式得
通過公式(5)得到
傳統(tǒng)方法測得斷裂韌性值為JIC＝27.37kJ/m2。
實施例二試件為鋼件 第一步，測量鋼件的楊氏模量E為213GPa，厚度方向和面內(nèi)泊松比均為0.3，vxy＝vz＝0.3，試件厚度B為11.39mm， 第二步，將試件按照所需的實驗配置固定，并用光學(xué)應(yīng)變測量儀的拍攝裝置準(zhǔn)備對裂紋尖端附近區(qū)域準(zhǔn)備進行拍照， 第三步，開啟柔光燈和照相機開始測量，以4000N載荷進行疲勞裂紋預(yù)置，使用光學(xué)方法通過測量加載卸載過程中試件槽口位移變化量，進而測得試件剛度，在疲勞試驗前測得試件剛度為131410N/mm，進行疲勞預(yù)置裂紋，當(dāng)剛度減小到107670N/mm，通過計算可得裂紋擴展量為1.95毫米， 第四步，使用力控制對試件進行加載，光學(xué)應(yīng)變測量儀同時進行拍照，外力加至7309N時裂紋斷裂， 第五步，對脆性斷裂發(fā)生前的由光學(xué)應(yīng)變測量儀通過所拍照片測得的位移場和應(yīng)變場進行數(shù)值運算，得出J表面。
試件裂紋斷裂前光學(xué)應(yīng)變測量儀測得的應(yīng)變場和位移場如下 同上例，只選取10個點的數(shù)據(jù)作為例子。
根據(jù)上表數(shù)據(jù)，按照公式(10)，(11)得到λ＝125.77GPa，μ＝83.846GPa。再按照公式(6)、(7)、(8)、(9)、(12)、(13)、(14)，由上表εx、εy、εxy的值得到下表所列對應(yīng)的σy、σx、τxy、W 根據(jù)以上兩表所得數(shù)據(jù)，使用公式(13)，(14)，(16)并選取積分路徑，進行計算的到J表面＝15.11kJ/m2， 第六步，首先將vz＝0.3、B＝11.39mm代入公式(3)得到α＝0.625；將在外力載為荷為7309N時，第四步測得J表面＝15.11kJ/m2，由轉(zhuǎn)化公式得
并用式(5)得到
傳統(tǒng)方法方法測得的結(jié)果為JIC＝27.26kJ/m2。
實施例三試件為燒結(jié)不銹鋼纖維氈 第一步測量燒結(jié)不銹鋼纖維氈的楊氏模量E為9.667GPa，面內(nèi)泊松比vxy為0.2，厚度方向泊松比vz為0，即為橫觀各向同性材料，試件厚度B為10.91mm， 第二步，將試件按照所需的實驗配置固定，并用光學(xué)應(yīng)變測量儀的拍攝裝置準(zhǔn)備對裂紋尖端附近區(qū)域準(zhǔn)備進行拍照， 第三步開啟柔光燈和照相機開始實驗，由于多孔材料無法使用傳統(tǒng)方法進行疲勞裂紋預(yù)置，根據(jù)Fleck，N.A在2004年的實驗結(jié)果，只要裂紋尖端直徑小于多孔材料的單元胞大小，即可認(rèn)為裂紋足夠尖，不會對結(jié)果產(chǎn)生影響，在本實驗中采用切割方法，滿足以上條件， 第四步使用力控制方法，在加載實驗機上對試件進行加載，使用光學(xué)應(yīng)變測量儀同時進行拍照，外力加至623N時裂紋斷裂， 第五步對脆性斷裂發(fā)生前的由光學(xué)應(yīng)變測量儀通過所拍照片測得的位移場和應(yīng)變場進行數(shù)值運算，得出J表面。
試件裂紋斷裂前光學(xué)應(yīng)變測量儀測得的應(yīng)變場和位移場如下 同上例，只選取10個點的數(shù)據(jù)作為例子。
根據(jù)上表數(shù)據(jù)，按照公式(10)，(11)得到λ＝2.685GPa，μ＝4.028GPa。再按照公式(6)、(7)、(8)、(9)、(12)、(13)、(14)得到，由上表εx、εy、εxy的值得到下表所列對應(yīng)的σy、σx、τxy、W 根據(jù)以上兩表所得數(shù)據(jù)，使用公式(13)，(14)，(16)并選積分路徑，進行計算的到多個J表面值，和它們相對的裂紋擴展長度如下表 第六步當(dāng)vz＝0時，由公式(3)得到α＝1。此材料的特殊性在于在彈塑性階段，試件整體都處于平面應(yīng)變狀態(tài)，即厚度方向泊松比始終趨于0，故雖然為延性斷裂，該方法仍然適用，采用ASTME1820或GB 203891，做阻力曲線J-da，參見圖2，分別使用光學(xué)方法和傳統(tǒng)方法來確定JQ，驗證均滿足要求，光學(xué)方法測得JIC＝5.34kJ/m2。
傳統(tǒng)方法測得的結(jié)果為5.82kJ/m2。
三次測量結(jié)果都顯示傳統(tǒng)方法所得結(jié)果略大，這是由于實驗機做功并不能全部用來對增大裂尖端的應(yīng)力奇異性做出貢獻。
經(jīng)試驗證明，該方法較傳統(tǒng)方法實用范圍更廣，只要能夠?qū)α鸭y進行拍照，就可測量，當(dāng)需要使用傳統(tǒng)方法尚未涉及或無法測量的實驗配置時，該方法將會起到重要作用。
權(quán)利要求
1.一種基于光學(xué)的斷裂韌性測量方法，其特征在于包括以下步驟
第一步，測量試件的楊氏模量(E)，厚度方向泊松比(vz)和面內(nèi)泊松比(vxy)，試件厚度(B)；
第二步，將試件按照所需的實驗配置固定，并用光學(xué)應(yīng)變測量儀的拍攝裝置準(zhǔn)備對裂紋尖端附近區(qū)域進行拍照；
第三步，對試件進行疲勞裂紋預(yù)制；
第四步，將試件按照所需配置布置好，使用加載實驗機對試件進行用力控制方法或位移控制方法進行加載，直至試件斷裂，同時使用光學(xué)應(yīng)變測量儀對試件進行拍照，拍照間隔為兩秒；
第五步，對脆性斷裂發(fā)生前的由光學(xué)應(yīng)變測量儀通過所拍照片測得的位移場和應(yīng)變場按照如下公式進行數(shù)值運算，得出J表面
首先，通過平面應(yīng)力情況下的彈性本構(gòu)關(guān)系得到應(yīng)力場
τxy＝2μεxy(3)
其中θ為體積應(yīng)變，μ，λ為拉梅常數(shù)，表達(dá)式如下
θ＝εx+εy(4)
其中εx，εy，γxy為應(yīng)變分量，由光學(xué)應(yīng)變測量儀得到；E為楊氏模量，v為泊松比；由應(yīng)變場合應(yīng)力場得到每一點的應(yīng)變能密度
σx，σy，τxy為應(yīng)力分量；W為應(yīng)變能密度；
最后，還需要計算面力分量Tx和Ty
Tx＝σxnx+τxyny(8)
Ty＝τxynx+σyny(9)
其中σx，σy，τxy已經(jīng)在前邊得到，nx，ny為積分環(huán)路外法線方向與x軸和y軸的夾角余弦值，使用直線進行環(huán)路積分，將式
轉(zhuǎn)化為數(shù)值算法算式
此式適用于三點彎曲時裂面平行于y軸，垂直于x軸的情況，其中u＝(ux，uy)為位移矢量，直接測得，為已知量，W，T＝(Tx，Ty)已經(jīng)在前邊得到；i為積分路徑上的光學(xué)應(yīng)變儀測得的數(shù)據(jù)進行擬合后的數(shù)據(jù)點，Δs為數(shù)據(jù)點之間距離，數(shù)據(jù)點的間隔為0.02mm-0.04mm；
由于J積分的路徑無關(guān)性，可以同時選擇至少兩條積分路徑進行計算，選區(qū)方法如下
首先，在垂直裂面方向應(yīng)變?yōu)?.2％的等應(yīng)變線以外1.5mm-3mm的范圍內(nèi)選擇兩條積分路徑作為內(nèi)積分路徑和外積分路徑，
然后在兩條積分路徑之間等間距選擇40-70條積分路徑，計算每條路徑的積分結(jié)果，由于J積分的路徑守恒性，在1.5mm范圍內(nèi)，不同積分路徑結(jié)果相差小于10％，即可認(rèn)這些積分結(jié)果的平均值是J表面，如果發(fā)現(xiàn)積分值都相差大于10％，應(yīng)重新選擇積分區(qū)域，滿足要求；
如果是脆性斷裂，則對脆性斷裂發(fā)生前的由光學(xué)應(yīng)變測量儀通過所拍照片測得的位移場和應(yīng)變場進行數(shù)值微積分運算得到J表面；
如果是針對厚度方向泊松比小于0.05的延性斷裂材料，則選取裂紋擴展后，斷裂前的6張照片進行數(shù)值微積分運算得到六個J表面值；
第六步將試件厚度B、厚度方向泊松比vz和面內(nèi)泊松比vxy代入下式
fB＝
(12)
fv＝
求得比例系數(shù)α，如果為脆性斷裂，則試件斷裂時試件中面的J積分值J中面C即為材料的斷裂韌性，可由有斷裂時試件表面的J積分值J表面C通過以下方式得到
還可按照進一步得到反映脆性斷裂的KIC；
如果是采用厚度方向泊松比vz＝0的材料測量延性斷裂韌性，此時α＝1，J表面＝J中面，則用第五步中計算的J中面值，按照延性斷裂韌性的確定方法，做阻力曲線和0.15mm鈍化線，得到延性斷裂韌性值。
全文摘要
一種基于光學(xué)的斷裂韌性測量方法，通過測量試件的楊氏模量E，厚度方向泊松比vz和面內(nèi)泊松比vxy，試件厚度B，用光學(xué)應(yīng)變測量儀的拍攝裝置對裂紋尖端附近區(qū)域進行拍照，對試件進行疲勞裂紋預(yù)制和加載，直至試件斷裂停止，然后進行數(shù)值運算，得出J表面進一步得到反映脆性斷裂的KIC或得到延性斷裂韌性值；本方法可適用于各種強度材料，并在各種工況下的測量，具有測量更加方便，數(shù)據(jù)更加準(zhǔn)確，無需接觸測量的優(yōu)點；經(jīng)試驗證明，該方法只要能夠?qū)α鸭y進行拍照，就可測量，當(dāng)需要使用傳統(tǒng)方法尚未涉及或無法測量的實驗配置時，該方法將會起到重要作用。
文檔編號G01N3/00GK101644646SQ200910023228
公開日2010年2月10日 申請日期2009年7月7日 優(yōu)先權(quán)日2009年7月7日
發(fā)明者陳常青, 金明釗, 趙天飛 申請人:西安交通大學(xué)