CN101832970B - 交流电位法测算平板合金疲劳裂纹扩展速率的装置和方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供交流电位法测算平板合金疲劳裂纹扩展速率的装置和方法，涉及材料疲劳性能检测领域，本发明的方法为平板合金试样表面两对探针，拉拉疲劳测试过程中，试样通过其上的交流电位法传感器实时监测疲劳裂纹扩展时裂纹两侧电位的变化，经放大器送至双踪示波器，显示裂纹两头扩展的电位波形图，通过A/D转换器，输入计算机中，经配套软件分析处理，得出疲劳裂纹扩展速率等疲劳扩展数据。本发明的装置主要包括疲劳试验机和试样夹具、交流电位法传感器、电位测量探针、导线、信号放大器、双踪示波器、A/D转换器、CCD图像采集系统和计算机。本发明适用于合金疲劳裂纹扩展行为的研究。
Description
技术领域
本发明涉及材料疲劳性能检测领域，特指一种交流电位法测算平板合金疲劳裂纹扩展速率的方法和装置，主要适用于合金疲劳裂纹扩展行为的研究。
背景技术
材料的抗疲劳裂纹扩展性能在现实构件的设计中成为重要参数，为保证构件安全使用的要求，需研究材料的疲劳和裂纹扩展行为。采用电位法可以推导出疲劳裂纹扩展时电位差与裂纹长度之间的函数公式，因此可将电位差作为表征裂纹位置与尺寸参数的函数，用于计算疲劳裂纹的扩展速率。电位监测法分为直流电位法(DCPD)和交流电位法(ACPD)，交流电位法主要是用来监测导体表面裂纹产生和扩展情况。
交流电位法监测疲劳裂纹扩展时，外加交流电通过一对电流供给探针给构件提供持续的交流电，一对电位测量探针监测两点间疲劳裂纹扩展时的电位差变化，电压表显示相应电位值。通过监测和分析电位差信号，可得出构件表面疲劳裂纹产生和扩展情况，最后得到疲劳裂纹扩展速率等裂纹扩展数据。
裂纹快速扩展尤其在高速率区，小裂纹疲劳扩展，及扩展中各种噪声干扰，加之外在环境的恶劣，给实时监测表面疲劳裂纹扩展带来不少麻烦。而交流电位法能长时间自动实时监测疲劳裂纹扩展，操作方便、简易，适合作为研究材料裂纹扩展行为的方法。
国内外涉及交流电位法的专利很少，申请号为03128293.8的中国专利“检测地下金属管道腐蚀状况的地面电测量方法”，利用交流电位法原理检测地下金属管道腐蚀状况，其特征在于以交流电位法监测原理为基础，沿垂直于管道走向的测线布置接地供电电极和测量电极，测量电极与广谱电测仪连接取代与原理中的电压表连接，用广谱电测仪不断改变频率进行电位差振幅和相位测量，再根据相位频率谱曲线上管道异常幅值的大小确定管道是否已被腐蚀及被腐蚀程度。该方法在检测中需不断改变广谱电测仪频率，自动性和盲目性较大；以交变电场的振幅和相位的理论公式为基础的公式较繁琐，计算量大；并且以交流电位法检测腐蚀程度，对其它疲劳扩展没有涉及，应用面狭窄，不能自动得出腐蚀疲劳扩展的全过程。
王亮[1]等人曾探讨了高温下直流电位法测量疲劳裂纹扩展的方法及使用中出现问题的解决方法([1]王亮，丁传富.高温下直流电位法测量裂纹长度的应用[J].理化检验-物理分册，2006，42(9)：454-456)。该方法与交流电位法测量原理类似，不同的是外加电流为直流电，该方法可测得疲劳裂纹长度，提高的自动化程度，不足之处在于该方法采用在试样打孔嵌入电位测量探针，破坏了试样的完整性，难以实现无损检测。
发明内容
本发明的目的是为克服电位测量探针嵌入试样有损试样完整性、数据完整记录的局限性、监测各种合金试样疲劳裂纹扩展环境因素的制约及系统装置精度提高等不足，设计出改进的交流电位法传感器，通过改良电位测量探针监测裂纹两头扩展时的电位变化，加上CCD在线拍摄试样表面裂纹扩展的直观图像，从而提出一种交流电位法测算平板合金疲劳裂纹扩展速率的方法和装置。
本发明采用的方法为：带有预制裂纹的平板合金试样进行拉拉疲劳测试整个过程中，安装在表面裂纹处的交流电位法传感器通过电位测量探针在线实时监测裂纹两头扩展时的电位信号，经放大器放大后，在双踪示波器中显示出两个电位波形图，监测到的电位信号最后存储于计算机中，通过配套集成软件，从计算机中得出试样疲劳裂纹扩展数据如疲劳裂纹扩展速率等，为具体表述疲劳裂纹扩展整个过程，本发明中采用CCD图像采集系统，记录裂纹扩展过程也存入计算机，从另一角度全面拍摄疲劳裂纹扩展的直观情形，避免疲劳裂纹扩展重要研究细节的疏漏。
实施该方法的装置包括疲劳试验机和试样夹具、预制裂纹平板合金试样、交流电位法传感器、电位测量探针、引线、信号放大器、双踪示波器、A/D转换器、CCD图像采集系统和带有配套集成软件的计算机。将交流电位法传感器的一对矩形诱导线圈连同两对电位测量探针安装在带有预制裂纹的平板合金试样的表面，两对电位测量探针位于预制裂纹的两头并将该裂纹包含于中间位置，交流电位法传感器的两个诱导线圈分别位于被测合金试样表面预制裂纹两头并将两对电位测量探针包含其中，整体置于疲劳试验机上，用夹具将合金试样两端固定；每对电位测量探针的其中一个探针的平顶盖子上的导线与一个信号放大器的输入端相连，而另一个平顶盖子上的导线则与双踪示波器的输出端相连；再用导线将两个信号放大器的输出端与双踪示波器的两个输入端连接，双踪示波器的输出端则与A/D转换器的输入端相连，最后将A/D转换器的输出端与带有配套集成软件的计算机。CCD图像采集系统以及疲劳试验机也是与该计算机相连的。
电位测量探针由两部分构成，即圆柱形外壳和嵌有导线的平顶盖子。圆柱形外壳通过中间的弹簧搭扣连接，在平板合金试样上预制裂纹两头区域中塑造的两对圆柱体形状的导电胶，用圆柱形外壳将两对圆柱体形状的导电胶套住，再继续向这两对圆柱形外壳内注入导电胶，让圆柱体形状的导电胶和外壳紧密结合，使得电位测量探针能固定在测量区内，最后盖上嵌有导线的平顶盖子。
圆柱形外壳拆卸方便、自由，无需破环试样的完整性，可重复使用。平顶盖子设计成平顶状，可以确保导电胶将外壳注满，同时导线内的金属丝贯穿在外壳中，确保最佳的导电效果。圆柱形外壳和平顶盖子是由两种材料复合而成，外层均采用绝缘材料如绝缘橡胶制成，能屏蔽外界大电阻等的干扰，内层均采用导电材料，如铜制成，保证导电性好。这样设计的电位测量探针既能固定在疲劳裂纹扩展测量区监测电位变化，也不需要破坏试样，如给试样打孔嵌入探针等，而且绝缘的设计可以避免外界高电阻物体对疲劳裂纹监测时的干扰。
交流电位法传感器的两个诱导线圈分别位于被测合金试样表面预制裂纹两头并将两对电位测量探针包含其中，用诱导线圈按矩形绕至22mm-25mm高度，该矩形长55mm-59mm、宽25mm-29mm，Δ＝35-39mm。外加激励电流流于该对诱导线圈，变化的电场产生诱导磁场，在两对电位测量探针之间诱导产生诱导电流，给该传感器提供外加电流。此改进的交流电位法中的诱导线圈将诱导电流聚集到局部测试范围，电流扩散变小，监测到电位值就相对清晰，精度提升。
交流电位法测算平板合金疲劳裂纹扩展速率的方法具体步骤如下：
(6)在平板合金试样上的预制裂纹两头区域安装两对电位测量探针，将预制裂纹包含于中间位置，再在裂纹两头绕上诱导线圈形成交流电位法传感器，整体置于疲劳试验机上，外加激励电流流于诱导线圈，将每对电位测量探针的其中一个平顶盖子上的导线与一个信号放大器相连，而另一个平顶盖子上的导线则与双踪示波器的输出端连接，再开启系统中用导线连接在一起的信号放大器、双踪示波器、A/D转换器、CCD图像采集系统和带有配套集成软件的计算机等装置，并让疲劳试验机处于工作状态。
(7)交流电位法传感器通过两对电位测量探针在线实时监测疲劳裂纹扩展导致的裂纹两头电位变化的信号。
(8)两个信号放大器将两对电位测量探针监测到的裂纹两头电位变化信号放大，传送至双踪示波器中，通过双踪示波器同时显示裂纹两头扩展时的电位数据和可测波形图。
(9)上述双踪示波器收集到的电信号经两个A/D转换器输入计算机中，电位数据经计算机处理得出疲劳裂纹扩展速率等裂纹扩展数据。计算机软件以Johnson推导的电位变化与疲劳裂纹扩展参数之间的函数关系式为基础。
(10)CCD用来拍摄整个疲劳裂纹扩展过程的图像，记录信息并储存在含有配套软件的计算机中，避免疲劳裂纹扩展重要研究细节的疏漏，对疲劳裂纹扩展的后续处理做好备用。
本发明与现有的电位法监测疲劳裂纹扩展相比，具有以下优势：
(1)本发明中设计的电位测量探针，即具备传递交流电流的作用，又能隔绝外界可能的高电阻干扰。该探针由两部分构成，即圆柱形外壳和平顶盖子，圆柱形外壳由两种材料整合而成，内层材料具有较高的导电能力，而外层具有屏蔽作用，能够自由打开，便于多次使用；平顶盖子设计，目的是使向内注入的导电胶塑造的圆柱形与此外壳完全符合，提高导电效率。
(2)本发明中对一般交流电位法进行改进，采用“磁电相生”的电磁场理论，用激励电流激发磁场，在局部监测区域产生诱导电流，与一般交流电位法相比，该诱导电流发散少，能聚集在监测区域，提高了监测电位信号的精度。
(3)在裂纹两头设置两对电位测量探针，并将监测到的试样两头疲劳裂纹扩展时电位信号，经放大器放大后，送至双踪示波器，这样不仅可以同时读出电位信号的大小，更能直观显示出该两对电位测量探针监测到的电位信号的波形图。
(4)对合金试样表面处疲劳裂纹扩展采用CCD图像采集系统，可以实时拍摄合金试样表面疲劳裂纹的扩展情况，通过该系统中配套设计的软件，可以对表面疲劳裂纹扩展进行后续研究处理，从多方面、多角度了解疲劳裂纹扩展，不易疏忽重要的疲劳裂纹扩展的细节。
(5)计算机内装有疲劳试验机控制软件、疲劳裂纹扩展分析软件和CCD图像采集系统软件集成系统。疲劳裂纹扩展分析软件以Johnson电位与疲劳裂纹扩展参数之间的函数关系为基础，可以在线得出疲劳裂纹扩展速率等疲劳扩展数据包括数值和图示。
附图说明
图1为交流电位法测算平板合金疲劳裂纹扩展速率的闭合控制系统示意图。
图2为装置在合金试样表面裂纹处的交流电位法传感器(4)的示意图。
图3为置于合金试样表面裂纹处的交流电位法传感器(4)系统装置三视图。
图4为电位测量探针(6)结构设计图。
图5为电位测量探针(6)嵌有引线(7)的平顶盖子(17)
图6为监测电位信号的探针(6)圆柱形外壳(18)结构图。
图7为对试样表面处疲劳裂纹扩展进行实时拍摄的CCD图像采集系统(12)图示
图8为安装有疲劳试验机控制软件、疲劳裂纹扩展分析软件和CCD图像采集系统软件的计算机(11)示意图。
图中，1.疲劳试验机 2.试样夹具 3.平板合金试样 4.交流电位法传感器 5.预制表面裂纹 6.电位测量探针 7.导线 8.信号放大器 9.双踪示波器 10.A/D转换器 11.计算机 12.CCD图像采集系统 13.诱导线圈 14.激励电流 15.诱导电流 16.诱导磁场 17.平顶盖子 18.圆柱形外壳 19.金属丝 20.弹簧搭扣。
具体实施方式
下面结合附图详细说明本发明提出的具体装置的细节和工作情况。
用本发明进行交流电位法测算平板合金疲劳裂纹扩展速率的装置包括疲劳试验机(1)、试样夹具(2)和之间的平板试样(3)、试样上装置的交流电位法传感器(4)、预制表面裂纹(5)、电位测量探针(6)、引线(7)、信号放大器(8)、双踪示波器(9)、A/D转换器(10)、CCD图像采集系统(12)和安装配套软件控制程序的计算机(11)。
图1为交流电位法测算平板合金疲劳裂纹扩展速率的闭合控制系统示意图。首先把以交流电位法原理为基础的传感器(4)安装在该试样(3)上，之后整体置于疲劳试验机(1)上，整个监测过程中试样都处于拉拉疲劳测试状态。交流电位法传感器(4)一方面给试样提供聚集能力较高的外加交流电(15)，另一方面配合表面裂纹(5)两头安置的两对电位测量探针(6)，每对电位测量探针(6)都将裂纹(5)包含于中间位置，实时监测疲劳裂纹扩展导致的裂纹两侧电位的变化，这两对电极探针监测(6)到的电位分别通过两个放大器(8)进行放大，再传送至双踪示波器(9)中，通过该示波器(9)可以同时显示裂纹两头扩展的电位波形图，经A/D转换器(10)，输入计算机(11)中，进行疲劳裂纹扩展方面数据的处理，可以得出疲劳裂纹扩展速率等裂纹扩展数据。CCD(12)用来拍摄整个疲劳裂纹扩展过程的图像，其图像记录和疲劳试验机(1)载荷加载也是通过该计算机(11)进行控制和储存的，对疲劳裂纹扩展的后续处理做好铺垫，从而形成一个实时监测疲劳裂纹扩展的闭合控制系统。
图2为装置在合金试样表面裂纹处的交流电位法传感器(4)的示意图。在被测合金试样表面搭建一对矩形诱导线圈(13)，诱导线圈按矩形绕至22mm-25mm高度，该矩形长55mm-59mm、宽25mm-29mm，两个矩形的中心线间距Δ＝35-39mm。外加激励电流(14)流于该对诱导线圈，变化的电场产生诱导磁场(16)，根据右手定则和诱导线圈电流环路的方向可以判定该诱导磁场的方向，如图2，诱导磁场方向是垂直于试样表面的。变化的磁场产生电场，由此在该对诱导线圈中间产生聚集性强的诱导电流(15)。
图3为装置在合金试样表面裂纹处的交流电位法传感器(4)系统装置三视图。左上图为改进的交流电位法技术的俯视图，左下图和右图为侧视图。对一般交流电位法进行改进，在被测试样上搭建一对矩形诱导线圈(13)，a＝25mm-29mm、b＝55mm-59mm、c＝22mm-25mm、h＝5～12mm、H＝0mm，给此对诱导线圈通入激励电流(14)，使在两线圈中间诱导产生诱导电流(15)，而此诱导电流流过裂纹相当于上述示意图2中直接用导线引入的外加交流电流，此改进的交流电位法中的诱导电流不是用导线直接引入，而是诱导产生的。此改进的交流电位法技术比一般的电位法技术监测到的电位值要大很多，尤其是对应力腐蚀裂纹扩展的监测，其监测到的电位值比一般电位法要大几十倍，其精度也比一般电位法技术更高。改进的交流电位法与一般电位法中使用的电流相比，因为诱导线圈将诱导电流聚集到局部测试范围，电流扩散变小，监测到电位值就相对清晰，精度提升。可见本发明中的交流电位法还可以用来监测表面疲劳裂纹深度方向扩展情况。
图4为电位测量探针(6)结构设计图。该探针由两部分构成，即圆柱形外壳(18)和嵌有导线的平顶盖子(17)。在平板合金试样(3)上预制裂纹(5)两头区域中塑造的两对圆柱体形状的导电胶，用圆柱形外壳(18)将两对圆柱体形状的导电胶套住，再继续向这两对圆柱形外壳(18)内注入导电胶，让圆柱体形状的导电胶和外壳(18)紧密结合，使得电位测量探针(6)能固定在测量区内，最后盖上嵌有导线的平顶盖子(17)；一对电位测量探针(6)之间的距离为5mm～12mm。导电胶可选用铜镀银导电橡胶等。这样设计的电位测量探针(6)既能固定在疲劳裂纹扩展测量区监测电位变化，也不需要破坏试样(3)，如给试样打孔嵌入探针等，而且绝缘的设计可以避免外界高电阻物体对疲劳裂纹监测时的干扰。
图5为电位测量探针(6)嵌有引线(7)的平顶盖子(17)。平顶盖子(17)由两种材料复合而成，外层采用绝缘材料，如绝缘橡胶制作，内层采用导电材料，如铜制作，之所以这样设计，因为可以确保导电胶将该电位测量探针外壳(18)注满，同时引线(7)内的金属丝(19)贯穿在电位测量探针外壳(18)中，确保最佳的导电效果。
图6为监测电位信号的探针(6)圆柱形外壳(18)结构图。圆柱形外壳(18)通过中间的弹簧搭扣(20)连接，把在平板合金试样(3)上预制裂纹(5)两头区域中塑造的两对圆柱体形状的导电胶套住。外壳(18)拆卸方便、自由，无需破环试样的完整性，可重复使用，由两种材料复合而成，外层采用绝缘材料如绝缘橡胶制成，能屏蔽外界大电阻等的干扰，内层采用导电材料，如铜制成，保证导电性好。
图7为对试样表面处疲劳裂纹扩展进行实时拍摄的CCD图像采集系统(12)图示。该系统包括拍摄系统和存储系统，拍摄系统又有两部分组成，即光学显微镜、CCD摄像头和视频采集卡组成的图像输入部分，还有高分辨率显示器这个图像输出部分，图1中的计算机(11)可作为图像存储、处理和分析设备。其中CCD摄像头需用脉冲激光器脉冲作用下驱动，形成视频信号。视频采集卡则将摄像头采集的视频信号输入计算机中，此卡装有A/D转换器和图像显示电路，能迅速输入动态图像和实物。高分辨率显示器输出设备能将处理整个流程的图像快速显示出来，与输入设备相连。
图8为安装有疲劳试验机控制软件、疲劳裂纹扩展分析软件和CCD图像采集系统软件的计算机(11)示意图。疲劳裂纹扩展分析软件以Johnson推导的电位与疲劳裂纹扩展参数之间的函数关系式为基础，可以在线得出疲劳裂纹扩展速率数据包括数值和图示，还存有各种国家标准试样疲劳试验的数据，可以视为参照对比对象，使得该发明具有目的性和可比性。
交流电位法传感器实时监测疲劳裂纹扩展电位信号，经计算机软件处理得出疲劳裂纹扩展速率等参数，CCD图像采集系统在线拍摄疲劳裂纹扩展动态图像，多角度全面了解疲劳裂纹扩展情况。
Claims (4)
1.交流电位法测算平板合金疲劳裂纹扩展速率的装置，其特征在于，包括疲劳试验机(1)和试样夹具(2)、交流电位法传感器(4)、电位测量探针(6)、导线(7)、信号放大器(8)、双踪示波器(9)、A/D转换器(10)、CCD图像采集系统(12)和计算机(11)；所述交流电位法传感器(4)的一对矩形诱导线圈(13)与两对所述的电位测量探针(6)安装在带有预制裂纹的平板合金试样(3)的表面，所述两对电位测量探针(6)位于合金试样(3)的预制裂纹的两个顶端将该裂纹包含于中间位置，所述两个诱导线圈(13)分别位于被测合金试样(3)表面预制裂纹两个顶端并将两对电位测量探针(6)包含其中，合金试样(3)置于疲劳试验机(1)上；每对电位测量探针(6)的其中一个探针的导线(7)与一个信号放大器(8)的输入端相连，而另一个探针的导线(7)则与双踪示波器(9)的输出端相连；两个所述信号放大器(8)的输出端通过导线(7)与双踪示波器(9)的两个输入端连接，双踪示波器(9)的输出端通过导线(7)与A/D转换器(10)的输入端相连，A/D转换器(10)的输出端通过导线(7)与计算机(11)相连；所述CCD图像采集系统(12)和疲劳试验机(1)通过导线(7)与该计算机(11)相连；所述计算机(11)安装的疲劳裂纹扩展分析软件以Johnson推导的电位变化与疲劳裂纹扩展参数之间的函数关系式为基础。
2.根据权利要求1所述的交流电位法测算平板合金疲劳裂纹扩展速率的装置，其特征在于，所述电位测量探针(6)由圆柱形外壳(18)和平顶盖子(17)组成，所述平顶盖子(17)为平顶状，嵌有导线，所述导线内的金属丝(19)贯穿在圆柱形外壳(18)中；所述圆柱形外壳(18)能够自由打开，通过中间的弹簧搭扣(20)连接；所述圆柱形外壳(18)和平顶盖子(17)是由两种材料复合而成，外层均采用绝缘材料，内层均采用导电材料制成。
3.根据权利要求1或2所述的交流电位法测算平板合金疲劳裂纹扩展速率的装置，其特征在于，所述交流电位法传感器(4)的两个诱导线圈(13)按矩形绕至22mm-25mm高度，所述矩形长55mm-59mm、宽25mm-29mm，两个所述矩形的中心线间距Δ＝35-39mm；对所述诱导线圈(13)外加激励电流(14)，变化的电场产生诱导磁场(16)，在两对电位测量探针(6)之间诱导产生诱导电流(15)，给该传感器提供外加电流。
4.实施根据权利要求2所述的交流电位法测算平板合金疲劳裂纹扩展速率的装置的方法，其特征在于，具体步骤如下：
(1)在平板合金试样(3)上的预制裂纹两头区域安装两对电位测量探针(6)，将预制裂纹包含于中间位置，再在裂纹两头绕上诱导线圈(13)形成交流电位法传感器(4)；在平板合金试样(3)上预制裂纹(5)两头区域中塑造的两对圆柱体形状的导电胶，用圆柱形外壳(18)将两对圆柱体形状的导电胶套住，再继续向这两对圆柱形外壳(18)内注入导电胶，让圆柱体形状的导电胶和外壳(18)紧密结合，使得电位测量探针(6)能固定在测量区内，最后盖上嵌有导线的平顶盖子(17)；整体置于疲劳试验机(1)上，外加激励电流(14)流于诱导线圈(13)，将每对电位测量探针(6)的其中一个平顶盖子(17)上的导线与一个信号放大器(8)相连，而另一个平顶盖子(17)上的导线则与双踪示波器(9)的输出端连接，开启所述的交流电位法测算平板合金疲劳裂纹扩展速率的装置；
(2)通过所述交流电位法传感器(4)的两对电位测量探针(6)在线实时监测疲劳裂纹扩展导致的裂纹两头电位变化的信号；
(3)所述两个信号放大器(8)将两对电位测量探针(6)监测到的裂纹两头电位变化信号放大，传送至双踪示波器(9)中，通过双踪示波器(9)同时显示裂纹两头扩展时的电位数据和可测波形图；
(4)所述双踪示波器(9)收集到的电信号经两个A/D转换器(10)输入计算机(11)中，电位数据经计算机(11)处理得出疲劳裂纹扩展速率；
(5)所述CCD图像采集系统(12)用来拍摄整个疲劳裂纹扩展过程的图像，记录信息并储存在含有配套软件的计算机(11)中，避免疲劳裂纹扩展重要研究细节的疏漏，对疲劳裂纹扩展的后续处理做好备用。
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