专利名称：疲劳裂纹扩展速率自动测量装置及方法
技术领域：
本发明涉及一种疲劳裂纹扩展速率自动测量装置及方法，属于材料疲劳性能检测技术领域。
背景技术：
疲劳失效是导致工程结构和机械失效的主要原因之一。疲劳裂纹扩展速率测量的目的是获取材料、零件或结构中的缺陷和损伤，在交变载荷作用下扩展规律，以便给定零部件、 结构的检修和使用寿命周期，保证零部件或结构的安全性和可靠性。现有的疲劳裂纹扩展速率测量方法包括了目测法、柔度法、电位法等。这些方法中目测法最为常用，但是在试样承受疲劳载荷振动幅度较大时，存在在试验过程中难以读数的问题，必须中断试验进行测量，测量精度受人为因素影响；腐蚀疲劳中腐蚀介质透明程度也直接影响该方法的效果，不透明的介质中无法使用目测法对裂纹长度进行测量；在复杂结构中，人员难以观察到的部位无法采用目测法，即使借助辅助光学仪器，也将带来照明、 空间等一系列问题。柔度法和电位法通过间接读取其它物理量的变化值换算裂纹扩展长度，但也存在着各自的限制，首先两者皆需要在使用前标定裂纹扩展长度与所测物理量之间的关系，而标定工作本身就较为复杂和繁琐，且容易引入误差，降低测量精度；其次柔度法对空间也有一定的要求，需要被测部位周围能够容纳引伸计的安装，在复杂结构中的使用中可能因此受到限制，在腐蚀疲劳和高低温疲劳等环境疲劳试验中也将增加试验环境密封的难度；电位法则需要被测试样为导体，易受各种因素(如试样材料导电性、导线与试样连接位置、氧化物和环境影响等)的干扰而降低测量精度；需要额外在试样与加力系统间采取绝缘措施；含水介质中疲劳裂纹扩展测定时可能造成电化学影响。

发明内容
为了解决上述问题，本发明提供了一种疲劳裂纹扩展速率自动测量装置及方法，精度较高、简单易行，适用于气体、液体等腐蚀介质中的疲劳裂纹扩展速率测量，也适用于金属、 复合材料等多种材料制成的试样、大型复杂的试验件或结构的疲劳裂纹扩展速率测量的方法。本发明为解决其技术问题采用如下技术方案
一种疲劳裂纹扩展速率自动测量装置，包括用于标示疲劳裂纹扩展的断裂线、电源或光源、导线或光纤、测量并记录断裂线中电流或光纤通断的测量装置和将断裂线断裂测量结果换算成疲劳裂纹扩展速率的计算机程序的计算机，其中，断裂线是漆包线或光纤，粘贴在试样上，当被粘贴的断裂线是漆包线，则漆包线通过导线分别与电源和测量并记录断裂线中电流的测量装置相连，该测量装置通过USB接口或串口与将漆包线断裂测量结果换算成疲劳裂纹扩展速率的计算机程序的计算机相连；当被粘贴的断裂线是光纤，则光纤分别与光源和光纤通断的测量装置连接，该测量装置通过USB接口或串口与将光纤通断测量结果换算成疲劳裂纹扩展速率的计算机程序的计算机相连。所述的漆包线由导体和绝缘层两部分组成，其材质、形状和尺寸由被测试样决定。所述测量并记录断裂线中电流或光通断的测量装置，由电路板、可编程芯片与计算机相连的串口或USB接口组成。所述的疲劳裂纹扩展速率自动测量装置的测量方法，包括如下步骤 步骤1、将断裂线粘贴在被测试样或结构中易产生疲劳裂纹的区域； 步骤2、将粘贴好的断裂线分别与电源或光源和测量装置连接；
步骤3、开始疲劳试验，对试样或结构施加交变载荷，随着裂纹的萌生和扩展，粘贴在试样或结构表面的断裂线随着其下方表面开裂而断裂；
步骤4、通过测量装置中的芯片测量并记录下每根断裂线断裂的时间； 步骤5、测量装置通过USB接口或串口将测量结果传送至安装了换算成疲劳裂纹扩展速率的计算机程序的计算机；
步骤6、通过计算机程序的计算机将断裂线断裂次序与时间的关系换算成裂纹长度与时间的关系；
步骤7、参照GB/T6398-2000《金属材料疲劳裂纹扩展速率试验方法》推荐的数据处理方法，在计算机程序中将裂纹长度与时间的关系转化为疲劳裂纹扩展速率。本发明的有益效果如下
1、实现了全程自动化测量并直接输出疲劳裂纹扩展速率结果，大大简化了疲劳裂纹扩展速率测量工作。2、本发明简单易行，所有组件价格相对较低、获取简单，装置成本低；断裂线的直径小且一致，而通过芯片测量的电流通断时间可以精确到毫秒，因此测量结果精度较高。3、在与被测材料断裂强度一致的断裂线的前提下，可以应用于各种材料(包括不导电的复合材料)，且不受介质和温度等外界因素和人为因素的影响。4、受空间的限制非常小，仅需要能够容纳断裂线的空间即可，可应用于受空间限制无法使用目测法或等效方法观测和布置引伸计的部位。


图1疲劳裂纹扩展速率自动测量装置的结构示意图，图1 (a)为采用漆包线作为断裂线的装置结构示意图，图1 (b)为采用光纤作为断裂线的装置结构示意图，其中，1为断裂线；2为导线；3为试样。图2为断裂线随疲劳裂纹扩展而断裂的示意图，其中，4为疲劳裂纹。
具体实施例方式
下面结合附图对本发明创造做进一步详细说明
本发明采用如图1所示的装置来实施疲劳裂纹扩展速率自动测量方法，当断裂线1采用漆包线时，该装置如图1 (a)所示，包括用于标示疲劳裂纹扩展的漆包线1、导线2、电源、 测量并记录断裂线中电流通断的测量装置以及将漆包线断裂测量结果换算成疲劳裂纹扩展速率的计算机程序的计算机。其中，漆包线1通过导线2与电源和测量装置相连，而测量装置通过USB接口或串口与安装了将漆包线断裂测量结果换算成疲劳裂纹扩展速率的计算机程序的计算机相连。断裂线1也可以选择光纤，此时如图1(b)，将电源改成光源，光源不再与测量装置相连，导线2换成光纤2，测量装置中增加光电感应装置即可。使用该装置进行疲劳裂纹扩展速率测量的步骤如下，以断裂线1为漆包线为例 步骤1、将一组断裂线1粘贴在被测试样或结构中易产生疲劳裂纹的区域，断裂线1数量由断裂线1的直径和需要测量的裂纹扩展长度决定，断裂线1的材质应选择与被测材料具有相近抗拉强度材料，断裂线1直径则由测量精度决定；
步骤2、将粘贴好的断裂线1分别与电源和测量装置连接，使得断裂线1中通过电流； 步骤3、开始疲劳试验，对试样3或结构施加交变载荷，如附图2所示，随着裂纹的萌生和扩展，粘贴在试样或结构表面的断裂线1随着其下方表面开裂而断裂； 步骤4、通过测量装置中的芯片测量并记录下每根断裂线断裂的时间； 步骤5、测量装置通过USB接口或串口将测量结果传送至安装了换算成疲劳裂纹扩展速率的计算机程序的计算机；
步骤6、通过计算机程序将断裂线断裂次序与时间的关系换算成裂纹长度与时间的关
系
步骤7、参照GB/T6398-2000《金属材料疲劳裂纹扩展速率试验方法》推荐的数据处理方法，在计算机程序中将裂纹长度与时间的关系转化为疲劳裂纹扩展速率。上述装置中，所述断裂线1可选择漆包线，其导体材料可以选择断裂韧性与被测材料相近的导体，优选铝、铜、合金；绝缘材料根据工作环境温度、湿度、是否具有腐蚀性等因素选取，优选聚酯及改性聚酯、聚酯亚胺/聚酰胺复合层、聚酯亚胺/聚酰胺酰亚胺复合层。断裂线1也可以选择光纤，此时，将电源改成光源，光源不用再与测量装置相连，导线2 换成光纤，测量装置中增加光电感应装置即可。如图2所示，断裂线1粘贴于试样3表面疲劳裂纹的危险区，随着疲劳裂纹的扩展，位于裂纹尖端的断裂线1随着试样表面开裂而被拉长并依次发生断裂，断裂线1中电流 /光的传输随即被中断，测量装置即可通过测量和记录各个断裂线1中电流/光通断的具体时间，经过计算机程序换算，从而获得疲劳裂纹扩展速率。本发明的疲劳裂纹扩展速率自动测量方法具有测量过程实现自动化、装置易于设计及制造、成本低、精度高、不易受外界因素和人为因素干扰、适用于不同材料制成的试样、 结构及零部件在各种环境中的测量等优点，适合实验室及工程现场中对各类试样、零部件及结构疲劳裂纹扩展速率的测量。
权利要求
1.一种疲劳裂纹扩展速率自动测量装置，其特征在于包括用于标示疲劳裂纹扩展的断裂线(1)、电源或光源、导线或光纤(2)、测量并记录断裂线中电流或光纤通断的测量装置和将断裂线断裂测量结果换算成疲劳裂纹扩展速率的计算机程序的计算机，其中，断裂线 (1)是漆包线或光纤，粘贴在试样(3)上，当被粘贴的断裂线(1)是漆包线，则漆包线(1)通过导线(2)分别与电源和测量并记录断裂线中电流的测量装置相连，该测量装置通过USB 接口或串口与将漆包线断裂测量结果换算成疲劳裂纹扩展速率的计算机程序的计算机相连；当被粘贴的断裂线(1)是光纤，则光纤分别与光源和光纤通断的测量装置连接，该测量装置通过USB接口或串口与将光纤通断测量结果换算成疲劳裂纹扩展速率的计算机程序的计算机相连。
2.根据权利要求1所述的疲劳裂纹扩展速率自动测量装置，其特征在于，所述的漆包线由导体和绝缘层两部分组成，其材质、形状和尺寸由被测试样决定。
3.根据权利要求1所述的疲劳裂纹扩展速率自动测量装置，其特征在于，所述测量并记录断裂线中电流或光通断的测量装置，由电路板、可编程芯片与计算机相连的串口或USB 接口组成。
4.一种应用权利要求1所述的疲劳裂纹扩展速率自动测量装置的测量方法，其特征在于，包括如下步骤步骤1、将断裂线(1)粘贴在被测试样(3)或结构中易产生疲劳裂纹的区域； 步骤2、将粘贴好的断裂线(1)分别与电源或光源和测量装置连接； 步骤3、开始疲劳试验，对试样(3)或结构施加交变载荷，随着裂纹的萌生和扩展，粘贴在试样(3)或结构表面的断裂线(1)随着其下方表面开裂而断裂；步骤4、通过测量装置中的芯片测量并记录下每根断裂线断裂的时间； 步骤5、测量装置通过USB接口或串口将测量结果传送至安装了换算成疲劳裂纹扩展速率的计算机程序的计算机；步骤6、通过计算机程序的计算机将断裂线断裂次序与时间的关系换算成裂纹长度与时间的关系；步骤7、参照GB/T6398-2000《金属材料疲劳裂纹扩展速率试验方法》推荐的数据处理方法，在计算机程序中将裂纹长度与时间的关系转化为疲劳裂纹扩展速率。
全文摘要
一种疲劳裂纹扩展速率自动测量装置及方法，属于材料疲劳性能检测技术领域。该测量装置包括用于标示疲劳裂纹扩展的断裂线(1)、电源或光源、导线或光纤(2)、测量并记录断裂线中电流或光纤的通断的测量装置以及将断裂线断裂测量结果换算成疲劳裂纹扩展速率的计算机程序的计算机。通过测量断裂线随着试样中疲劳裂纹扩展而依次断裂的情况，获得试样疲劳裂纹扩展参数，经过计算机处理，得出疲劳裂纹扩展速率。本装置精度较高、简单易行，适用于气体、液体等腐蚀介质中的疲劳裂纹扩展速率测量，也适用于金属、复合材料等多种材料制成的试样、大型复杂的试验件或结构的疲劳裂纹扩展速率测量。
文档编号G01N27/00GK102253087SQ20111016855
公开日2011年11月23日 申请日期2011年6月22日 优先权日2011年6月22日
发明者张俊苗, 林鸿志, 汤剑飞, 汪勇, 聂宏, 薛彩军 申请人:南京航空航天大学