激光冲击加载材料动态断裂特性测量方法和装置

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。

主权项

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。