專利名稱：疲勞裂紋擴展速率自動測量裝置及方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種疲勞裂紋擴展速率自動測量裝置及方法，屬于材料疲勞性能檢測技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
疲勞失效是導致工程結(jié)構(gòu)和機械失效的主要原因之一。疲勞裂紋擴展速率測量的目的是獲取材料、零件或結(jié)構(gòu)中的缺陷和損傷，在交變載荷作用下擴展規(guī)律，以便給定零部件、 結(jié)構(gòu)的檢修和使用壽命周期，保證零部件或結(jié)構(gòu)的安全性和可靠性?，F(xiàn)有的疲勞裂紋擴展速率測量方法包括了目測法、柔度法、電位法等。這些方法中目測法最為常用，但是在試樣承受疲勞載荷振動幅度較大時，存在在試驗過程中難以讀數(shù)的問題，必須中斷試驗進行測量，測量精度受人為因素影響；腐蝕疲勞中腐蝕介質(zhì)透明程度也直接影響該方法的效果，不透明的介質(zhì)中無法使用目測法對裂紋長度進行測量；在復雜結(jié)構(gòu)中，人員難以觀察到的部位無法采用目測法，即使借助輔助光學儀器，也將帶來照明、 空間等一系列問題。柔度法和電位法通過間接讀取其它物理量的變化值換算裂紋擴展長度，但也存在著各自的限制，首先兩者皆需要在使用前標定裂紋擴展長度與所測物理量之間的關(guān)系，而標定工作本身就較為復雜和繁瑣，且容易引入誤差，降低測量精度；其次柔度法對空間也有一定的要求，需要被測部位周圍能夠容納引伸計的安裝，在復雜結(jié)構(gòu)中的使用中可能因此受到限制，在腐蝕疲勞和高低溫疲勞等環(huán)境疲勞試驗中也將增加試驗環(huán)境密封的難度；電位法則需要被測試樣為導體，易受各種因素(如試樣材料導電性、導線與試樣連接位置、氧化物和環(huán)境影響等)的干擾而降低測量精度；需要額外在試樣與加力系統(tǒng)間采取絕緣措施；含水介質(zhì)中疲勞裂紋擴展測定時可能造成電化學影響。

發(fā)明內(nèi)容
為了解決上述問題，本發(fā)明提供了一種疲勞裂紋擴展速率自動測量裝置及方法，精度較高、簡單易行，適用于氣體、液體等腐蝕介質(zhì)中的疲勞裂紋擴展速率測量，也適用于金屬、 復合材料等多種材料制成的試樣、大型復雜的試驗件或結(jié)構(gòu)的疲勞裂紋擴展速率測量的方法。本發(fā)明為解決其技術(shù)問題采用如下技術(shù)方案
一種疲勞裂紋擴展速率自動測量裝置，包括用于標示疲勞裂紋擴展的斷裂線、電源或光源、導線或光纖、測量并記錄斷裂線中電流或光纖通斷的測量裝置和將斷裂線斷裂測量結(jié)果換算成疲勞裂紋擴展速率的計算機程序的計算機，其中，斷裂線是漆包線或光纖，粘貼在試樣上，當被粘貼的斷裂線是漆包線，則漆包線通過導線分別與電源和測量并記錄斷裂線中電流的測量裝置相連，該測量裝置通過USB接口或串口與將漆包線斷裂測量結(jié)果換算成疲勞裂紋擴展速率的計算機程序的計算機相連；當被粘貼的斷裂線是光纖，則光纖分別與光源和光纖通斷的測量裝置連接，該測量裝置通過USB接口或串口與將光纖通斷測量結(jié)果換算成疲勞裂紋擴展速率的計算機程序的計算機相連。所述的漆包線由導體和絕緣層兩部分組成，其材質(zhì)、形狀和尺寸由被測試樣決定。所述測量并記錄斷裂線中電流或光通斷的測量裝置，由電路板、可編程芯片與計算機相連的串口或USB接口組成。所述的疲勞裂紋擴展速率自動測量裝置的測量方法，包括如下步驟 步驟1、將斷裂線粘貼在被測試樣或結(jié)構(gòu)中易產(chǎn)生疲勞裂紋的區(qū)域； 步驟2、將粘貼好的斷裂線分別與電源或光源和測量裝置連接；
步驟3、開始疲勞試驗，對試樣或結(jié)構(gòu)施加交變載荷，隨著裂紋的萌生和擴展，粘貼在試樣或結(jié)構(gòu)表面的斷裂線隨著其下方表面開裂而斷裂；
步驟4、通過測量裝置中的芯片測量并記錄下每根斷裂線斷裂的時間； 步驟5、測量裝置通過USB接口或串口將測量結(jié)果傳送至安裝了換算成疲勞裂紋擴展速率的計算機程序的計算機；
步驟6、通過計算機程序的計算機將斷裂線斷裂次序與時間的關(guān)系換算成裂紋長度與時間的關(guān)系；
步驟7、參照GB/T6398-2000《金屬材料疲勞裂紋擴展速率試驗方法》推薦的數(shù)據(jù)處理方法，在計算機程序中將裂紋長度與時間的關(guān)系轉(zhuǎn)化為疲勞裂紋擴展速率。本發(fā)明的有益效果如下
1、實現(xiàn)了全程自動化測量并直接輸出疲勞裂紋擴展速率結(jié)果，大大簡化了疲勞裂紋擴展速率測量工作。2、本發(fā)明簡單易行，所有組件價格相對較低、獲取簡單，裝置成本低；斷裂線的直徑小且一致，而通過芯片測量的電流通斷時間可以精確到毫秒，因此測量結(jié)果精度較高。3、在與被測材料斷裂強度一致的斷裂線的前提下，可以應(yīng)用于各種材料(包括不導電的復合材料)，且不受介質(zhì)和溫度等外界因素和人為因素的影響。4、受空間的限制非常小，僅需要能夠容納斷裂線的空間即可，可應(yīng)用于受空間限制無法使用目測法或等效方法觀測和布置引伸計的部位。


圖1疲勞裂紋擴展速率自動測量裝置的結(jié)構(gòu)示意圖，圖1 (a)為采用漆包線作為斷裂線的裝置結(jié)構(gòu)示意圖，圖1 (b)為采用光纖作為斷裂線的裝置結(jié)構(gòu)示意圖，其中，1為斷裂線；2為導線；3為試樣。圖2為斷裂線隨疲勞裂紋擴展而斷裂的示意圖，其中，4為疲勞裂紋。
具體實施例方式
下面結(jié)合附圖對本發(fā)明創(chuàng)造做進一步詳細說明
本發(fā)明采用如圖1所示的裝置來實施疲勞裂紋擴展速率自動測量方法，當斷裂線1采用漆包線時，該裝置如圖1 (a)所示，包括用于標示疲勞裂紋擴展的漆包線1、導線2、電源、 測量并記錄斷裂線中電流通斷的測量裝置以及將漆包線斷裂測量結(jié)果換算成疲勞裂紋擴展速率的計算機程序的計算機。其中，漆包線1通過導線2與電源和測量裝置相連，而測量裝置通過USB接口或串口與安裝了將漆包線斷裂測量結(jié)果換算成疲勞裂紋擴展速率的計算機程序的計算機相連。斷裂線1也可以選擇光纖，此時如圖1(b)，將電源改成光源，光源不再與測量裝置相連，導線2換成光纖2，測量裝置中增加光電感應(yīng)裝置即可。使用該裝置進行疲勞裂紋擴展速率測量的步驟如下，以斷裂線1為漆包線為例 步驟1、將一組斷裂線1粘貼在被測試樣或結(jié)構(gòu)中易產(chǎn)生疲勞裂紋的區(qū)域，斷裂線1數(shù)量由斷裂線1的直徑和需要測量的裂紋擴展長度決定，斷裂線1的材質(zhì)應(yīng)選擇與被測材料具有相近抗拉強度材料，斷裂線1直徑則由測量精度決定；
步驟2、將粘貼好的斷裂線1分別與電源和測量裝置連接，使得斷裂線1中通過電流； 步驟3、開始疲勞試驗，對試樣3或結(jié)構(gòu)施加交變載荷，如附圖2所示，隨著裂紋的萌生和擴展，粘貼在試樣或結(jié)構(gòu)表面的斷裂線1隨著其下方表面開裂而斷裂； 步驟4、通過測量裝置中的芯片測量并記錄下每根斷裂線斷裂的時間； 步驟5、測量裝置通過USB接口或串口將測量結(jié)果傳送至安裝了換算成疲勞裂紋擴展速率的計算機程序的計算機；
步驟6、通過計算機程序?qū)嗔丫€斷裂次序與時間的關(guān)系換算成裂紋長度與時間的關(guān)
系
步驟7、參照GB/T6398-2000《金屬材料疲勞裂紋擴展速率試驗方法》推薦的數(shù)據(jù)處理方法，在計算機程序中將裂紋長度與時間的關(guān)系轉(zhuǎn)化為疲勞裂紋擴展速率。上述裝置中，所述斷裂線1可選擇漆包線，其導體材料可以選擇斷裂韌性與被測材料相近的導體，優(yōu)選鋁、銅、合金；絕緣材料根據(jù)工作環(huán)境溫度、濕度、是否具有腐蝕性等因素選取，優(yōu)選聚酯及改性聚酯、聚酯亞胺/聚酰胺復合層、聚酯亞胺/聚酰胺酰亞胺復合層。斷裂線1也可以選擇光纖，此時，將電源改成光源，光源不用再與測量裝置相連，導線2 換成光纖，測量裝置中增加光電感應(yīng)裝置即可。如圖2所示，斷裂線1粘貼于試樣3表面疲勞裂紋的危險區(qū)，隨著疲勞裂紋的擴展，位于裂紋尖端的斷裂線1隨著試樣表面開裂而被拉長并依次發(fā)生斷裂，斷裂線1中電流 /光的傳輸隨即被中斷，測量裝置即可通過測量和記錄各個斷裂線1中電流/光通斷的具體時間，經(jīng)過計算機程序換算，從而獲得疲勞裂紋擴展速率。本發(fā)明的疲勞裂紋擴展速率自動測量方法具有測量過程實現(xiàn)自動化、裝置易于設(shè)計及制造、成本低、精度高、不易受外界因素和人為因素干擾、適用于不同材料制成的試樣、 結(jié)構(gòu)及零部件在各種環(huán)境中的測量等優(yōu)點，適合實驗室及工程現(xiàn)場中對各類試樣、零部件及結(jié)構(gòu)疲勞裂紋擴展速率的測量。
權(quán)利要求
1.一種疲勞裂紋擴展速率自動測量裝置，其特征在于包括用于標示疲勞裂紋擴展的斷裂線(1)、電源或光源、導線或光纖(2)、測量并記錄斷裂線中電流或光纖通斷的測量裝置和將斷裂線斷裂測量結(jié)果換算成疲勞裂紋擴展速率的計算機程序的計算機，其中，斷裂線 (1)是漆包線或光纖，粘貼在試樣(3)上，當被粘貼的斷裂線(1)是漆包線，則漆包線(1)通過導線(2)分別與電源和測量并記錄斷裂線中電流的測量裝置相連，該測量裝置通過USB 接口或串口與將漆包線斷裂測量結(jié)果換算成疲勞裂紋擴展速率的計算機程序的計算機相連；當被粘貼的斷裂線(1)是光纖，則光纖分別與光源和光纖通斷的測量裝置連接，該測量裝置通過USB接口或串口與將光纖通斷測量結(jié)果換算成疲勞裂紋擴展速率的計算機程序的計算機相連。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的疲勞裂紋擴展速率自動測量裝置，其特征在于，所述的漆包線由導體和絕緣層兩部分組成，其材質(zhì)、形狀和尺寸由被測試樣決定。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的疲勞裂紋擴展速率自動測量裝置，其特征在于，所述測量并記錄斷裂線中電流或光通斷的測量裝置，由電路板、可編程芯片與計算機相連的串口或USB 接口組成。
4.一種應(yīng)用權(quán)利要求1所述的疲勞裂紋擴展速率自動測量裝置的測量方法，其特征在于，包括如下步驟步驟1、將斷裂線(1)粘貼在被測試樣(3)或結(jié)構(gòu)中易產(chǎn)生疲勞裂紋的區(qū)域； 步驟2、將粘貼好的斷裂線(1)分別與電源或光源和測量裝置連接； 步驟3、開始疲勞試驗，對試樣(3)或結(jié)構(gòu)施加交變載荷，隨著裂紋的萌生和擴展，粘貼在試樣(3)或結(jié)構(gòu)表面的斷裂線(1)隨著其下方表面開裂而斷裂；步驟4、通過測量裝置中的芯片測量并記錄下每根斷裂線斷裂的時間； 步驟5、測量裝置通過USB接口或串口將測量結(jié)果傳送至安裝了換算成疲勞裂紋擴展速率的計算機程序的計算機；步驟6、通過計算機程序的計算機將斷裂線斷裂次序與時間的關(guān)系換算成裂紋長度與時間的關(guān)系；步驟7、參照GB/T6398-2000《金屬材料疲勞裂紋擴展速率試驗方法》推薦的數(shù)據(jù)處理方法，在計算機程序中將裂紋長度與時間的關(guān)系轉(zhuǎn)化為疲勞裂紋擴展速率。
全文摘要
一種疲勞裂紋擴展速率自動測量裝置及方法，屬于材料疲勞性能檢測技術(shù)領(lǐng)域。該測量裝置包括用于標示疲勞裂紋擴展的斷裂線(1)、電源或光源、導線或光纖(2)、測量并記錄斷裂線中電流或光纖的通斷的測量裝置以及將斷裂線斷裂測量結(jié)果換算成疲勞裂紋擴展速率的計算機程序的計算機。通過測量斷裂線隨著試樣中疲勞裂紋擴展而依次斷裂的情況，獲得試樣疲勞裂紋擴展參數(shù)，經(jīng)過計算機處理，得出疲勞裂紋擴展速率。本裝置精度較高、簡單易行，適用于氣體、液體等腐蝕介質(zhì)中的疲勞裂紋擴展速率測量，也適用于金屬、復合材料等多種材料制成的試樣、大型復雜的試驗件或結(jié)構(gòu)的疲勞裂紋擴展速率測量。
文檔編號G01N27/00GK102253087SQ20111016855
公開日2011年11月23日 申請日期2011年6月22日 優(yōu)先權(quán)日2011年6月22日
發(fā)明者張俊苗, 林鴻志, 湯劍飛, 汪勇, 聶宏, 薛彩軍 申請人:南京航空航天大學