[发明专利]钛合金断裂过程焦散线测试装置和方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种钛合金断裂过程焦散线测试装置和方法，特别涉及一种钛合金断裂韧性的焦散线测试装置和方法，具体的说是一种利用点光源阵列按一定时间间隔发出的光线和利用高速摄影装置，根据高速摄影装置记录的加载之后钛合金试样表面反映的焦散线光学信息，计算动态应力强度因子随时间的变化曲线以及裂纹长度随时间变化的曲线，从而确定裂纹起裂时间、动态断裂韧性以及裂纹扩展速率的测试方法。属于一种材料的力学性能测试方法。

背景技术

在断裂力学中，按照载荷产生的应力强度因子变化率数值的大小对静态及动态载荷进行划分，当时属于静态或准静态断裂加载；当时属于动态断裂加载，必须考虑惯性效应的影响；当时属于高动态加载，此时除必须考虑惯性效应外还必须考虑应力波与裂纹的相互作用。钛合金作为广泛应用于航空航天领域的结构材料，通常在服役过程中承受动态载荷。材料在动态加载条件下会有不同于静态条件的力学响应规律，材料或结构中的裂纹会更容易起裂。对于常规的钛合金断裂韧性试验，按照国家标准或国际标准中规定的实验速率加载，的数值通常在10^-3MPa·m^1/2s^-1或者更低的范围，属于静态或准静态条件下的试验，难以预测动态条件下材料或结构的安全性，因而对其动态断裂韧性的测试显得尤为重要。目前国内外尚未建立广泛适用的动态断裂韧性测试方法及标准。常用于动态断裂韧性测试的方法有示波冲击法及焦散线法等等。示波冲击法的不足之处在于，仅是采用静态条件的计算方法对动态条件进行近似计算，仅适用于低速冲击条件，难以测试裂纹扩展速率，难以对动态断裂的过程进行观测。焦散线法是常用于动态条件下测试应力强度因子的光测技术，具有测试精度高、实时性好的优点，但是由于设备条件等原因，国内采用该方法测试材料动态断裂韧性的研究较少，在金属材料方面的应用主要针对钢铁材料。由于钢铁材料不透明，其动态断裂行为试验采用反射式焦散线光路，该方案需要试样表面为镜面，从而获得足够的反射光强度。工作镜面的制备方法一般采用镜面转移法，即首先在光学平面玻璃上真空蒸镀一层铝箔，将镀有铝箔的玻璃用环氧树脂粘贴于试样表面，移除玻璃，即可在试样表层获得工作镜面。钛合金与钢铁材料相比有更明显的缺口敏感性和剪切变形的倾向，一方面导致镜面转移法获得的工作镜面在断裂过程中容易与试样剥离，另一方面会使I型断口与预制裂纹所在平面呈45°夹角，二者最终导致适用于钢铁材料测试的焦散线法方案难以适用于钛合金材料。因此，有必要建立一种适用于钛合金的，实验加载速率范围大的动态断裂过程观察方法及动态断裂韧性测试装置和方法。

发明内容

本发明的目的之一是提供一种钛合金断裂过程焦散线测试装置。

为实现所述目的，本发明采用的技术方案为：

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。

一种优选的技术方案，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。

本发明的第二个目的是提供一种利用上述的钛合金断裂过程焦散线测试装置进行钛合金断裂过程焦散线测试的方法。

为实现所述目的，本发明采用的技术方案为：

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，确保加载杆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；