专利名称：激光冲击加载材料动态断裂特性测量方法和装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种应力波作用下材料力学特性的试验方法，尤其涉及激光冲击加载 材料动态断裂特性测量方法和装置。
背景技术：
材料的动态断裂韧度(动态起裂韧度)是材料动态特性的重要参数，为裂纹体在 动载作用下，动态应力强度因子的极限值，是材料的韧性参数。它作为现代损伤容限设计中 的材料参数，可以弥补设计中的材料基本参数(KK，jre)没有考虑惯性效应及加载速率的影 响，不能预测动载作用下材料及结构的安全性等不足。动态断裂特性测量试验最重要的两个方面是加载和测试技术。目前，动态断裂研 究中的试验设备基本上是摆锤和落重式试验机，应用最广泛的测试方法是Charpy冲击试 验，美国的材料与试验学会(ASTM)和欧洲的结构完整性协会(ESIS)都提出了推荐标准。这 种方法的优点是简单易行、费用少，尤其适合于工程应用。但它对试样、支座和摆锤结构等 都提出了严格的要求，试验机必须有足够的能量使试样完全断裂，断裂能量不能超过总势 能的80%，机器必须牢固固定在地面上，并保持其水平等等。关于材料的动态性能测试方法有Hopkinson杆、分段式Hopkinson杆等(1. Ouk Sub Lee, GuanHee Kim, Myun Soo Kim et al. Dynamic deformation behavior of aluminum alloys under highstrain rate compressive/tensile loading[J]. Journal of Mechanical Science and Technology,2003, Volume 17, Number 6, Pages 787-795), (H. Huh, W. J. Kang and S. S. Han. A Tension SplitHopkinson Bar for Investigating the Dynamic Behavior of Sheet Metals[J]. ExperimentalMechanics,2002, Volume 42, Number 1, Pages 8_17.)。这些方法都是应用扁平或方形截面的杆件测量和加载速率较低 的冲击载荷(如子弹、落锤、摆锤)作用下材料的动态参数。在以上加载方法中，杆件加载 的载荷持续作用时间较长，一般大于或等于10_4秒。因此可以忽略杆中质点横向运动的惯 性作用，把杆中的应力波作为一维平面波处理。然而，当加载的作用时间缩短时，以上方法 就不能胜任在短时应力波加载条件下对材料动态性能的研究。如当用炸药作载荷源时，一 般药量仅数十毫克，产生的爆炸载荷对试件的有效加载时间仅有十几微秒，例如重为IOOmg 的DDNP炸药爆炸脉冲的先驱压缩相持续时间大约为15微秒。这在波速小于2000m/s的光 弹性材料中产生的脉冲波长大约为30mm。在此条件下，要满足试件横向尺寸远小于加载波 波长这个一维问题的基本假说，就会使得试件的横向尺寸仅为3mm左右。在这样窄的试件 上采用光弹性和应变片测量爆炸作用下材料的动态参数无疑是十分困难的。由此可见，杆 件加载的Hopkinson杆、分段式Hopkinson杆等方法仅适用研究在持续时间较长的载荷作 用下应力波与材料作用的特性。此外，传统的用物块撞击或炸药爆炸产生冲击波加载的方法加载率相对较低。动 态断裂中加载率是衡量施加载荷的速率，在线弹性力学中，加载率参数&，即裂纹尖端区的 加载速率，可按下式定义
K1=KicItf式中Kre为材料的断裂韧性，tf为加载开始至裂纹开始扩展的时间间隔。在杆件加载技术中，杆件加载的加载率(不够高，大概在IO5 IO6MPa m"2/S而炸
药加载的加载率<虽然能达到IO8量级，但是试验中要求试样的尺寸较大，材料浪费较多。出于以上考虑，为进一步有效测定材料动态断裂特性，以二维模型为基础，针对光 弹性材料，提出以下发明。

发明内容
本发明所要解决的技术问题是，提高动态断裂的加载率。提供一种激光冲击加载 材料动态断裂特性测量方法和装置。本发明所采取的技术方案是，将激光诱导的等离子体爆炸产生的冲击波作为加载 载荷，取代了传统的用物块撞击或炸药爆炸产生冲击波的方法，从而大大提高了动态断裂 的加载率。激光冲击加载的冲击波持续时间为纳秒级，根据加载率的公式计算，其加载率可 达到IO9量级。属于高速加载，是研究在极端条件下，材料和应力波作用的有效加载方法。本发明方法的特征在于利用强激光脉冲诱导的等离子体爆炸产生比传统杆件加 载和炸药加载所产生的历时更短，加载率更高的冲击波对特制的预制裂纹三点弯曲试样进 行加载，并采用光弹和云纹相结合的方法，检测高加载率、超短脉冲应力波在试样中的传播 特性及材料裂纹在应力波作用下的扩展特性。具体步骤为(1)制作带有预制裂纹的三点弯曲试样，在试样预制裂纹面的对面依次贴上吸收 层、约束层，吸收层为黑漆或铝箔，约束层为K9玻璃；在沿应力波传播路径上的裂纹前端无 裂纹处制作上试件栅和基准栅，所述试件栅和基准栅采用照相拷贝方法翻印在感光胶片或 感光玻璃板上制作，栅频为50 100线/毫米，所述试件栅粘贴在三点弯曲试样上，基准栅 与试件栅紧密接触；将三点弯曲试样放置在顶杆I、顶杆II 一端，顶杆I和顶杆II与三点 弯曲试样的接触点为三点弯曲试样的受力点；(2)选择激光参数对特制的预制裂纹的三点弯曲试样进行加载；激光脉冲被吸收 层吸收产生等离子体，等离子体在约束层约束下爆炸产生纳秒级的应力波向三点弯曲试样 内部传播；同时，多火花照相机光学系统和示波器由计算机控制，分别记录图像和图像所对 应的时刻；挡光板I和挡光板II放置在三点弯曲试样两侧，与约束层平齐，将激光脉冲和等 离子体爆炸产生的光线挡住，以防止其干扰多火花照相机光学系统获取云纹和光弹图像；(3)多火花照相机光学系统获取三点弯曲试样在应力波作用下的图像，每幅图的 栅板部分为云纹图，其余部分为光弹图；通过云纹图像获得材料在应力波作用下的应变信 息，从而计算得到动态材料条纹值f。d ；裂纹的传播速度根据所拍摄的动态光弹性照片，测 出裂纹扩展的长度，每幅光弹照片所对应的时刻用示波器记录下来；绘制裂纹长度随时间 变化的曲线，该曲线对时间的导数为裂纹传播速度。(4)多火花照相机光学系统获取三点弯曲试样在应力波作用下的光弹图像；分析 对光弹图像得出裂纹尖端的应力强度因子，从光弹图像判断裂纹扩展的临界应力强度因子 为材料的断裂韧度；并且通过结合步骤(3)获得的裂纹传播速度得到动态应力强度因子随 裂纹扩展速度变化的曲线。
4
动态应力强度因子随裂纹扩展速度变化的曲线即可表征材料动态断裂特性。本发明的装置包括激光器、约束层、吸收层、试样栅、基准栅、三点弯曲试样、多火 花照相机光学系统、示波器、计算机、顶杆I、顶杆II、挡光板I、挡光板II ；所述多火花照相 机光学系统包括电火花光源、透镜、检偏镜、起偏镜、四分之一波片、照相底片；所述顶杆I 和顶杆II 一端固定，另一端放置将三点弯曲试样，三点弯曲试样(4)的预制裂纹面正对两 顶杆；所述三点弯曲试样⑷的预制裂纹面的对面依次贴上吸收层、约束层，在三点弯曲试 样侧面沿应力波传播路径上的预制裂纹前端无裂纹处依次制作试件栅和基准栅，所述基准 栅与试件栅紧密接触；所述挡光板I和挡光板II放置在三点弯曲试样(4)两侧，与约束层 平齐；所述计算机与多火花照相机光学系统、示波器、激光器相连，所述多火花照相机光学 系统与示波器相连。本发明可以通过调节激光参数，如激光脉冲能量、脉冲宽度等来调节输入的应力 波。实施本发明方法的装置包括激光器、约束层、吸收层、试件栅、基准栅、三点弯曲试样、多 火花照相机光学系统、示波器、计算机、顶杆、挡光板组成。多火花照相机光学系统包括电火 花光源、透镜、检偏镜、起偏镜、四分之一波片、照相底片。在三点弯曲试样上，吸收层和约 束层贴于预制裂纹面的对面，试件栅和基准栅贴于沿应力波传播路径上的裂纹前端无裂纹 处。本发明的优点是
权利要求
激光冲击加载的材料动态断裂特性测量方法，其特征在于，具体步骤为A)制作带有预制裂纹(1)的三点弯曲试样(4)，在三点弯曲试样(4)预制裂纹(1)面的对面依次贴上吸收层(2)、约束层(3)，吸收层(2)为黑漆或铝箔，约束层(3)为K9玻璃；在沿应力波(17)传播路径上的预制裂纹(1)前端无裂纹处制作试件栅(5)和基准栅(6)，所述试件栅(5)和基准栅(6)采用照相拷贝方法翻印在感光胶片或感光玻璃板上制作，栅频为50～100线/毫米，所述试件栅(5)粘贴在三点弯曲试样(4)上，基准栅(6)与试件栅(5)紧密接触；将三点弯曲试样(4)放置在顶杆I(9)、顶杆II(10)一端，顶杆I(9)和顶杆II(10)与三点弯曲试样(4)的接触点为三点弯曲试样(4)的受力点；B)选择激光参数对特制的预制裂纹(1)三点弯曲试样(4)进行加载；激光脉冲(8)被吸收层(2)吸收产生等离子体(16)，等离子体(16)在约束层(3)约束下爆炸产生纳秒级的应力波(17)向三点弯曲试样(4)内部传播；同时，多火花照相机光学系统(13)和示波器(14)在计算机(15)控制下开始工作，分别记录图像和图像所对应的时刻；挡光板I(11)和挡光板II(12)放置在三点弯曲试样(4)两侧，与约束层(3)平齐，将激光脉冲(8)和等离子体(16)爆炸产生的光线挡住，以防止其干扰多火花照相机光学系统(13)获取云纹和光弹图像；C)多火花照相机光学系统(13)获取三点弯曲试样(4)在应力波(17)作用下的图像，每幅图的栅板部分为云纹图，其余部分为光弹图；通过云纹图像获得材料在应力波(17)作用下的应变信息，计算得到动态材料条纹值fσd；裂纹的传播速度根据所拍摄的动态光弹性照片，测出裂纹扩展的长度，每幅光弹照片所对应的时刻用示波器(14)记录下来；绘制裂纹长度随时间变化的曲线，该曲线对时间的导数为裂纹传播速度。D)多火花照相机光学系统(13)获取三点弯曲试样(4)在应力波(17)作用下的光弹图像；分析光弹图像得到裂纹尖端的应力强度因子，从光弹图像判断裂纹扩展的临界应力强度因子为材料的断裂韧度；并且通过结合步骤(C)获得的裂纹传播速度得到动态应力强度因子随裂纹扩展速度变化的曲线。
2.根据权利要求1所述的激光冲击加载的材料动态断裂特性测量方法，其特征在于， 采用强激光短脉冲，脉宽为10 100纳秒，波长1064/532纳米，能量在10 100J。
3.实施权利要求1所述的激光冲击加载的材料动态断裂特性测量方法的装置，其特征 在于，包括激光器(7)、约束层(3)、吸收层(2)、试样栅(5)、基准栅(6)、三点弯曲试样(4)、 多火花照相机光学系统(13)、示波器(14)、计算机(15)、顶杆I (9)、顶杆II (10)、挡光板 I (11)、挡光板II (12)；所述多火花照相机光学系统(13)包括电火花光源、透镜、检偏镜、起 偏镜、四分之一波片、照相底片；所述顶杆I (9)和顶杆II (10) —端固定，另一端放置三点弯 曲试样(4)，所述三点弯曲试样(4)的预制裂纹(1)面正对两顶杆；所述三点弯曲试样(4) 的预制裂纹(1)面的对面依次贴上吸收层(2)、约束层(3)，在三点弯曲试样(4)侧面沿应 力波(17)传播路径上的预制裂纹(1)前端无裂纹处依次制作试件栅(5)和基准栅(6)，所 述基准栅(6)与试件栅(5)紧密接触；所述挡光板I (11)和挡光板II (12)放置在三点弯曲 试样(4)两侧，与约束层(3)平齐；所述计算机(15)分别与多火花照相机光学系统(13)、 示波器(14)、激光器(7)相连，所述多火花照相机光学系统(13)与示波器(14)相连。
全文摘要
本发明涉及一种应力波作用下材料力学特性的试验方法，尤其涉及激光冲击加载材料动态断裂特性测量方法和装置。其特征在于利用纳秒级的激光脉冲(8)诱导的冲击波对具有预制裂纹(1)的三点弯曲试样(4)进行加载，采用光弹和云纹相结合的方法，检测应力波(17)在三点弯曲试样(4)中的传播特性及裂纹的扩展特性。本装置利用多火花照相机光学系统(13)获得高加载率条件下材料与应力波相互作用的高速瞬态光弹图像，可清晰的观察到激光诱导的短脉冲应力波(17)的传播，通过处理可以准确、可靠的获得材料的断裂特性。
文档编号G01N3/02GK101975703SQ201010505848
公开日2011年2月16日 申请日期2010年10月12日 优先权日2010年10月12日
发明者吴忠, 姜银方, 张永康, 张磊, 管海兵, 钱晓明, 鲁金忠 申请人:江苏大学