一种蠕变裂纹扩展C*积分的测试装置与方法与流程

背景技术：

1、蠕变失效是航空发动机、压力容器等领域结构完整性研究的关键问题。金属结构长时服役中会产生孔洞、裂纹等损伤，其尖端应力集中区域的蠕变裂纹扩展可能导致结构的失效。研究高温合金的蠕变裂纹扩展行为，对于了解高温合金的研制与高温装备的强度设计具有重要的意义。

2、断裂力学中，对于稳态蠕变情况下，用c*积分参量作为裂尖驱动力参量。c*积分定义为围绕裂纹前沿从裂纹的一个面到另一个面的线积分或面积分，表征材料经受大范围蠕变状态下，在某瞬时裂纹前沿能量释放速率，能够很好表征蠕变裂纹尖端的应力场、应变场强度。测量c*积分-时间曲线是用于表征金属材料蠕变裂纹扩展行为的标准方法。常用的获取c*积分的方法有模拟仿真和实验测定的方法。然而，通过有限元等技术模拟仿真的方法来获取c*积分，会受到裂纹非连续性限制，往往计算推导过程过于复杂，且容易受到计算参数干扰，导致测量结果准确性较低，很难在实际应用中推广。

3、传统的实验测定方法有柔度法、贴片法等。柔度法为astm e1457中标准试验方法，基于远场单点测量结果推导获得，往往不能有效反映裂纹尖端力学行为，贴片法实验过程繁琐且测点有限。更为重要的是，基于局部点试验方法往往需要基于断裂力学方法根据试样几何特征推导获得裂纹尖端力学行为的简化公式，并不能获得c*积分的真实值。

4、随着数字图像技术的发展，以数字图像相关技术(dic)为代表的数字图像光学测量技术被引入实验力学中，由于其具有非接触、精度高、光路简单、受环境影响小等优点，逐渐在实验力学变形测量领域得到广泛应用。更为重要的是，通过dic方法可以获得裂纹尖端的全场应变，进而获得c*积分的真实值，而且可以通过选择不同的积分路径来验证测量的准确性。然而由于蠕变裂纹扩展需要在高温大气环境中进行长时测量，热空气扰动、长时高温散斑制备、裂纹长度测量、积分路径的选取等关键问题都制约了该方法的应用。

5、如何提升蠕变裂纹扩展c*积分的测试准确性，以及简化测量方法、简化计算推导过程都是本领域的技术人员亟待解决的问题。

技术实现思路

1、技术问题：

2、针对蠕变裂纹扩展参量c*积分的测量准确性较低、测量设备复杂、测量方法复杂、计算推导复杂中的至少一个问题，本专利提供了一种蠕变裂纹扩展测量的系统与方法。

3、技术方案：

4、一种蠕变裂纹扩展c*积分的测试装置，包括：持久蠕变试验机1、高温炉2、高温夹具3、热电偶4、控温装置5、分光装置6、图像采集装置7、光源8和计算系统9，其中：

5、持久蠕变试验机1，用于向试样施加力载荷；

6、高温炉2，用于向试样施加温度载荷，带有光学观察窗；

7、测量时，试样与高温夹具3通过销钉进行连接，并在试样上端下端捆绑热电偶4，用来进行温度测量，并通过控温装置5保持温度恒定；

8、图像采集装置7包括：ccd相机，ccd相机的镜头用于正对高温炉2的观察窗，用来采集试样在施加力载荷和温度载荷时的三维图像；

9、分光装置6放置于图像采集装置7与高温炉2之间，用于实现双目测量，以及避免长时蠕变试验过程中高温炉2产生的辐射直接照射图像采集装置7造成设备损坏；

10、计算系统9安装有dic变形分析系统和c*积分计算程序，与图像采集装置7进行数据连接，通过对三维图像进行变形场和应变场计算，确定裂纹长度，进而实现c*积分计算。

11、一种蠕变裂纹扩展c*积分测量方法，包括以下步骤：

12、s1，加工带机械缺口的蠕变裂纹扩展试样；

13、s2，利用疲劳试验机对蠕变裂纹扩展试样预制尖锐的疲劳裂纹；

14、s3，在试样的裂纹周围制备高温散斑作为变形追踪载体；

15、s4，利用持久蠕变试验机1向试样施加力载荷；利用高温炉2向试样施加温度载荷；应用分光装置6和图像采集装置7对试验过程中对试样表面的图像进行采集，设置图像采集时间间隔，周期性获取试样表面的三维图像；

16、s5，根据数字图像，利用计算系统9，测量裂纹周围变形场和应变场，并获取裂纹尖端位置，进而获得蠕变裂纹扩展速率da/dt；

17、s6，选取始于裂纹下表面任一点，止于裂纹上表面的围绕裂纹尖端的闭合路径作为积分路径γ，进行积分计算获取蠕变裂纹扩展c*积分。

18、技术效果：

19、本发明的装置和方法将非接触式全场变形测量法被引入实验力学中，其基于光学原理，具有非接触、精度高、光路简单、受环境影响小等优点。

20、本发明的装置和方法基于全场变形测量与材料本构模型，能够综合利用全场测量数据，能够准确获取测试数据。

21、本发明的装置和方法能够准确获取蠕变裂纹尖端的应变场，自动快速计算c*积分的真实值，准确获取金属材料蠕变裂纹扩展c*积分随持续时间变化的曲线，简单、方便、高效，对于高温结构持久应力断裂寿命预测具有重要意义。

技术特征：

1.一种蠕变裂纹扩展c*积分的测试装置，其特征在于，包括：持久蠕变试验机(1)、高温炉(2)、高温夹具(3)、热电偶(4)、控温装置(5)、分光装置(6)、图像采集装置(7)、光源(8)和计算系统(9)，其中：

2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，还包括：

3.一种蠕变裂纹扩展c*积分测试方法，利用权利要求1或2所述的系统进行测量，其特征在于，包括以下步骤：

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在步骤s1中：

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在步骤s2中：

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在步骤s3中：

7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在步骤s5中：

8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在步骤s5中：

9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在步骤s6中：

10.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在步骤s6中：

技术总结
本发明公开了一种蠕变裂纹扩展C*积分的测试装置与方法，涉及材料高温蠕变裂纹扩展测试领域。测量系统包括持久蠕变试验机(1)、带观察窗的高温炉(2)、高温夹具(3)、热电偶(4)、控温装置(5)、分光装置(6)、图像采集装置(7)、光源(8)和DIC应变分析系统。测试方法通过DIC技术获取含预制裂纹的表面在试验载荷下的位移场和应变场数据，再将数据代入根据离散化后的C<supgt;*</supgt;积分公式中，进行数值积分计算，最终获得C<supgt;*</supgt;积分参量。本发明的装置和方法能够高效获取蠕变裂纹尖端的应变场，自动高效计算C<supgt;*</supgt;积分的真实值，获取金属材料蠕变裂纹扩展C<supgt;*</supgt;积分随持续时间变化的曲线。

技术研发人员：张悦,许巍,于慧臣,刘帅,王亮,陈新,高至远,何玉怀
受保护的技术使用者：中国航发北京航空材料研究院
技术研发日：
技术公布日：2024/1/16