專利名稱：激光沖擊加載材料動態(tài)斷裂特性測量方法和裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種應(yīng)力波作用下材料力學(xué)特性的試驗方法，尤其涉及激光沖擊加載 材料動態(tài)斷裂特性測量方法和裝置。
背景技術(shù)：
材料的動態(tài)斷裂韌度(動態(tài)起裂韌度)是材料動態(tài)特性的重要參數(shù)，為裂紋體在 動載作用下，動態(tài)應(yīng)力強度因子的極限值，是材料的韌性參數(shù)。它作為現(xiàn)代損傷容限設(shè)計中 的材料參數(shù)，可以彌補設(shè)計中的材料基本參數(shù)(KK，jre)沒有考慮慣性效應(yīng)及加載速率的影 響，不能預(yù)測動載作用下材料及結(jié)構(gòu)的安全性等不足。動態(tài)斷裂特性測量試驗最重要的兩個方面是加載和測試技術(shù)。目前，動態(tài)斷裂研 究中的試驗設(shè)備基本上是擺錘和落重式試驗機，應(yīng)用最廣泛的測試方法是Charpy沖擊試 驗，美國的材料與試驗學(xué)會(ASTM)和歐洲的結(jié)構(gòu)完整性協(xié)會(ESIS)都提出了推薦標(biāo)準(zhǔn)。這 種方法的優(yōu)點是簡單易行、費用少，尤其適合于工程應(yīng)用。但它對試樣、支座和擺錘結(jié)構(gòu)等 都提出了嚴(yán)格的要求，試驗機必須有足夠的能量使試樣完全斷裂，斷裂能量不能超過總勢 能的80%，機器必須牢固固定在地面上，并保持其水平等等。關(guān)于材料的動態(tài)性能測試方法有Hopkinson桿、分段式Hopkinson桿等(1. Ouk Sub Lee, GuanHee Kim, Myun Soo Kim et al. Dynamic deformation behavior of aluminum alloys under highstrain rate compressive/tensile loading[J]. Journal of Mechanical Science and Technology,2003, Volume 17, Number 6, Pages 787-795), (H. Huh, W. J. Kang and S. S. Han. A Tension SplitHopkinson Bar for Investigating the Dynamic Behavior of Sheet Metals[J]. ExperimentalMechanics,2002, Volume 42, Number 1, Pages 8_17.)。這些方法都是應(yīng)用扁平或方形截面的桿件測量和加載速率較低 的沖擊載荷(如子彈、落錘、擺錘)作用下材料的動態(tài)參數(shù)。在以上加載方法中，桿件加載 的載荷持續(xù)作用時間較長，一般大于或等于10_4秒。因此可以忽略桿中質(zhì)點橫向運動的慣 性作用，把桿中的應(yīng)力波作為一維平面波處理。然而，當(dāng)加載的作用時間縮短時，以上方法 就不能勝任在短時應(yīng)力波加載條件下對材料動態(tài)性能的研究。如當(dāng)用炸藥作載荷源時，一 般藥量僅數(shù)十毫克，產(chǎn)生的爆炸載荷對試件的有效加載時間僅有十幾微秒，例如重為IOOmg 的DDNP炸藥爆炸脈沖的先驅(qū)壓縮相持續(xù)時間大約為15微秒。這在波速小于2000m/s的光 彈性材料中產(chǎn)生的脈沖波長大約為30mm。在此條件下，要滿足試件橫向尺寸遠(yuǎn)小于加載波 波長這個一維問題的基本假說，就會使得試件的橫向尺寸僅為3mm左右。在這樣窄的試件 上采用光彈性和應(yīng)變片測量爆炸作用下材料的動態(tài)參數(shù)無疑是十分困難的。由此可見，桿 件加載的Hopkinson桿、分段式Hopkinson桿等方法僅適用研究在持續(xù)時間較長的載荷作 用下應(yīng)力波與材料作用的特性。此外，傳統(tǒng)的用物塊撞擊或炸藥爆炸產(chǎn)生沖擊波加載的方法加載率相對較低。動 態(tài)斷裂中加載率是衡量施加載荷的速率，在線彈性力學(xué)中，加載率參數(shù)&，即裂紋尖端區(qū)的 加載速率，可按下式定義
K1=KicItf式中Kre為材料的斷裂韌性，tf為加載開始至裂紋開始擴展的時間間隔。在桿件加載技術(shù)中，桿件加載的加載率(不夠高，大概在IO5 IO6MPa m"2/S而炸
藥加載的加載率<雖然能達(dá)到IO8量級，但是試驗中要求試樣的尺寸較大，材料浪費較多。出于以上考慮，為進一步有效測定材料動態(tài)斷裂特性，以二維模型為基礎(chǔ)，針對光 彈性材料，提出以下發(fā)明。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是，提高動態(tài)斷裂的加載率。提供一種激光沖擊加載 材料動態(tài)斷裂特性測量方法和裝置。本發(fā)明所采取的技術(shù)方案是，將激光誘導(dǎo)的等離子體爆炸產(chǎn)生的沖擊波作為加載 載荷，取代了傳統(tǒng)的用物塊撞擊或炸藥爆炸產(chǎn)生沖擊波的方法，從而大大提高了動態(tài)斷裂 的加載率。激光沖擊加載的沖擊波持續(xù)時間為納秒級，根據(jù)加載率的公式計算，其加載率可 達(dá)到IO9量級。屬于高速加載，是研究在極端條件下，材料和應(yīng)力波作用的有效加載方法。本發(fā)明方法的特征在于利用強激光脈沖誘導(dǎo)的等離子體爆炸產(chǎn)生比傳統(tǒng)桿件加 載和炸藥加載所產(chǎn)生的歷時更短，加載率更高的沖擊波對特制的預(yù)制裂紋三點彎曲試樣進 行加載，并采用光彈和云紋相結(jié)合的方法，檢測高加載率、超短脈沖應(yīng)力波在試樣中的傳播 特性及材料裂紋在應(yīng)力波作用下的擴展特性。具體步驟為(1)制作帶有預(yù)制裂紋的三點彎曲試樣，在試樣預(yù)制裂紋面的對面依次貼上吸收 層、約束層，吸收層為黑漆或鋁箔，約束層為K9玻璃；在沿應(yīng)力波傳播路徑上的裂紋前端無 裂紋處制作上試件柵和基準(zhǔn)柵，所述試件柵和基準(zhǔn)柵采用照相拷貝方法翻印在感光膠片或 感光玻璃板上制作，柵頻為50 100線/毫米，所述試件柵粘貼在三點彎曲試樣上，基準(zhǔn)柵 與試件柵緊密接觸；將三點彎曲試樣放置在頂桿I、頂桿II 一端，頂桿I和頂桿II與三點 彎曲試樣的接觸點為三點彎曲試樣的受力點；(2)選擇激光參數(shù)對特制的預(yù)制裂紋的三點彎曲試樣進行加載；激光脈沖被吸收 層吸收產(chǎn)生等離子體，等離子體在約束層約束下爆炸產(chǎn)生納秒級的應(yīng)力波向三點彎曲試樣 內(nèi)部傳播；同時，多火花照相機光學(xué)系統(tǒng)和示波器由計算機控制，分別記錄圖像和圖像所對 應(yīng)的時刻；擋光板I和擋光板II放置在三點彎曲試樣兩側(cè)，與約束層平齊，將激光脈沖和等 離子體爆炸產(chǎn)生的光線擋住，以防止其干擾多火花照相機光學(xué)系統(tǒng)獲取云紋和光彈圖像；(3)多火花照相機光學(xué)系統(tǒng)獲取三點彎曲試樣在應(yīng)力波作用下的圖像，每幅圖的 柵板部分為云紋圖，其余部分為光彈圖；通過云紋圖像獲得材料在應(yīng)力波作用下的應(yīng)變信 息，從而計算得到動態(tài)材料條紋值f。d ；裂紋的傳播速度根據(jù)所拍攝的動態(tài)光彈性照片，測 出裂紋擴展的長度，每幅光彈照片所對應(yīng)的時刻用示波器記錄下來；繪制裂紋長度隨時間 變化的曲線，該曲線對時間的導(dǎo)數(shù)為裂紋傳播速度。(4)多火花照相機光學(xué)系統(tǒng)獲取三點彎曲試樣在應(yīng)力波作用下的光彈圖像；分析 對光彈圖像得出裂紋尖端的應(yīng)力強度因子，從光彈圖像判斷裂紋擴展的臨界應(yīng)力強度因子 為材料的斷裂韌度；并且通過結(jié)合步驟(3)獲得的裂紋傳播速度得到動態(tài)應(yīng)力強度因子隨 裂紋擴展速度變化的曲線。
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動態(tài)應(yīng)力強度因子隨裂紋擴展速度變化的曲線即可表征材料動態(tài)斷裂特性。本發(fā)明的裝置包括激光器、約束層、吸收層、試樣?xùn)?、基?zhǔn)柵、三點彎曲試樣、多火 花照相機光學(xué)系統(tǒng)、示波器、計算機、頂桿I、頂桿II、擋光板I、擋光板II ；所述多火花照相 機光學(xué)系統(tǒng)包括電火花光源、透鏡、檢偏鏡、起偏鏡、四分之一波片、照相底片；所述頂桿I 和頂桿II 一端固定，另一端放置將三點彎曲試樣，三點彎曲試樣(4)的預(yù)制裂紋面正對兩 頂桿；所述三點彎曲試樣⑷的預(yù)制裂紋面的對面依次貼上吸收層、約束層，在三點彎曲試 樣側(cè)面沿應(yīng)力波傳播路徑上的預(yù)制裂紋前端無裂紋處依次制作試件柵和基準(zhǔn)柵，所述基準(zhǔn) 柵與試件柵緊密接觸；所述擋光板I和擋光板II放置在三點彎曲試樣(4)兩側(cè)，與約束層 平齊；所述計算機與多火花照相機光學(xué)系統(tǒng)、示波器、激光器相連，所述多火花照相機光學(xué) 系統(tǒng)與示波器相連。本發(fā)明可以通過調(diào)節(jié)激光參數(shù)，如激光脈沖能量、脈沖寬度等來調(diào)節(jié)輸入的應(yīng)力 波。實施本發(fā)明方法的裝置包括激光器、約束層、吸收層、試件柵、基準(zhǔn)柵、三點彎曲試樣、多 火花照相機光學(xué)系統(tǒng)、示波器、計算機、頂桿、擋光板組成。多火花照相機光學(xué)系統(tǒng)包括電火 花光源、透鏡、檢偏鏡、起偏鏡、四分之一波片、照相底片。在三點彎曲試樣上，吸收層和約 束層貼于預(yù)制裂紋面的對面，試件柵和基準(zhǔn)柵貼于沿應(yīng)力波傳播路徑上的裂紋前端無裂紋 處。本發(fā)明的優(yōu)點是
權(quán)利要求
激光沖擊加載的材料動態(tài)斷裂特性測量方法，其特征在于，具體步驟為A)制作帶有預(yù)制裂紋(1)的三點彎曲試樣(4)，在三點彎曲試樣(4)預(yù)制裂紋(1)面的對面依次貼上吸收層(2)、約束層(3)，吸收層(2)為黑漆或鋁箔，約束層(3)為K9玻璃；在沿應(yīng)力波(17)傳播路徑上的預(yù)制裂紋(1)前端無裂紋處制作試件柵(5)和基準(zhǔn)柵(6)，所述試件柵(5)和基準(zhǔn)柵(6)采用照相拷貝方法翻印在感光膠片或感光玻璃板上制作，柵頻為50～100線/毫米，所述試件柵(5)粘貼在三點彎曲試樣(4)上，基準(zhǔn)柵(6)與試件柵(5)緊密接觸；將三點彎曲試樣(4)放置在頂桿I(9)、頂桿II(10)一端，頂桿I(9)和頂桿II(10)與三點彎曲試樣(4)的接觸點為三點彎曲試樣(4)的受力點；B)選擇激光參數(shù)對特制的預(yù)制裂紋(1)三點彎曲試樣(4)進行加載；激光脈沖(8)被吸收層(2)吸收產(chǎn)生等離子體(16)，等離子體(16)在約束層(3)約束下爆炸產(chǎn)生納秒級的應(yīng)力波(17)向三點彎曲試樣(4)內(nèi)部傳播；同時，多火花照相機光學(xué)系統(tǒng)(13)和示波器(14)在計算機(15)控制下開始工作，分別記錄圖像和圖像所對應(yīng)的時刻；擋光板I(11)和擋光板II(12)放置在三點彎曲試樣(4)兩側(cè)，與約束層(3)平齊，將激光脈沖(8)和等離子體(16)爆炸產(chǎn)生的光線擋住，以防止其干擾多火花照相機光學(xué)系統(tǒng)(13)獲取云紋和光彈圖像；C)多火花照相機光學(xué)系統(tǒng)(13)獲取三點彎曲試樣(4)在應(yīng)力波(17)作用下的圖像，每幅圖的柵板部分為云紋圖，其余部分為光彈圖；通過云紋圖像獲得材料在應(yīng)力波(17)作用下的應(yīng)變信息，計算得到動態(tài)材料條紋值fσd；裂紋的傳播速度根據(jù)所拍攝的動態(tài)光彈性照片，測出裂紋擴展的長度，每幅光彈照片所對應(yīng)的時刻用示波器(14)記錄下來；繪制裂紋長度隨時間變化的曲線，該曲線對時間的導(dǎo)數(shù)為裂紋傳播速度。D)多火花照相機光學(xué)系統(tǒng)(13)獲取三點彎曲試樣(4)在應(yīng)力波(17)作用下的光彈圖像；分析光彈圖像得到裂紋尖端的應(yīng)力強度因子，從光彈圖像判斷裂紋擴展的臨界應(yīng)力強度因子為材料的斷裂韌度；并且通過結(jié)合步驟(C)獲得的裂紋傳播速度得到動態(tài)應(yīng)力強度因子隨裂紋擴展速度變化的曲線。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的激光沖擊加載的材料動態(tài)斷裂特性測量方法，其特征在于， 采用強激光短脈沖，脈寬為10 100納秒，波長1064/532納米，能量在10 100J。
3.實施權(quán)利要求1所述的激光沖擊加載的材料動態(tài)斷裂特性測量方法的裝置，其特征 在于，包括激光器(7)、約束層(3)、吸收層(2)、試樣?xùn)?5)、基準(zhǔn)柵(6)、三點彎曲試樣(4)、 多火花照相機光學(xué)系統(tǒng)(13)、示波器(14)、計算機(15)、頂桿I (9)、頂桿II (10)、擋光板 I (11)、擋光板II (12)；所述多火花照相機光學(xué)系統(tǒng)(13)包括電火花光源、透鏡、檢偏鏡、起 偏鏡、四分之一波片、照相底片；所述頂桿I (9)和頂桿II (10) —端固定，另一端放置三點彎 曲試樣(4)，所述三點彎曲試樣(4)的預(yù)制裂紋(1)面正對兩頂桿；所述三點彎曲試樣(4) 的預(yù)制裂紋(1)面的對面依次貼上吸收層(2)、約束層(3)，在三點彎曲試樣(4)側(cè)面沿應(yīng) 力波(17)傳播路徑上的預(yù)制裂紋(1)前端無裂紋處依次制作試件柵(5)和基準(zhǔn)柵(6)，所 述基準(zhǔn)柵(6)與試件柵(5)緊密接觸；所述擋光板I (11)和擋光板II (12)放置在三點彎曲 試樣(4)兩側(cè)，與約束層(3)平齊；所述計算機(15)分別與多火花照相機光學(xué)系統(tǒng)(13)、 示波器(14)、激光器(7)相連，所述多火花照相機光學(xué)系統(tǒng)(13)與示波器(14)相連。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種應(yīng)力波作用下材料力學(xué)特性的試驗方法，尤其涉及激光沖擊加載材料動態(tài)斷裂特性測量方法和裝置。其特征在于利用納秒級的激光脈沖(8)誘導(dǎo)的沖擊波對具有預(yù)制裂紋(1)的三點彎曲試樣(4)進行加載，采用光彈和云紋相結(jié)合的方法，檢測應(yīng)力波(17)在三點彎曲試樣(4)中的傳播特性及裂紋的擴展特性。本裝置利用多火花照相機光學(xué)系統(tǒng)(13)獲得高加載率條件下材料與應(yīng)力波相互作用的高速瞬態(tài)光彈圖像，可清晰的觀察到激光誘導(dǎo)的短脈沖應(yīng)力波(17)的傳播，通過處理可以準(zhǔn)確、可靠的獲得材料的斷裂特性。
文檔編號G01N3/02GK101975703SQ201010505848
公開日2011年2月16日 申請日期2010年10月12日 優(yōu)先權(quán)日2010年10月12日
發(fā)明者吳忠, 姜銀方, 張永康, 張磊, 管海兵, 錢曉明, 魯金忠 申請人:江蘇大學(xué)