[发明专利]一种基于原位SEM的裂纹尖端张开角度测量方法

说明书

本发明涉及一种基于原位SEM的裂纹尖端张开角度测量方法，包括以下步骤：试样准备：对试样进行机加工，达到所需的几何尺寸及表面粗糙度；装夹试样，扫描电镜成像：将试样装夹于原位试验机的试样台上，直至可清晰观察到试样表面；设置试验条件开始试验：设定原位试验机的加载参数，采用拉‑拉疲劳载荷预制裂纹；断裂试验和采集图像，计算CTOA值和测量裂纹长度a：获得CTOA‑Δa的演化趋势：将计算得到的CTOA和扫描电镜测得的裂纹扩展增量Δa绘制在同一个坐标系中，得到CTOA‑Δa的趋势图。本发明实现了CTOA的非接触测量，无需对试样表面进行特殊处理，过程中无复杂的试验操作步骤，后期处理方便，精度较高。

技术领域

本发明涉及断裂力学研究,尤其涉及一种基于原位SEM的裂纹尖端张开角度（CTOA）测量方法。

背景技术

弹塑性断裂力学及其测试方法是评估延性材料断裂特性的重要研究手段。在工程实际中，对于飞机蒙皮、石油管道等薄壁、薄板结构，其断裂失效工况接近于低约束条件。对于这类问题，测定临界裂纹尖端张开角（Crack Tip Opening Angle，CTOA）被认为是一种非常适合用于评估该类材料与构件失效条件的断裂评估准则，并得到广泛的应用。裂纹尖端张开角在裂纹稳态扩展阶段达到临界值且保持恒定，该临界值可以用于表征材料的稳定裂纹扩展韧性，即断裂韧度。断裂韧度反映材料的抗裂纹扩展能力，断裂韧度越大，韧度越高。基于CTOA的理论判据为：CTOA≤CTOA_C，当CTOA达到临界起始值CTOA_C时，裂纹开始稳定扩展。

目前，CTOA的试验测试方法主要有直读法、3D显微形貌法、δ₅间接测量法。直读法记录试验过程中的裂纹稳态扩展过程的图像，试验完毕后需测定采集的图像来计算CTOA，通过裂尖和裂尖后的定位点计算裂纹尖端张开角的平均值。3D显微形貌法通过试验后的法向分离测量断裂表面的高度，进而获得两个离散定义的数学表面，两个离散表面经最小二乘拟合出平均斜率进而求得裂纹尖端张开角。δ₅间接测量法技术通过测量F-Δa曲线与F-δ₅曲线，进而得出δ₅-Δa曲线，CTOA近似等于δ₅-Δa曲线的斜率。

现有试验测试方法在实际应用中普遍存在一定不足，因此受到不同程度的制约。直读法中，光学测量需准确识别裂纹尖端点，识别精度不够容易出现数据异常离散化；3D显微形貌法是在试验后对试样的裂纹面进行测量，不能实时地观察记录加载过程中CTOA的变化规律；δ₅间接测量法需采用标准试样，试验过程中需采用柔度法并借助COD规来测量位移增量，程序比较复杂。