[发明专利]一种基于高温图像处理的裂纹尖端张开位移测量方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种基于高温图像处理的裂纹尖端张开位移测量方法，属于工程材料、结构形变及力学实验技术领域。

背景技术

裂纹尖端张开位移(crack-tip opening displacement，CTOD)是衡量工程材料在弹塑性条件下断裂韧度一个重要指标，它表征了材料抵抗裂纹开裂或扩展的能力。裂纹尖端张开位移是指当裂纹体受力后，在原裂纹尖端沿垂直裂纹方向所产生的位移。1965年，Wells提出了弹塑性断裂力学的CTOD准则。该准则可表述为：当裂纹尖端张开位移δ达到临界值δ_c时，裂纹将要开裂，即δ＝δ_c。式中的裂纹尖端张开位移可通过实验测定。鉴于裂纹尖端张开位移方法是衡量材料断裂性能的一种非常有效而简单的方法且已被工程实际所接受和应用，我国已经制定出测量临界裂纹尖端张开位移δ_c的方法(GB/T 2358-80；GB/T 2358-94)，针对金属材料的裂纹尖端张开位移测试，但是仅限于室温及低温裂纹尖端张开位移的测试。

然而，随着工程技术的发展要求的提高，相应的材料与结构的工作温度也越来越高。高温下材料的变形机制与断裂行为与常温下有很大的不同。与此同时，材料及其结构件处在高温工作环境下的断裂参数测试一直是个难点。为了实现高温下材料断裂韧度测量的表征，一种有效的途径是测量高温条件下材料的裂纹尖端张开位移，这则进一步要求发展并制造高温引伸计来实现高温环境下的裂纹尖端张开位移的测量。目前最先进且应用较成熟的高温引伸计(美国Epsilon公司)的测试温度可以达到1200℃，部分可以满足1600℃的测试。但是使用高温引伸计的缺陷在于：一方面高温引伸计价格非常昂贵，另一方面，高温引伸计的安装使用较复杂，易受到人为操作的影响，进而导致较大的测量误差，而且无法实现高温试验条件下对试件的在线观测与记录，无法进一步揭示试验过程中试件的变形与演化的实时具体过程。

在线观测实验方法方面，一般通过高精度工业摄像机CCD进行，对于裂纹扩展等则高速动态过程会采用高速摄像机。德国Hambury-Harburg技术大学利用摄像装置对CMC的高温稳定性进行研究，实时观测裂纹扩展，采集和处理数据。加州理工学院利用高速CCD像机以万幅/秒的速度采集图像，研究材料裂纹的动态扩展过程等。前述两类技术仅限于常温条件下的应用。中国专利文献201310739173.0(审查状态)利用高速摄像机及工业摄像机配合滤波技术对试件在高温条件下的表面氧化、烧蚀过程进行定量研究。但上述方法均无法对高温环境下的裂纹尖端张开位移进行精确地测量。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于高温图像处理的裂纹尖端张开位移测量方法，该方法通过对带预制裂纹的材料试件进行高温恒温力学加载实验，通过配备滤波片的摄像机拍摄试件表面的裂纹的扩展过程，进一步对获得的高温图像进行处理，从而获得材料在高温环境下的裂纹尖端张开位移(crack-tip opening displacement,CTOD)。

本发明的技术方案如下：一种基于高温图像处理的裂纹尖端张开位移测量方法，其特征在于该方法包括如下步骤：

1)将带有预制裂纹的试件放入高温恒温环境下进行力学加载，该试件在高温环境中裂纹尖端发生局部氧化，裂纹尖端图像局部灰度值阶跃变化，使用摄像机连续拍摄加载过程中试件裂纹尖端的变化过程，获得同一温度下试件缺口裂纹在不同时刻的扩展图像，并在摄像机镜头上安装至少一个高温滤波片；

2)采用二阶导数来检测、计算裂纹尖端边缘，如下式计算：

定义二维图像灰度函数f(x,y)的拉普拉斯值为：