[发明专利]钛合金断裂过程焦散线测试装置和方法

权利要求书

1.一种钛合金断裂过程焦散线测试装置，其组成包括加载杆(1)、高速摄像机(3)、半透半反镜(5)、点光源阵列(7)及两个凸透镜(4)和(6)，凸透镜(6)的光轴与凸透镜(4)的光轴呈90°夹角；半透半反镜(5)所在平面位于凸透镜(6)所在平面与凸透镜(4)所在平面夹角的角平分线处；点光源阵列(7)光路方向与凸透镜(6)的光轴重合，呈45°角穿过半透半反镜(5)的中心，与待测试样(2)的裂纹尖端处于同一水平高度；高速摄像机(3)的镜头的光轴与凸透镜(4)的光轴重合，呈45°角穿过半透半反镜(5)的中心；高速摄像机(3)到凸透镜(4)所在平面的距离，等于点光源阵列(7)到凸透镜(6)所在平面的距离；加载杆(1)的轴心穿过待测试样(2)中预制裂纹所在平面。

2.根据权利要求1所述的钛合金断裂过程焦散线测试装置，其特征在于：所述点光源阵列(7)为N×N点光源阵列，在待测试样(2)受到动态载荷冲击之后以设定的时间间隔依次发光，由高速摄像机(3)依次记录N×N张图像。

3.一种钛合金断裂过程焦散线测试方法，包括如下步骤：

1)对钛合金待测试样(2)预制疲劳裂纹，然后在待测试样(2)能够被点光源阵列(7)照射的表面采用机械精抛光的方式加工获得镜面平面，在50×金相显微镜下观察无明显划痕；用游标卡尺测量试样(2)厚度d，确定钛合金的弹性模量E和泊松比v，计算钛合金应力光学常数c，计算公式为

2)将待测试样(2)放置于测试装置中，使加载杆(1)的轴心穿过待测试样(2)中预制裂纹所在平面，并且确保点光源阵列(7)发出的光线都能透过凸透镜(6)以及半透半反镜(5)之后垂直照射在待测试样(2)表面；

3)在待测试样(2)镜面的背面一定距离的位置设置与待测试样(2)表面平行的参考平面，将高速摄像机(3)聚焦于参考平面，用米尺测量参考平面与待测试样(2)镜面的背面的距离z；

4)用落锤系统、摆锤系统、霍普金森压杆系统或者气炮系统驱动加载杆，对待测试样(2)加载，之后，点光源阵列(7)相隔特定的时间间隔依次发光，光线穿过凸透镜(6)和半透半反镜(5)照射到待测试样(2)表面，待测试样(2)表面的反射光线形成焦散线及焦散斑图像，经半透半反镜(5)反射改变光路，透过凸透镜(4)进入高速摄像机(3)；高速摄像机(3)依次记录各个时刻的待测试样表面裂纹扩展位置、焦散线及焦散斑图像；

5)对步骤4)中获得的各张图像底片分别测量，确定焦散线特征尺寸D，计算各个时刻对应的应力强度因子；分别对各张底片测量确定裂纹长度a，并确定裂纹起裂时刻，裂纹起裂时刻的应力强度因子即作为动态断裂韧性；对裂纹起裂之后各个时刻对应的裂纹长度进行最小二乘拟合，所得直线的斜率为裂纹平均扩展速率。

4.根据权利要求3所述的钛合金断裂过程焦散线测试方法，其特征在于：所述待测试样采用三点弯曲试样或四点弯曲试样。

5.根据权利要求3所述的钛合金断裂过程焦散线测试方法，其特征在于：所述待测试样采用剪切试样。

6.根据权利要求3所述的钛合金断裂过程焦散线测试方法，其特征在于：对于I型动态断裂韧性测试，当I型应力强度因子变化率在范围时，在待测试样表面上的预制裂纹位置处加工贯穿整个待测试样高度的浅槽。

7.根据权利要求3所述的钛合金断裂过程焦散线测试方法，其特征在于：对待测试样加载时，当应力强度因子变化率的范围为时，选择落锤或摆锤系统。

8.根据权利要求3所述的钛合金断裂过程焦散线测试方法，其特征在于：对待测试样加载时，当应力强度因子变化率的范围为时，选择霍普金森压杆系统或者气炮系统。

9.根据权利要求3所述的钛合金断裂过程焦散线测试方法，其特征在于：步骤5)中，对于I型动态断裂韧性测试，各个时刻t对应的应力强度因子K_Id(t)计算公式为对于II型动态断裂韧性测试，各个时刻t对应的应力强度因子K_IId(t)计算公式为