断裂测试系列讲座 第二讲 云纹法及其在断裂力学中的应用

1.云纹法(Moire Method) 由粘牢于试件(模型或构件)表面并可随其一起变形的栅片和栅板重迭(图1),栅线间因几何干涉而产生条纹(图2),这种干涉条纹称为云纹。云纹法就是根据这类云纹测定和分析试件的位移场或应变场的实验应力分析方法。     

干涉云纹光学倍增方法研究

本文提出一种干涉云纹的光学倍增方法。通过给由试件变形引起的云纹图施加一定频率的载波条纹，用具有高分辨率的记录介质记录这一附加有载波的云纹图，经处理后，记录介质相当于一个频率较低的转移变形试件栅，把它放到云纹干涉光路系统中作为试件栅，当对称入射的双光束在其上形成的虚参考栅频率为原载波条纹频率的２ｎ倍时，就可以得到倍增为２ｎ倍后的载荷条纹，使相应的测量灵敏度提高２ｎ倍。文中对这一方法进行了理论分析和实验验证。     

云纹干涉测量法进展

引言用云纹(Moire)法测量位移是极为引人注目的。云纹法通过观察等位移线的等值线图的分布场,确定变形体的位移场。严格地讲云纹属于几何效应,对弹性体,非弹性体,各向同性体及各向异性体的位移同样地反映良好。已经研究成功测定结构及结构部件面内及离面位移的多种云纹技术,但是几乎所有以前的研究工作使用的都是40线/毫米即1000线/英寸的较粗的光栅,或者更粗一些。这只能测定较大的位移,例如高延性材料的面内弹性位移及结构材料的非弹性位移。      

云纹干涉反转倍增法及其在微电子组件变形场测量中应用

本文提出并介绍了云纹干涉反转倍增法，该方法将光学载波、反转剪切、富立叶变换倍增技术巧妙地结合于云纹干涉光路中。利用载波频率，把带载波的云纹干涉变形图在富立叶变换系统中进行条纹倍增，而试样变形信息也倍增了相同倍数，将云纹干涉的测量灵敏度又提高了一个数量级。在实验中实现了１６倍倍增，即位移测量灵敏度由０．４μｍ提高到０．０２５μｍ（虚栅频率１／２４００）。将这一方法用于测量热载下金属Ｎｉ膜／ＺｒＯ２陶瓷基界面裂纹尖端面内位移场，分析裂尖位移奇异性。实验表明：热载作用下，膜／基组件界面裂纹尖端的位移奇异性具有指数奇异特性，其奇异性指数与膜／基材料，界面层特性等有关     

基于透射电镜晶格图像数字云纹的应变测量方法

提出一种通过量化几何转角实现应变测量的数字云纹新方法。该方法以高分辨透射电镜(TEM)获取的晶格图像为基础,通过傅立叶变换-反傅里叶变换,将TEM晶格图像生成三个不同倾角的栅线图。以已知应变状态位置获取的TEM栅线图为参考栅,以所需测量位置获得的栅线图为试件栅,分别对倾角接近的参考栅与试件栅进行逻辑运算,得到各倾角栅对应的数字云纹图像。基于几何云纹基本原理,建立参考栅与试件栅二者之间栅线倾角的变化(即栅线转角θ)、该栅线倾角所对应几何云纹条纹的倾角与栅线间距变化率(即栅线法向应变分量ε)之间的解析关系。计量栅线转角与几何云纹条纹的倾角便能够得到试件栅位置上三个不同方向的正应变,从而实现面内应变各分量的解耦测量。由于本方法获得的是高分辨TEM图像所在位置的应变平均信息,因此具有十纳米量级的空间分辨率。本文采用模拟实验对以上方法的正确性进行了验证,并将其应用于多层异质半导体结构横截面样品的应变分析,并给出了面内应变各分量的细节信息。     

静止裂纹尖端实验的HRR奇异场

用近代光学试验方法(面内云纹和投影云纹),测量了不同应变硬化指数材料(n=3.350～9.180)、平面应力Ⅰ型双边裂纹试件、裂纹尖端附近位移场和应变场。由试验结果分析了裂纹尖端位移奇异性,得到J主导区和围绕裂纹尖端附近HRR场分布。分析了HRR分布随载荷、材料不同的变化规律。     

光弹法实测正交异性双材料界面裂纹断裂参数

采用光弹贴片法实测正交异性双材料界面裂纹尖端区域的应力应变场, 进而求出界面裂纹的断裂力学参量. 将正交异性双材料板加工成拉伸试件,在聚碳酸酯贴片 的单侧表面镀金属铝膜,以提高贴片的反射效率. 沿贴片后的双材料界面预制裂缝,逐渐加 大载荷,得到一系列清晰的等差线条纹图. 利用正交异性双材料界面裂纹尖端应力分量表达 式计算出应力强度因子. 实验表明,光弹贴片法可有效地分析正交异性双材料界面裂纹问题.     

双压电材料内含椭圆孔孔边界面裂纹的反平面问题

利用复变函数方法,研究了横观各向同性压电双材料中椭圆孔孔边界面裂纹的反平面问题．首先,利用保角变换函数将椭圆孔保角变换到一直线裂纹;其次,基于孔边及裂纹表面均电不可穿透并且自由的假设,利用Stroh公式分别得到了本问题的复势函数、裂尖场集中系数的解析表达式;最后,在面内电载荷及面外机械载荷的作用下,分析了椭圆孔尺寸、裂纹长度和外载对裂尖场集中系数的影响,并得到了一个有意义的结论：椭圆孔一边裂纹长度的改变对另一边裂纹裂尖场的影响有限,然而一旦椭圆孔退化为竖直裂纹,该影响将变得非常显著．     

倍增云纹的显微测量及密集云纹场的应变测算

为了提高云纹法的准确度,文中提出了使倍增后的云纹宽度变细并进行显微测量的技术,以及由密集云纹场测算应变的条纹间距插值和小间距均匀法。给出了估计由此法算得的应变的误差及其修正方法。所做的曲杆实验其数据与理论值符合得很好。文中还将云纹法中闪耀光栅与振幅栅相匹配的光学空间滤波系统改进为实时系统,导出其条纹倍增率及云纹图的最佳对比度条件。     

一维六方准晶中纳米尺度开裂孔洞的III型断裂力学

研究了一维六方准晶中纳米尺度开裂孔洞的Ⅲ型断裂力学问题。基于复变弹性理论和表面弹性理论获得了考虑表面效应时椭圆孔边裂纹的应力场、应力强度因子和能量释放率的解析表达;讨论了缺陷尺寸、裂纹/孔洞比、耦合系数和施加载荷对应力强度因子和能量释放率的影响。研究表明：考虑表面效应且缺陷的尺寸在纳米尺度时,声子场和相位子场的无量纲应力强度因子以及无量纲能量释放率具有明显的尺寸依赖;裂纹相对尺寸较小时,表面效应对声子场和相位子场的无量纲应力强度因子影响较小;纳米尺度时无量纲能量释放率随耦合系数的增加而增大;耦合系数一定时,无量纲能量释放率受到椭圆孔尺寸影响;随着声子场载荷的增大,无量纲能量释放率先减小后增加,最后趋于稳定;无量纲能量释放率随相位子场载荷的增大单调减小,非常小和非常大的声子场载荷(或相位子场载荷)屏蔽了相位子场载荷(或声子场载荷)的影响。     

用全息和散斑干涉法对含穿透裂纹的有限宽薄板进行弹塑性分析

本文用激光全息和散斑干涉法,测量了含中心疲劳裂纹、双边切缝、45°斜切缝的有限宽铝合金板试件(LY12—CZ),在均匀单向拉伸载荷作用下,直至大范围屈服时,裂纹尖端附近区域的三维位移场.给出了下列结果:①裂纹尖端塑性区的尺寸、形状随载荷增加的变化情况.中心疲劳裂纹与双边切缝试件的裂纹尖端塑性区形状的比较;②裂纹尖端特征点的COD—σ/σ_s 曲线,裂纹起裂点的张开位移δ_(?)(即COD);③试件对称轴上一定标距内△—σ/σ_s 曲线,标称应变ε_0与载荷比σ/σ_s 关系,即ε_0—σ/σ_s 曲线,实验表明标称应变ε_0是衡量试件屈服情况的参数;④定量地测定了裂纹尖端附近的位移场;⑤裂纹尖端附近的应变场;⑥对失稳断裂载荷进行了塑性极限分析.并将上述结果与有关理论,实验及数值计算结果进行了比较.     

复合型裂纹位移场的分析

本文分析了复合型裂纹尖端v向位移场的特点,即v=0的位移线和切点连线(等位移线斜率为零的切点的连线)均为直线,它们的斜率与K_Ⅱ∶K_Ⅰ有关.在裂纹两岸的v向位移大小相等符号相反.当纹尖有刚性转动时,裂纹两岸同x处的v向位移不同.利用它们的代数和可消除变形位移,而得到两倍的刚性转角位移,从而求出刚性转角,并找到无刚性转角时的v=0位移线和切点连线. 作者利用上述特点,由贴片云纹干涉法得到有刚性转角的条纹图中求出转角、纹尖精确位置、和应力强度因子K_Ⅰ、K_Ⅱ.与文[4]的计算值一致,实验与计算的条纹图吻合得很好,结果令人满意.     

CCD云纹方法的光学放大作用分析及其在干涉测量中的应用

几何云纹由于对栅线变形具有光学放大作用,常被用于高密度栅线的微小变形测量。但是其需要分别设置参考栅和试件栅,实验布置复杂。当使用数字相机直接拍摄试件栅时也会形成与几何云纹相似的CCD云纹,但是基于此原理发展的变形分析方法是否可以应用于高密度栅线变形分析还缺乏相关的研究。本文基于CCD云纹的形成机理和周期公式,分析并确认了其与几何云纹一样具有光学放大作用,因此可以将其应用于高密度栅线/干涉条纹的解析。利用此优势,实现了对高密度干涉条纹间距的解析,实现了两个相干点光源距离和迈克尔逊干涉实验转动角度的精密测量。本研究为干涉实验中高密度条纹分析提供了一种新的手段,可以解决实验中条纹过密无法解析的问题。     

采用显微网格法研究韧性材料平面应力状态下裂尖附近的应变场

用显微网格数字图象处理方法，测量了韧性材料平面应力条件下Ｉ型单边裂纹尖端附近的应变场。实验结果表明：在裂尖两侧存在与裂纹方向夹角约为５０°的大变形带。最大应变位于离裂尖一定距离的大变形带上，随着载荷增加，最大应变的位置逐渐靠近裂纹尖端。应变峰值轨迹线在裂纹顶端呈放射状，载荷增加时，应变峰值的轨迹线位置并不改变。     

圆孔边缘裂纹扩展过程中裂纹周围的动态塑性应变测量

本文用面内云纹法和影象云纹法结合高速摄影技术,对带孔铝板在突加载荷作用下孔边裂纹扩展过程中裂纹周围的应变场进行分析。用等应变线表达断裂过程中相应时刻的应变场,最大动应变可达0.9。本试验也得到了材料的裂纹扩展速度和撕裂模量。     

四光束载波全息光弹性法的研究及应用

本文同时利用一台激光器的相干性和两台无位相联系的激光器间的非相干特性,提出了一种新的全息光弹性法,并用于等和线的测量上.该方法具有载波频率连续可调,一次曝光给出某一载荷下的等和载波条纹图的优点;通过滤波解调,能方便地给出模型受力过程中任意两个载荷下的差载等和线,为不能重复性实验(如裂纹扩展)提供了新的实验研究方法。     

用动态光弹性法研究炮身膛线的脱落问题

本文利用动态光弹性法研究了炮膛膛线脱落的机理。用包含五条膛线的部分炮筒横截面或扇形平面模型,在六种不同的载荷状态下进行了实验。得到了不同载荷状态下,不同瞬时的等差线条纹图的系列照片,以及膛线根部不同瞬时的应力分布曲线。结果表明:当一条或相邻数条膛线顶端受到足够大的均布冲击载荷时,将在承载膛线两侧根部的应力极值点出现膛线脱落的起裂点,而形成八字形脱落;而对非均布的其它几种冲击载荷,膛线都不会出现八字形脱落。     

焊接接头热影响区的海水腐蚀疲劳裂纹扩展速率

本文采用T型板状焊接接头试件承受弯曲循环载荷进行空气中和海水自由腐蚀条件下的疲劳裂纹扩展试验(海水中试验条件为R=0-0.1,加载频率0.2Hz,海水温度20℃±1℃),得到了海上平台钢E36-Z35焊接接头热影响区在空气中和海水中裂纹扩展速率da/dN～AK曲线和Paris公式中相应的C和m值,并进行了讨论. 应用本文得到的试验数据,用断裂力学方法对板状焊接接头在空气中和海水中自由腐蚀条件下的疲劳裂纹扩展寿命进行了估算,结果表明,在适当考虑裂纹起始寿命的情况下,用断裂力学方法估算的疲劳裂纹扩展寿命与试验结果相当符合.文中还讨论了初始裂纹尺寸的选取对估算裂纹扩展寿命的影响.     

光弹性五参数法确定Ⅰ-Ⅱ混合型裂纹应力强度因子

在考虑远场非奇异应力σax、σoy、τ0影响的基础上,建立了Ⅰ-Ⅱ混合型裂纹应力强度因子与等差线条纹上点的极坐标间的非线性方程,为通过该方程确定应力强度因子,将θ=0及θ=π/2两极轴与三等差线条纹交点的坐标先后代入方程,并利用差分法得到了一种光弹性法确定Ⅰ-Ⅱ混合型裂纹应力强度因子的五参数法。作为实例,本文测定了环氧树脂及聚碳酸酯在不同载荷、不同裂纹条件下的应力强度因子,并将所得结果与相应的理论计算值及三参数法的结果进行了比较,发现本文提出的五参数法确定Ⅰ-Ⅱ混合型裂纹应力强度因子的方法,充分反映了远场非奇异应力的影响,所得结果精度较高。     

圆弧形裂纹问题中的应力对数奇异性

研究了无限大板上的一条圆孤形裂纹, 又在裂纹表面作用有反对称载荷. 换言之, 裂纹两侧表面的载荷是大小相等方向相同的. 上述问题可用复变函数方法来解决. 应力和位移分量通过两个复位函数来表示. 经过一系列推导, 此问题可归结为复变函数的黎曼-希尔巴德(Riemann-Hilbert) 问题, 并且可用闭合形式得出解答. 裂纹端的应力强度因子用通常方法定出. 在裂纹端邻域, 得到的复位函数中有对数函数部分. 由这个对数函数部分, 可以定义和得出裂纹端的对数奇异性, 此对数奇异性系数用闭合型式得出.