[实用新型]弯曲断裂测试的非接触式裂纹张开位移测量装置

说明书

本实用新型属于材料性能测试领域，特别是一种弯曲断裂测试的非接触式裂纹张开位移测量装置。包括力学实验机；弯曲测试工装：包括一个上压头和两个下压头，试样装夹在上压头和下压头之间；数字图像采集系统：包括工业相机，成像镜头，设置在成像镜头前端的环形LED照明光源，相机支撑系统和反射镜；反射镜呈45°倾斜角设置在试样的下部，反射镜将光源产生的光线反射至试样断裂表面，同时将断裂试样表面图像反射入成像镜头内；控制系统：实时显示工业相机图像，计算实时裂纹张开位移。本实用新型使用光学成像系统采集试样裂纹口周围的图像，利用数字图像相关算法计算实时裂纹张开位移，可以实现非接触式测量，测量装置对样品不产生任何影响。

技术领域

本实用新型属于材料性能测试领域，特别是一种弯曲断裂测试的非接触式裂纹张开位移测量装置。

背景技术

单边缺口试样弯曲断裂测试，如三点弯曲或四点弯曲，是评价材料断裂韧性的常用方法。对于脆性材料，当样品满足线弹性断裂力学条件时，三点弯曲测试一般参照国家标准GB/T 4161-2007或美国ASTM E399-17标准，直接获得材料断裂的临界应力强度因子KIC。而对于韧性材料，则一般参照国家标准GB/T 21143-2014或美国ASTM E1820-15 标准，采用基于弹塑性断裂力学的临界J积分或临界裂纹尖端张开位移。

无论选择线弹性或弹塑性断裂力学测试方法，弯曲断裂测试的关键均在于准确测量试样的裂纹口张开位移(Crack Mouth Opening Displacement,CMOD)。常规的CMOD测量广泛采用与试样直接接触的电阻应变片夹式引伸计，此类引伸计通过刀刃直接安装在样品的裂纹口中，可以实时测量裂纹口张开位移。然而，夹式引伸计存在诸多不足：(1) 标距固定，量程有限，难以测量较大范围的张开位移；(2)与试样直接接触并且对试样施加较大的反作用力，不使用于特别脆或特别软的材料；(3)试样测试前后，需安装和摘除引伸计，操作复杂；(4)材料突然断裂时，引伸计容易掉落和机械损坏；(5)有限的适用温度区间，不能同时兼容高温测试。

另外，受材料制备方法、服役环境、工件形状(如管道，薄壁等)等限制，难以获得标准尺寸的断裂试样。这些情况下，开展小尺寸弯曲断裂测试具有重要意义。但是，夹式引伸计通常体积大，能测量的最小裂纹口也较宽(例如，Epsilon 3541型夹式引伸计最小裂纹口宽度为2.5mm)，难以满足微型试样的测试要求。

除了常规环境测试外，有时还需要在极端环境中进行断裂性能评价，以确保材料在服役环境中足够安全。在高温或低温条件下进行弯曲断裂韧性测试时，通常采用对应的高温或低温夹式引伸计，并且需要在环境箱上开孔或者通过引伸杆等装置将箱内样品裂纹口张开位移转换至箱外。这必然导致环境箱设计复杂化，增加隔热难度和低温介质损耗，同时可能引入测试误差。在不同温度环境(高温，室温和低温)开展断裂测试时，需要更换对应的引伸计，使测试过程变得繁琐，也增加设备的购置成本。另外，若需要在腐蚀介质环境中开展断裂测试，测试条件将更为复杂，且腐蚀介质可能会损坏引伸计。

实用新型内容

本实用新型所解决的技术问题在于提供一种弯曲断裂测试的非接触式裂纹张开位移测量装置及方法。

实现本实用新型目的的技术解决方案为：

一种弯曲断裂测试的非接触式裂纹张开位移测量装置，包括

力学实验机；

弯曲测试工装：弯曲测试工装装载于力学实验机中，弯曲测试工装包括一个上压头和两个下压头，试样装夹在上压头和下压头之间，上压头设置在试样的中间部位，两个下压头分别设置在试样的两端；

数字图像采集系统：包括工业相机，设置在工业相机前端的成像镜头，设置在成像镜头前端的环形LED照明光源，相机支撑系统和反射镜；所述反射镜呈45°倾斜角设置在试样的下方，反射镜将环形LED照明光源产生的光线反射至试样断裂表面，同时将断裂试样表面图像反射入成像镜头内；