云纹干涉法测定高温材料弹性模量及泊松比

云纹干涉法测定高温材料弹性模量及泊松比 MEASURING ELASTIC MO DULUS AND POISSON RATIO FORHIG H TEMPERATURE MATERIALS BY Moir INTERFEROMETRY李 禾 严超华 李仁增 江五贵 傅艳军(南昌航空工业学院实验力学研究室,南昌330034)何玉怀 刘绍伦(北京航空材料研究院,北京100095)LI H e YAN ChaoHua LI RenZeng JIANG WuGui FU YanJun(Experimental Mechanics Research Room,Nanchang Institute o f Aeronautical Technology,Nanchang330034,China)HE YuHuai LIU ShaoLun(Beijing Institute o f Aeronautical Materials,Beijing100095,China)摘要 运用云纹干涉法的波前干涉原理,分析激光云纹非接触测量高温材料弹性模量和泊松比的可行性,以及高温云纹干涉法试件光栅的类型,通过高温云纹干涉测试技术应用和大量的航空高温材料测试,解决了材料高温弹性模量和泊松比测试的难题,并总结出一套完整的测试方法。

关键词 云纹干涉法 高温材料 弹性模量 泊松比中图分类号 O348 12Abstract It is mainly about using the wave front interference principle of Moir interferometry analyzed the possibility of non contact measuring elastic modulus and Poisson ratio for high temperature materials by Moir interferometry and the types of gratin g specimers of Moir interferometry in high temperatures The means of elastic modulus and Poisson ratio of the materials measured in high temperatures,and application for a large number of aviation materials are completed A new perfect measuring way has been de veloped.Key words Moir interferometry;High tem perature materials;Elastic modulus;Poisson ratioCorrespon ding author:LI H e,E mail:lihe@niat jx cn,T e l:+86 791 8224643Manuscript received20030707,in revi sed form200309011 引言弹性模量和泊松比是表征材料力学行为的两个重要参数。

测量这两个参数的常规方法主要有电测法和引伸计法,它们的优点是,在常温下操作方便;使用引伸计,位移测量直观;电测法则具有灵敏度高,并且可在应变仪上直接读出应变数据或者在x y函数记录仪上直接绘出应力应变曲线的特点。

但是,不管是引伸计法还是电测法,它们都属于接触式测量方法,因此,如果在高温下使用,则要求它们的位移测量元件必须能耐高温,而这一点正好是目前较难解决的问题。

云纹干涉法是上世纪80年代发展起来的一种现代光测力学方法。

从本质上来说,它是一种波前干涉方法,其主要优点是非接触测量,测量精度高。

在高温云纹干涉测量中[1],试件光栅的种类和制作技术与云纹干涉测量有着密切关系,根据不同类型的材料和测试环境,可制作零厚度光栅[2,3]、复制硅橡胶光栅、树脂胶或硅橡胶转移镀膜光栅[4]。

我们通过大量的实验工作,总结出云纹干涉测量中的试件光栅制作技术,可在不同材料、不同测试环境下制作各种类型的试件光栅。

这些技术的研究,对云纹干涉法的推广应用,特别是高温云纹测试技术都具有重要意义。

2 云纹干涉法的基本原理及其位移测量的灵敏度云纹干涉法使用的基本测量元件是光栅,在力学性能测试中常常使用反射式位相型光栅。

根据位相型光栅表面凹凸槽形状的不同,又可进一步分为正弦型全息光栅和矩形光栅等。

无论哪种光栅,它们的光栅Journal of Mechanical Strength机械强度2004,26(3):302~306李 禾,男,1956年11月生,湖南省沅陵县人,汉族。

副教授,南昌航空工业学院实验力学研究室,从事光测力学和高温材料力学性能测试技术的研究。

20030707收到初稿,20030901收到修改稿。

(a)零厚度光栅(a)Zero thickness grati ng(b)单度层光栅(b)Si ngle fi lm grating图2 光栅工艺流程图Fig 2 Grating technol ogical process衍射方程都是一致的,仅仅是它们的各个衍射级次光谱的光强分布不同而已。

光栅的一级衍射方程为sin = f (1)其中 表示入射角, 表示波长,f 表示光栅的频率。

当试件光栅表面,以 角对称入射两束准直光(平面波阵面)A (x )+1和A (x )-1时,正负一级衍射光与法线重合,且仍为平面波阵面。

试件变形后,正负一级衍射光由平面波前变成与表面位移相关的翘曲波前,位相也发生相应的变化如图1所示,产生波前干涉条纹图象,其横向位移函数为U(x ,y )=N x /2f(2)纵向位移函数为 V(x ,y )=N y /2f(3)其中N x 为U 场等位移条纹级数,N y 为V 场等位移条纹级数,f 为光栅频率[5]。

对应的纵向、横向应变和剪应变为 x 、 y 、!xy ,有x = U x ∀N U 2f ∀xy = V y ∀N V2f ∀y!x y = U y + V x ∀N U y 2f ∀y +∀N V x2f ∀x(4)图1 波前干涉原理Fig 1 Wave front i nterference其中∀N U 为水平方向位移场U(x ,y )对应∀x 的干涉条纹数,∀N V 为竖直方向位移场V(x ,y )对应∀y 的干涉条纹数,∀N U y 为水平方向位移场U(x ,y )对应∀y 的干涉条纹数,∀N V x 为竖直方向位移场V(x ,y )对应∀x 的干涉条纹数[2]。

式(4)是云纹干涉法中表征位移与条纹级数之间关系的主要公式[5]。

为了提高测量灵敏度,由式(4)得知,在一定的测量范围内,提高光栅栅线密度可提高测量灵敏度。

目前实验室普遍使用的氦氖激光光源,一般取光栅频率为f =1200线/mm ,位移测量灵敏度为1/(2!1200)=0 417#m /条纹f =600线/mm ,位移测量灵敏度为1/(2!600)=0 833#m /条纹f =300线/mm,位移测量灵敏度为1/(2!300)=1 666#m /条纹f =150线/mm,位移测量灵敏度为1/(2!150)=3 333#m /条纹。

3 试验测试根据不同材料、不同环境的测试温度,在被测试件表面可制作感光胶光栅、零厚度光栅、单镀层光栅,但是这些类型光栅的选择必须能承受所测试的环境温度。

一般对试件光栅的选择是,对容易抛光的金属试件,在其表面最好刻蚀零厚度光栅,以增加光栅的可靠性;对不易抛光的金属(如钛合金、铝合金、铝基复合材料等)采用制作单镀层光栅的方法,即在制作感光胶栅后,光栅表面蒸镀一层自身材料,以达到光栅表面光亮,提高光的反射效果(国产正性感光胶可承受300∀的高温)。

零厚度光栅和单镀层光栅的制作流程图如图2所示[6]。

采用的拉伸试样有两种(参考航标尺寸),如图3所示,正交光栅制作在试件的中段。

采用四光束云纹实验光路测试纵向与横向应变,如图4所示。

在实验中由不同载荷的U 场和V 场云纹条纹数,确定该温度下的U 场和V 场位移函数对应的全场应变为 x 、 y 、!xy ,如式(4)所示。

当测量弹性模量与泊松比时,只需要测量 x 、 y 应变,且∀x =(x 2-x 1)/m x ∀y =(y 2-y 1)/m y(5)第26卷第3期李 禾等:云纹干涉法测定高温材料弹性模量及泊松比303式中x 1、x 2是所取相对条纹范围内初始条纹中心横向坐标和末条纹中心横向坐标,m x 是横向每毫米像素点数;y 1、y 2是所取相对条纹范围内初始条纹中心纵向坐标和末条纹中心纵向坐标,m y 是纵向每毫米像素点数。

实际测量时,取对称轴附近的云纹,如图5,对应载荷的应力∃=P /S (S 是试件中心的横截面面积),可得到图6中的应力 应变曲线。

通过纵向和横向的应图3 拉伸试样尺寸Fig 3 Specimen size图4 四光束高温云纹实验光路原理图Fi g 4 Four beams Moi r interferometry图5 单晶合金高温云纹图Fig 5 Single crys tal materials Moir图6 单晶1100∀纵向(∃ )曲线图Fig 6 Single crys tal 1100∀(∃ )curve力与应变(∃ )曲线,找出对应的线性回归关系横向 ∃H =k H H +b H(6)纵向∃V =k V V +b V (7)弹性模量E =1000k V(8)则泊松比(Poisson ratio)#=k VkH(9)其中k 是斜率[7]。

在弹性范围内进行测试时,为了提高测试精度,尽可能地使用高密度光栅,如1200线/mm 光栅。

这种方法在常温下常常采用,而在高温环境下光栅将受到烧蚀的影响。

高温合金都是多种金属构成,既有高熔点金属,又有低熔点金属,而低熔点金属所含比例直接影响高温合金的固熔点温度。

例如单晶材料试件表面刻制有600线/mm 的光栅,在950∀以下的温度环境,云纹图象的对比度均清晰,而随着温度超过950∀,云纹图对比度逐渐下降。

到1000∀时,表面只有部分区域有云纹,这就意味着无云纹的区域已没有光栅。

随着保温时间的延长,云纹全部消失,如图7所示。

因为高温合金中的金属是按比例均匀混合的,其表面刻蚀600线/mm 的正交光栅(图8),每个栅格的面积只有2 8!10-6mm 2,实际上的面积比此还小。

在高温下,零厚度光栅的衍射与常温下的镀膜矩形光栅或正弦光栅不一样,光栅的沟槽是由化学刻蚀形成粗糙的灰色晶格边缘,不能反光,实际上光的衍射是由未被腐蚀的方块栅格反射形成的。