一种脆性材料起裂应力测量系统及测量方法与流程

所属技术领域

本发明涉及一种脆性材料起裂应力测量系统及测量方法，特别是指一种基于dic技术的含预制孔洞岩石类脆性材料起裂应力测量系统及方法；属于脆性材料断裂损伤分析技术领域。

背景技术：

起裂应力是断裂力学中的一个基本参数，是判断岩石类脆性材料破坏征兆的重要指标之一。确定脆性材料的起裂应力对于判断脆性材料在外荷载作用下的破裂机制具有重要意义，对于减少采矿和隧道工程中安全事故和地质环境灾害的发生，以及提高石油钻井工程中岩石水力压裂的效果等也具有重要工程实际价值。另一方面，脆性材料的抗拉强度远低于其抗压强度和抗剪强度，脆性材料在受载时通常先发生张拉破坏，因此确定脆性材料的拉伸裂纹起裂应力更具有现实意义。对于岩石起裂应力的确定，国际岩石力学学会(internationalsocietyforrockmechanics，isrm)尚未形成有关建议方法，国内外学者对如何确定岩石起裂应力进行了广泛的研究，根据其研究方法的不同主要有3类：基于ct、sem等观测设备的直接观察法、声发射法和基于裂纹体积应变的确定方法。

在载荷的作用下，裂纹扩展的路径受材料不均质性的影响而具有很大的随机性，裂纹扩展的路径和时间较难确定，而基于ct、sem等观测设备的直接观察法强烈依赖于试验者的主观判断，因此脆性材料的裂纹起裂应力一般不易测定；声发射是一种由于岩石内部颗粒错动或裂纹萌生产生的非弹性变形而引起的低能量地震波，然而在软岩中所能监测到的声发射事件数非常少，以致于无法基于声发射确定起裂应力，且声发射活动受试验过程中噪音的影响较大，有时候裂纹的起裂瞬间不容易被监测到；c.d.martin和n.a.chandler提出采用裂纹体积应变方法确定岩石的裂纹起裂应力，由式εcv＝εv-σ1(1-2v)/e可得岩石圆柱形标准试样单轴压缩条件下的裂纹体积应变，通过绘制裂纹体积应变–轴向应力曲线可以确定岩石的裂纹起裂应力。该方法能够较准确地确定岩石裂纹起裂应力，然而从上式可以看出，裂纹体积应变受弹性参数(弹性模量e和泊松比ν)影响较大，因此该方法的精度在很大程度上依赖于弹性参数的准确确定。e.eberhardt研究发现，泊松比ν受岩样内部微裂纹影响较大，因此当试验前岩样内部已包含大量微裂纹时，则该方法不再适用。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服现有技术之不足而提供一种操作方便、测量结果可靠、量化客观的脆性材料起裂应力测量系统及测量方法。

本发明一种脆性材料起裂应力测量系统，所述系统包括加载装置、ccd相机、同步触发器、载荷-时间信号接收装置、数字图像信号接收装置；所述同步触发器分别与加载装置、ccd相机电连接，控制加载装置、ccd相机实现同步触发、实时测量；所述载荷-时间信号接收装置与加载装置电连接，实时接收加载装置输出的载荷-时间信号；所述数字图像信号接收装置与ccd相机电连接，实时接收ccd相机拍摄的数字图像信号。

本发明一种脆性材料起裂应力测量系统，所述加载装置为电液伺服控制试验机，具体是指mts-322型电液伺服控制试验机。

本发明一种脆性材料起裂应力测量系统，还包括照明设备，所述照明设备安置在ccd相机两侧，为拍摄过程提供稳定的光源。

本发明一种脆性材料起裂应力测量系统，所述ccd相机的拍摄速度为10-30帧/秒；ccd相机拍摄的分辨率大于等于1000×1000pixels；根据试样尺寸大小逐步调整ccd相机与试样之间的方位，以确保摄像头能全部涵盖试样表面，物像比小于等于0.1mm/pixel；调整相机焦距和照明设备位置，以确保得到清晰的散斑图像。

本发明一种脆性材料起裂应力测量系统，所述数字图像信号接收装置中包括dic分析与计算软件；dic分析与计算软件为德国gom公司生产的gomcorrelateprofessionalv8软件。

本发明一种脆性材料起裂应力测量方法，包括下述步骤：

第一步：试样制作

将待测材料制作成长方体或圆柱体试样，试样中心预制圆形通孔，通孔轴线与圆柱体轴线或长方体厚度方向的中心轴线同轴；

第二步：测量

将试样置于加载装置中，加载方向沿垂直于通孔轴线，同时，通过同步触发器控制加载装置、ccd相机实现同步触发，加载装置实时对试样加载并输出载荷-时间信号给载荷-时间信号接收装置；ccd相机实时拍摄试样表面图像，并实时将ccd相机拍摄的数字图像信号传输给数字图像信号接收装置；直至试样破坏，终止试验；加载速率为0.001-2mm/s；

第三步：试样起裂应力测量

选取ccd相机拍摄的第一帧图像作为基准图像，在基准图像中的通孔圆周上标定2个测量点p1、p2，测量点p1、p2的位置处于过试样通孔中心线的纵切面与通孔圆周的交点；

利用dic分析与计算软件中自带的点测量功能，连续测量整个加载过程中测量点p1和p2的拉伸应变-时间曲线；将得到的拉伸应变-时间曲线数据导入到excel软件中，对数据点添加趋势线进行多项式拟合，调整多项式的次项，选择拟合系数r²>0.99的多项式，得到一个应变关于时间的函数f(t)；当函数f(t)满足式(1)时，所对应的时刻to定义为拉伸裂纹的起裂时间t：

也就是说：对整个加载时间区间t进行搜索，当f(t0+n)-f(t0)>0；且时(f(t0+n)的一阶导数>0)，可以确定曲线上的一个连续5s单调上升的应变跃升突变点(to,f(to))，并将时刻to定义为拉伸裂纹的起裂时间t；

对载荷-时间信号接收装置得到的荷载-时间数据，按公式(2)计算，得到应力-时间曲线；

σ＝p/a(2)

式中σ为应力，p为荷载，a为试样横截面积；

在应力-时间曲线上找到与起裂时间t相对应的应力值，即为起裂应力σci。

本发明一种脆性材料起裂应力测量方法，脆性材料起裂应力水平k＝σci/σc×100％，其中σc为试样的峰值应力。

本发明一种脆性材料起裂应力测量方法，所述试样为脆性材料；具体选自岩石、陶瓷、玻璃、铸铁中的一种。

本发明一种脆性材料起裂应力测量方法，所述ccd相机安装在试样圆形通孔的轴线上，且ccd相机镜头平面与通孔轴线垂直。

本发明一种脆性材料起裂应力测量方法，长方体试样的高宽比为：h/w＝1.5-2:1，试样的高厚比为h/t＝4-6:1，其中h为试样平行于加载方向的高度，w为试样宽度，t为试样厚度，t<w<h；试样的两个加载端面的平整度小于等于2％。

本发明一种脆性材料起裂应力测量方法，圆柱体试样的厚径比t/d＝0.5-1:1，t为试样厚度，d为试样外径；圆柱体试样，采用对径加载的方式放置在加载装置之间。

本发明一种脆性材料起裂应力测量方法，在试样与ccd相机镜头相对的表面制作散斑场，散斑场由白色底漆上喷涂黑色散斑点组成；黑色散斑点大小为3-5个像素。

本发明一种脆性材料起裂应力测量方法，所述试样中心预制的圆形通孔，孔洞表面光滑，无肉眼可见人工缺陷，以保证试样在载荷作用下沿平行于加载方向的孔洞径向产生拉伸裂纹。

本发明一种脆性材料起裂应力测量方法，所述圆形通孔半径r取值范围为：长方体试样：h/20≤r≤h/10；圆柱体试样：d/10≤r≤d/6。

本发明一种脆性材料起裂应力测量方法，所述圆形通孔半径为：5mm≤r≤10mm。

发明人经过长期研究，在利用数字图像信号接收装置中的dic分析与计算软件，对ccd相机实时拍摄的数字图像进行相关运算并通过分析孔洞周边的应力集中特征和试样破裂过程中的局部高应变特征，发现高应变区总是先在孔洞上下部位的拉应力集中区域出现，而高应变区预示着此处裂纹表面位移的不连续，将可能导致裂纹的起裂和扩展。

因此，发明人选取ccd相机拍摄的第一帧图像作为基准图像，并利用dic分析与计算软件中自带的点测量功能，在基准图像中孔洞中心线的上下部位分别布置测量点p1和p2，连续测量整个加载过程中垂直于加载方向的拉伸应变值，可得到测量点p1和p2的应变-时间曲线。通过观察应变-时间曲线可发现，在时间t之前，应变值呈微小的震荡变化；在时间t之后，应变值将出现跃升并达到峰值。而应变值的突增意味着裂纹的起裂，因此，我们将时刻t定义为拉伸裂纹的起裂时间t。

随后，利用公式σ＝p/a，对荷载-时间数据中的荷载进行计算处理，得到应力-时间曲线，其中σ为应力，p为荷载，a为试样横截面积。在应力-时间曲线上找到与起裂时间t相对应的应力值，即为起裂应力σci，则含预制孔洞脆性材料起裂应力水平k＝σci/σc×100％，其中σc为试样的峰值应力。

有益效果：

由于脆性材料的非均质性，在荷载作用下裂纹扩展方向具有随机性。因此，本发明采用上述含预制圆形通孔的结构以及测量方法，利用圆形孔洞周边的应力分布特征，即对于长方体试样，在单轴压缩试验中，平行于加载方向的孔洞径向周边，径向应力和剪应力为零，切向拉伸应力数值上等于试件所受到的轴向压应力；对于圆盘径向劈裂试验，圆盘孔洞平行于加载方向的径向应力和剪应力为零，切向产生拉伸应力。而我们又知道脆性材料的抗拉强度远低于其抗压和抗剪强度，因此，对于孔洞试样，当孔洞周边拉应力超过被测材料的抗拉强度时，拉应力对试样裂纹扩展将起主导作用，裂纹便会首先在平行于加载方向的孔洞周边起裂，实现脆性材料裂纹起裂位置和扩展方向的控制；另外，利用ccd相机实时拍摄拉伸裂纹起裂及扩展过程，通过同步触发器控制加载装置与ccd相机实现同步触发、实时测量；利用dic软件在数字图像中孔洞上下部位布置测量点并监测拉伸应变值的变化，当应变值出现跃升的时刻定义为拉伸裂纹的起裂时间t，再找到与起裂时间t所对应的轴向应力值即为起裂应力σci，从而得到可反映材料非均质性和结构差异的起裂应力水平k＝σci/σc×100％。利用本发明系统及方法，可以清晰的判断拉伸裂纹的起裂位置和方向，从而定量客观地确定裂纹起裂时间和起裂应力，对于确定单轴压缩下脆性材料的裂纹起裂应力具有一定的可靠性和普适性。

综上所述，本发明的系统及方法可以控制脆性材料裂纹起裂位置和扩展方向，同时，可以精确客观地确定裂纹的起裂时间和起裂应力，有效提升脆性材料裂纹起裂应力测量的真实性和可靠性；为单轴压缩作用下岩石类脆性材料起裂应力测量提供了一种新的操作方便、结果可靠、量化客观的方法。

附图说明

附图1为本发明脆性材料起裂应力测量系统示意图；

附图2为本发明脆性材料起裂应力测量系统使用的含预制孔洞长方体试样三维示意图及加载方向；

附图3为本发明脆性材料起裂应力测量系统使用的含预制孔洞圆柱体(圆盘)试样三维示意图及加载方向；

附图4为本发明脆性材料起裂应力测量系统使用的试样圆形孔洞周边切向应力分布图；

附图5为本发明脆性材料起裂应力测量系统中ccd相机拍摄到的含预制孔洞长方体试样典型散斑图；

附图6为本发明实施例2dic软件处理后的含预制孔洞长方体试样孔洞周边局部高应变特征图；

附图7为本发明实施例2孔洞上下部位拉伸应变测量点p1和p2布置图；

附图8为本发明实施例2全加载过程中测量点p1和p2的应变-时间曲线；

图中标号说明：1-试样，2-加载装置，3-同步触发器，4-ccd相机，5-照明设备，6-荷载-时间信号接收装置，7-数字图像信号接收装置，8-荷载-时间信号，9-数字图像信号；

具体实施方式

以下将结合附图和具体实施步骤对本发明做进一步详细说明：

实施例1：

参见附图1、2、3、5，本发明一种脆性材料起裂应力测量系统，所述测量系统包括荷载-时间信号接收装置6，数字图像信号接收装置7，照明设备5，ccd相机4，同步触发器3，加载装置2，试样1；所述试样1中心预制一个圆形通孔，并在试样1表面通过喷涂哑光白底漆、底漆表面喷涂哑光黑漆制作人工散斑场；所述试样1按要求放置在加载装置2之间；通过同步触发器3控制加载装置2与ccd相机4实现同步触发和实时测量；所述ccd相机4安装在试样圆形孔洞的轴线上，且相机镜头平面与通孔轴线垂直，镜头平面与试样表面近似平行；所述照明设备5摆放在ccd相机4两侧为拍摄过程提供稳定的光源；所述载荷-时间信号接收装置7与加载装置2电连接，实时接收加载装置输出的载荷-时间信号8；所述数字图像信号接收装置7与ccd相机4电连接，实时接收ccd相机拍摄的数字图像信号9。

加载设备为mts-322型电液伺服控制机试验机；dic分析与计算软件为德国gom公司生产的gomcorrelateprofessionalv8软件；ccd相机为德国basler公司生产的baslerpia2400-17gm工业数字相机，设置拍摄分辨率为2448×2050pixels，拍摄速度为17帧/秒；根据试样尺寸大小逐步调整ccd相机与试样之间的方位，以确保摄像头能全部涵盖试样表面，物像比为0.0588mm/pixel。

实施例2，试样为大理岩长方体试样，尺寸为：

h×w×t＝100mm×60mm×20mm，圆形孔洞半径r＝7.5mm；

一种脆性材料起裂应力测量方法，包括下述步骤：

首先，将大理岩岩样加工成尺寸为h×w×t＝100mm×60mm×20mm的长方体试样，再在试样几何中心预制半径r＝7.5mm的圆形通孔；然后，在试样表面用喷漆制作人工散斑场，先将试样表面清理干净再均匀地喷涂白漆，待其干透后再随机地喷涂黑漆，以形成随机的散斑(图5)；随后按要求将散斑试样放置在加载装置之间；调整好ccd相机的镜头在圆形通孔的轴线上，且相机靶面与试样表面近似平行，物像比为0.0588mm/pixel；设置好ccd相机的拍摄分辨率为2448×2050pixels，拍摄速度为17帧/秒；启动加载装置对试样施加加载速率为0.01mm/s的轴向荷载；在施加荷载的同时，通过同步触发器控制加载装置与ccd相机实现同步触发和实时测量；ccd相机拍摄试样表面裂纹起裂及扩展过程，直至试样破坏，终止试验；将ccd相机拍摄到的图像导入到dic软件中进行相关运算，根据孔洞周边应力集中特征(图4)和局部高应变特征(图6)，在圆形孔洞中心线的上下部位分别布置2个测量点，p1和p2(图7)，连续测量整个加载过程中测量点p1和p2的拉伸应变-时间曲线将得到的拉伸应变-时间曲线数据导入到excel软件中，对数据点添加趋势线进行多项式拟合，调整多项式的次项，选择拟合系数r²>0.99的多项式，得到一个应变关于时间的函数f(t)；当函数f(t)满足式(1)时，所对应的时刻to定义为拉伸裂纹的起裂时间t：

也就是说：对整个加载时间区间t进行搜索，当f(t0+n)-f(t0)>0；且时(f(t0+n)的一阶导数>0)，确定了曲线上的一个连续5s单调上升的应变跃升突变点(to,f(to))，并将时刻to定义为拉伸裂纹的起裂时间t；在试样的应力-时间曲线上找到与起裂时间t相对应的应力值a(图8)，即为起裂应力σci，则含预制孔洞脆性材料起裂应力水平k＝σci/σc×100％。

本实例中，预制圆形孔洞试样拉伸裂纹起裂时间：t＝27.74s(见附图8)；

起裂应力σci＝48.48mpa；峰值应力σc＝80.13mpa；

将数据代入可得，该试样起裂应力水平k＝σci/σc×100％＝60.5％。

实施例3

采用和实施例2相同的大理岩试样，中心圆形孔洞半径减小为r＝5.0mm，加载速率为0.01mm/s，试样尺寸和试验实施步骤同实施例2。测得裂纹起裂时间t＝24.90s；与该时间对应的起裂应力为σci＝55.72mpa，试样的峰值应力为σc＝85.46mpa；将数据代入可得，该试样起裂应力水平k＝65.2％。

实施例4

采用混凝土圆盘试样预制中心圆形孔洞，圆盘外径d＝50mm，厚度t＝25mm，中心圆孔半径r＝5.0mm，采用对径加载的方式将试样放置在加载装置之间(如图3)，加载速率为0.01mm/s，试验实施步骤同实例2。测得普通硅酸盐水泥制备的混凝土试样起裂时间t＝4.61s，起裂应力σci＝0.92mpa，试样的峰值应力为σc＝2.11mpa；将数据代入可得，该试样起裂应力水平k＝43.6％。