一种疲劳裂纹扩展速率的检测方法及系统

1.本发明涉及材料疲劳性能检测技术领域，特别是涉及一种疲劳裂纹扩展速率的检测方法及系统。


背景技术：

2.工程中大量装备的机械零部件和结构在服役期间最常见的失效形式是疲劳破坏。据不完全统计，在航空工程中的失效形式，疲劳破坏所占比例为60％～80％，汽车零部件的断裂，疲劳破坏占比为85％。根据疲劳与断裂理论，疲劳裂纹扩展速率是进行材料损伤评估与剩余疲劳寿命预测的重要参数。但由于目前尚不能完全通过有效的理论方法来研究疲劳裂纹的萌生、扩展和断裂机理，因此找到一种有效且实用的检测方法，对疲劳裂纹扩展速率研究具有重要的意义。
3.目前在实验室以及工程实践中使用较多的疲劳裂纹扩展速率测量方法有电位法、复型法、红外热像技术等。其中，电位法是在试样中通以恒定电流，利用导体截面尺寸变化引起电流场变化的现象来测量裂纹长度的，但由于测量的是微伏级的电压信号，对夹具等的绝缘性要求很高，绝缘不好，会使机架和试样产生并联电阻效应，对测量结果产生很大的影响。且电位法只能测量有限点，不能得到全场数据，不能全面揭示疲劳裂纹起裂扩展的演化过程和机理。复型法虽然测量精度较好，但其需要在试验过程中停机若干次来测量裂纹长度，增加了试验周期，尤其在高温试验条件下进行疲劳试验时用时更长。红外热像技术是一种非接触式的测量方法，借助红外热成像技术获取试样表面在特定时刻下的热像图，然后利用二维热传导模型由温度场计算获取热源场，确定每个时刻下的疲劳裂纹尖端位置，根据裂纹尖端的初始位置对比，计算获取裂纹长度。但要对试样进行复杂的预处理，外界环境温度对试验结果影响交大，并且当试样温差较小，热像图的对比度低，分辨细节能力较差时，得到的测量结果误差较大。同时，现有技术不能及时观测、记录裂纹萌生的过程。


技术实现要素：

4.为解决现有技术存在的上述问题，本发明提供了一种疲劳裂纹扩展速率的检测方法及系统。
5.为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
6.一种疲劳裂纹扩展速率的检测方法，包括：
7.制备试样；
8.将所述试样安装在疲劳试验机上，并架设成像装置完成对光操作；
9.设定所述疲劳试验机的实验参数和所述成像装置的拍摄参数；所述实验参数包括：交变载荷范围、试验频率、实验波形和数据结果保存位置；所述拍摄参数包括：采样频率和曝光时间；
10.基于所述实验参数对所述试样进行疲劳实验；
11.在实验过程中实时确定所述试样的位移幅值，在裂变萌生后，所述疲劳试验机按
照所述采样频率发射脉冲，触发所述成像装置拍摄得到xpci图像；
12.采用xdic方法对所述xpci图像进行分析计算得到试样尖端位置处的位移和应变场；
13.基于所述位移和所述应变场确定裂纹长度；
14.采用数值方法基于所述裂纹长度确定各时刻的裂纹扩展速率。
15.优选地，所述制备试样包括：
16.制备初始试样；
17.在所述初始试样的表面覆盖散斑场得到所述试样；所述散斑场承载有灰度信息。
18.优选地，所述成像装置对试样进行x射线相衬成像得到所述xpci图像。
19.优选地，所述采用xdic方法对所述xpci图像进行分析计算得到试样尖端位置处的位移和应变场，具体包括：
20.选定所述xpci图像上的计算区域；
21.设置dic参数；
22.基于所述dic参数对所述计算区域进行dic分析得到试样尖端位置处的位移和应变场。
23.优选地，所述裂纹扩展速率的确定公式为：
[0024][0025]
式中，aj是j时刻的裂纹长度，a
j-1
为j-1时刻的裂纹长度，a
j-a
j-1
为裂纹增量，nj表示j时刻的循环次数，n
j-1
表示j-1时刻的循环次数，n
j-n
j-1
表示循环次数增量，为裂纹增量从aj至a
j-1
时所对应的平均裂纹扩展速率。
[0026]
优选地，平均裂纹长度a(j)
avg
：
[0027][0028]
根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：
[0029]
本发明提供的疲劳裂纹扩展速率的检测方法，在实验过程中实时确定所述试样的位移幅值，在裂变萌生后，所述疲劳试验机按照所述采样频率发射脉冲，触发所述成像装置拍摄得到xpci图像，具有对实验环境要求极为宽松、可高速拍摄、全场测量、高精度、非接触、自动化程度高等优点，可满足高速下高分辨率超快测量的需求。并且，采用xdic方法处理xpci图像，分析了细观应变场，从材料微观和宏观变形的全局角度揭示了疲劳裂纹起裂、扩展、断裂的演化过程和机理。
[0030]
对应与上述提供的疲劳裂纹扩展速率的检测方法，本发明还提供了以下实施系统：
[0031]
一种疲劳裂纹扩展速率的检测系统，包括：
[0032]
试样制备模块，用于制备试样；
[0033]
对光操作模块，用于将所述试样安装在疲劳试验机上，并架设成像装置完成对光操作；
[0034]
参数设定模块，用于设定所述疲劳试验机的实验参数和所述成像装置的拍摄参
数；所述实验参数包括：交变载荷范围、试验频率、实验波形和数据结果保存位置；所述拍摄参数包括：采样频率和曝光时间；
[0035]
疲劳实验模块，用于基于所述实验参数对所述试样进行疲劳实验；
[0036]
图像拍摄模块，用于在实验过程中实时确定所述试样的位移幅值，在裂变萌生后，所述疲劳试验机按照所述采样频率发射脉冲，触发所述成像装置拍摄得到xpci图像；
[0037]
位移应变确定模块，用于采用xdic方法对所述xpci图像进行分析计算得到试样尖端位置处的位移和应变场；
[0038]
裂纹长度确定模块，用于基于所述位移和所述应变场确定裂纹长度；
[0039]
扩展速率确定模块，用于采用数值方法基于所述裂纹长度确定各时刻的裂纹扩展速率。
[0040]
另一种疲劳裂纹扩展速率的检测系统，包括：疲劳试验机和成像装置；所述疲劳试验机和所述成像装置连接；
[0041]
所述疲劳试验机用于对试样进行疲劳实验；
[0042]
成像装置用于基于所述疲劳试验机的控制信号，在疲劳实验过程中按照设定拍摄参数拍摄试样得到xpci图像；所述疲劳试验机，内部植入有疲劳实验程序，用于采用所述疲劳实验程序基于所述xpci图像确定试样各时刻的裂纹扩展速率；所述疲劳实验程序用于实施上述提供的疲劳裂纹扩展速率的检测方法。
[0043]
因本发明提供的两种疲劳裂纹扩展速率的检测系统实现的技术效果与上述提供的疲劳裂纹扩展速率的检测方法实现的技术效果相同，故在此不再进行赘述。
附图说明
[0044]
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的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0045]
图1为本发明提供的疲劳裂纹扩展速率的检测方法的流程图；
[0046]
图2为本发明实施例提供的初始试样结构示意图；
[0047]
图3为本发明实施例提供的光路示意图；
[0048]
图4为本发明实施例提供的裂纹尖端位置处的位移和应变场确定流程图；
[0049]
图5为本发明提供的一种疲劳裂纹扩展速率的检测系统的结构示意图。
具体实施方式
[0050]
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。
[0051]
本发明的目的是提供一种具有对实验环境要求极为宽松、可高速拍摄、全场测量、高精度、非接触、自动化程度高等优点的疲劳裂纹扩展速率的检测方法及系统，能够提高检测测量精度，同时能够解决现有技术存在的不能及时观测、记录裂纹萌生过程的问题。
[0052]
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。
[0053]
如图1所示，本发明提供的疲劳裂纹扩展速率的检测方法，包括：
[0054]
步骤100：制备试样。具体的，按照国家标准《金属材料疲劳试验疲劳裂纹扩展方法》设计初始试样的尺寸及表面粗糙度，之后在初始试样表面覆盖承载灰度信息的随机散斑场得到制备好的试样。其中，初始试样如图2所示，其长度为l，宽度为w，厚度为b，缺口深度为ap，缺口宽度为h。
[0055]
步骤101：将试样安装在疲劳试验机上，并架设成像装置完成对光操作。本发明采用的成像装置可以是成像高速相机。基于此，该步骤的具体实现过程为：首先，接通疲劳试验机下方的三轴运动位移台，将试样安装在疲劳试验机上，并将成像高速相机架设在合适的位置，然后利用三轴运动位移台调整试验机x、y、z轴方向的位置，直到成像高速相机能清晰观察到裂纹轮廓。其光路如图3所示，x射线1穿透试样2，入射到成像闪烁体3，闪烁体3将x射线1转化成可见光后进入成像高速相机4中，实现成像信号的采集。
[0056]
步骤102：设定疲劳试验机的实验参数和成像装置的拍摄参数。实验参数包括：交变载荷范围、试验频率、实验波形和数据结果保存位置。拍摄参数包括：采样频率和曝光时间。
[0057]
步骤103：基于实验参数对试样进行疲劳实验。
[0058]
步骤104：在实验过程中实时确定试样的位移幅值，在裂变萌生后，疲劳试验机按照采样频率发射脉冲，触发成像装置拍摄得到xpci图像。具体的，在疲劳试验时，未发生塑性变形时缺口处任一点的位移都和所施加载荷进行同频率的正弦振动有关。当当前位移最大值超出上一周期正弦波幅值的5％时(即判定为裂变萌生)，疲劳试验机控制程序化自动触发成像高速相机，进行x射线相衬成像，获取试样的xpci图像。
[0059]
步骤105：采用xdic方法对xpci图像进行分析计算得到试样尖端位置处的位移和应变场。具体的，成像高速相机收到触发脉冲后进行x射线相衬成像(x-rayphasecontrastimaging，xpci)，然后对xpci图像做x射线数字图像相关技术(x-raydigitalimagecorrelation，xdic)进行相关分析计算，将xpci参考图像和目标图像导入到基于matlab编写的xdic处理程序，选取需要计算的区域，计算区域选定后，设定应变半径等dic参数，进行数字图像相关技术(digitalimagecorrelation，dic)分析，计算裂纹尖端位置的位移、应变场，其流程如图4所示。图像相关算法与传统的光学dic方法类似，具体为：选取同一图像序列的相邻两帧图像，其中一帧作为参考图像，另一帧作为目标图像，然后将图像等分成若干个圆形子区域，通过子区内的像素点，构造一定的互相关函数，进行非线性最小二乘求解，通过追踪变形前后子区的位移，获得位移场(u和v)后，通过位移梯度可以计算green-lagrange正应变(e
xx
和e
yy
)和剪应变(e
xy
)：
[0060][0061][0062][0063]
其中，u和v表示位移，x和y表示坐标。
[0064]
步骤106：基于位移和应变场确定裂纹长度。其中，平均裂纹长度a(j)
avg
：
[0065][0066]
步骤107：采用数值方法基于裂纹长度确定各时刻的裂纹扩展速率。例如采用的数值方法为割线法，割线法的原理是对于给定的疲劳裂纹长度，绘制出疲劳裂纹长度与寿命的曲线图，即a-n曲线。通过计算a-n曲线上该裂纹长度对应微元段的斜率，即为该裂纹长度下的裂纹扩展速率，用下述公式表示为：
[0067][0068]
式中，aj是j时刻的裂纹长度，a
j-1
为j-1时刻的裂纹长度，a
j-a
j-1
为裂纹增量，nj表示j时刻的循环次数，n
j-1
表示j-1时刻的循环次数，n
j-n
j-1
表示循环次数增量，为裂纹增量从aj至a
j-1
时所对应的平均裂纹扩展速率。
[0069]
基于上述描述，本发明主要是基于同步辐射光源实现疲劳裂纹扩展速率的检测。同步辐射光源是一种新型不可替代光源，以其强度高、亮度大、偏振性高、准直性好、光源焦斑小和稳定性高等特点，成为了目前表征材料微观结构的重要手段。xdic(x-raydigitalimagecorrelation)x射线数字图像相关技术，是将dic(digitalimagecorrelation)数字图像相关技术与同步辐射x射线相衬成像(x-rayphasecontrastimaging,xpci)结合起来的一种方法，利用x射线相衬成像(xpci)获得数字图像，是一种通过图像相关点进行对比的算法，其计算方法与dic方法类似，通过该方法可计算出物体表面位移及应变分布，可满足高速下高分辨率超快测量的需求。其x射线相衬成像是利用x射线穿过样品时相位的变化来形成衬度差异，进而实现成像。
[0070]
本发明在进行疲劳试验时，未发生塑性变形时缺口处任一点的位移都和所施加载荷进行同频率的正弦振动，当萌生裂纹后，相同载荷下的位移最大值会比没有裂纹产生时增大，利用疲劳试验机控制程序实时比较当前周期内的位移的幅值和上一周期内的位移幅值，当当前位移幅值超出上一周期正弦波幅值5％时，疲劳试验机控制程序给成像高速相机发射脉冲，触发成像高速相机运行，进行x射线相衬成像，获取试样的散斑图像，利用xdic方法计算每张图像中裂纹尖端位置的位移、应变场，进而计算出裂纹扩展速率，同时根据触发相机的时间可以记录疲劳裂纹萌生寿命，并可观测到裂纹萌生的过程，具有对实验环境要求极为宽松、全场测量、高速、高精度、非接触、自动化程度高等优点，克服了现有技术不足，提高了测量精度。同时由xdic计算得到的微观应变场弥补了宏观应力应变曲线展示的材料力学性能的不足，从材料微观和宏观变形的全局角度来揭示疲劳裂纹起裂、扩展、断裂的演化过程和机理。
[0071]
基于上述描述，相对于现有技术本发明具有以下优点：
[0072]
1)本发明将同步辐射光源x射线应用于疲劳裂纹扩展试验，使用x射线相衬成像(xpci)的方法，具有高速、精确的优点，可满足高速下高分辨率超快测量的需求，采用xdic方法处理xpci图像，分析了细观应变场，从材料微观和宏观变形的全局角度揭示了疲劳裂纹起裂、扩展、断裂的演化过程和机理。
[0073]
2)本发明利用疲劳试验机控制程序实时判断位移幅值的变化，可做成像高速相机
的触发开关。在进行疲劳试验时，未发生塑性变形时缺口处任一点的位移都和所施加载荷进行同频率的正弦振动，当萌生裂纹后，相同载荷下的位移最大值会比没有裂纹产生时增大，利用疲劳试验机控制程序实时比较当前周期内的位移的幅值和上一周期内的位移幅值，当当前位移幅值超出上一周期正弦波幅值5％时，疲劳试验机控制程序触发成像高速相机运行。
[0074]
此外，对应与上述提供的疲劳裂纹扩展速率的检测方法，本发明还提供了以下实施系统：
[0075]
一种疲劳裂纹扩展速率的检测系统，如图5所示，包括：试样制备模块500、对光操作模块501、参数设定模块502、疲劳实验模块503、图像拍摄模块504、位移应变确定模块505、裂纹长度确定模块506和扩展速率确定模块507。
[0076]
其中，试样制备模块500用于制备试样。
[0077]
对光操作模块501用于将试样安装在疲劳试验机上，并架设成像装置完成对光操作。
[0078]
参数设定模块502用于设定疲劳试验机的实验参数和成像装置的拍摄参数。实验参数包括：交变载荷范围、试验频率、实验波形和数据结果保存位置。拍摄参数包括：采样频率和曝光时间。
[0079]
疲劳实验模块503用于基于实验参数对试样进行疲劳实验。
[0080]
图像拍摄模块504用于在实验过程中实时确定试样的位移幅值，在裂变萌生后，疲劳试验机按照采样频率发射脉冲，触发成像装置拍摄得到xpci图像。
[0081]
位移应变确定模块505用于采用xdic方法对xpci图像进行分析计算得到试样尖端位置处的位移和应变场。
[0082]
裂纹长度确定模块506用于基于位移和应变场确定裂纹长度。
[0083]
扩展速率确定模块507用于采用数值方法基于裂纹长度确定各时刻的裂纹扩展速率。
[0084]
另一种疲劳裂纹扩展速率的检测系统，包括：疲劳试验机和成像装置。疲劳试验机和成像装置连接。
[0085]
疲劳试验机用于对试样进行疲劳实验。
[0086]
成像装置用于基于疲劳试验机的控制信号，在疲劳实验过程中按照设定拍摄参数拍摄试样得到xpci图像。疲劳试验机，内部植入有疲劳实验程序，用于采用疲劳实验程序基于xpci图像确定试样各时刻的裂纹扩展速率。疲劳实验程序用于实施上述提供的疲劳裂纹扩展速率的检测方法。
[0087]
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的系统而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
[0088]
本文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；同时，对于本领域的一般技术人员，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。