激光云纹干涉法测定高温材料热膨胀系数的研究.pdf

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1、盟主魁塞蓥芏查金丛逢圭基激光云纹干涉法测定高温材料热膨胀系数的研究D e V e l o p m e n to fm e a s u r i n gL i n e a rE x p a n s i o nC o e f f i c i e n tf o rh i g h t e m p e r a t u r em a t e r i a lb ym o i r 6i n t e r f e r o m e t r y李仁增严超华李禾付艳军(南昌麓空工业学院)“R m 日Y a n C l】a o h u a，L i H 岛凡h n j 吼r I d I a I I gI 埘I m 忙o r

2、A c m 叫口咖1 b d m 0 1 0 甜刘绍伦张行安(北京航空材料研究院)L i uS h l 办gX i I I 鲫l r 州m 耐A e n H I t 删M 蝴汕摘要：分析了激光云纹干涉法测量高温材料热膨胀系数的原理和可行性，评估了测量误差本文采用国产高温舍金材料，在最高温度为1 0 0 0 的温度环境中进行了试验，得到较理想的热膨胀曲线关键词：云纹干涉法，高温材料热膨胀系数A h 打-c t：T h ct h r y 曲d 忙蓝i b i l 时i s 如a l y 扯d，w h i c ho fm c 勰I l r i gL i I I 曲rE x p a i(h 伍c i

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4、e 伍c i t1 引言熟膨胀系数是表征材料力学行为的一个重要参数。测量这个参数的常规方法是通过测量试件的热膨胀线位移来确定其热膨胀系数。测位移的方法主要有电测法，光测法和机械法。电测法的优点是：在常温下操作方便；具有灵敏度高等优点。但是，电测法属于接触式测量方式，因此，如果在高温下使用，则要求它们的位移测量元件必需能耐高温，而且必需考虑热补偿。机械法测热膨胀系数，通常采用夹具固定试件，然后测夹具的位移，而后计算得出试件的热膨胀系数。但夹具本身因受热而发生变形，这也影响到测量的精度。几何云纹法(f=4 0 线毫米)用于高温测量已有2 0 年历史，但由于线数少故精度差，远不能满足精确测量的要求。

5、前面提到的这些问题都是目前较难解决的问题。激光云纹干涉法是八十年代发展起来的一种现代光测力学方法，具有非接触、精密度高、分辨率高、图像对比度好、可以实时观测等独特优点。所测得数据为纯几何变形量，因而无论是对各向同性或异性材料、处于弹性，弹塑性或大塑性范围均能适用。它能测出全场各点的精确位移，能在加载时测取连续或瞬时位移场。同时图像由计算机储存，有利于自由编程处理。但是，为满足高温测试的需要，其光栅应如何制作才能耐受高温?另外，由于试件本身受温度的影响发生热变形，光栅是被刻蚀在试件表面的。当试件发生变形时光栅也会随之发生变形即频率f 发生变化，同时，因为在计算时仍采用原频率f，这对位移测量将产生

6、误差：该误差有多大?2 云纹干涉法的位移测量原理云纹干涉法使用的基本测量元件是光栅。光栅是由许多平行等间距的狭缝或者凹槽组成。光栅的种类很多，按照分类方式的不同，有透射式和反射式，也有振幅型和位相型。无论哪种光栅，它们的光栅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己。光栅的衍射方程为：s i 哦=血口+m 盯(1)其中：m 表示衍射级次，口表示入射角：e 表示第m 级衍射光束的衍射角 k 表示波长；f 表示光栅的频率。云纹干涉法通常采用如图1 所示的双光束对称入射光路。设试件栅的频率为f，两柬准直相干光A 和B 以入射角口入射试件表面若口满足以下关系：s i n 口=f

7、1 6 7则光束A、B 的正负一级衍射光将沿着垂直于试件栅的方向传播。一矮三，7 一、当试件栅没有变形时该两束衍射光波的波前为平面波前，用A7 和B 表示则有：胜筹式中A 为振幅：对于平面波，位相V 与q。皆为常数。当试件受载变形时试件栅随之变形。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翘曲波前用和B”表示。髓黛=1 B：B e 帆州川】H 式中由(x y)和中。(x，y)是由于试件栅表面位移引起的衍射光波位相变化。当试件表面具有三维位移时，位相变化巾(x，y)和巾B(x，y)与x、z 方向的位移u、w有如下关系：。(x，y)=警【“，x 1+c o s a)+“(y)s j

8、n a】(5)吣x，y)=警【州训)(1+c。s a)叫w)s j I l a】两束衍射波前通过成象系统后，在照相底版上发生干涉，底版上所记录的光强分布可班表示为：6 8l=(A+B。)(A+B。)=4 A 2 c o s 2；阮一+吼”一眈k y)J(6)=4 A2 c o s 2 圭【卢+占(x，y)】其中，卢=平一V e 为两束平面波A 和B 的初始位相差，为一常数等效于试件刚体平移所产生的均匀位相；6(x，y)=中(x，y)一由B(x，y)为试件变形以后两翘曲波的相对位相变化。由式(5)与式(6)可知：占(x，y)：兰；“(x，)s i n 口(7)若用波长数N。表示相对光程变化，并考

9、虑到光程差与位相差之间的关系：姆_，扣去鼬，y)(8)则：吣，y，=差=务其中u(x，y)是沿x 方向的位移N l 为u 场等位移条纹级数。如果使试件栅的栅线方向旋转9 0。，光路系统也旋转9 0 0位移分量v(x。y)的表达式：(9)则同理可得到y 方向的面内删=芳n o，式(9)与(1 0)就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。3 试验结果试件采用国产镰基单晶D D 3 高温合金材料，尺寸如图2 所示。试件经硒、船和姗5磨荆研磨后在其上刻蚀频率为f=3 0 0 线m 的零厚度光栅。将带有正交橱的试件悬吊于带透明窗口的高温炉中。全息台上光路布置如图3 所示升温前，调节光学u

10、叫装置上四个入射镜片得到零场：升温过程中保持试件能够自由膨胀，炉内充氩气保护；每升温5 0 由c c D 采集u 和V 场云纹条纹图各一张。部分条纹图见图4至图7 所示。L，4。z，斗，4 一，o b，h，斗t，一图2图s8 5 0 田3囝43 圈69 5 0 旺扩圈7】0 0 0 图B由试验图象可见当温度超过9 5 0 时，条纹虽然仍可分辨，但图象的对比度明显降低。这意味着光栅己出现“烧蚀”现象；由于零厚度光栅的衍射与普通位相型光栅不同，光栅的沟槽是由化学刻蚀形成租糙的灰色晶格边缘，不能反光，光的衍射实际上是由未被刻蚀的方块栅格反射形成的云纹干涉图象对比度的强弱取决于干涉栅格的面积和表面光洁

11、度。突起的栅格在一定的高温温度下，台金中低熔点的金属被熔化，从栅格周围溢出，出现微小的空穴使栅格表面出现凹凸不平，从而使光栅的衍射效果下降，对应的干涉图象的对比度和清晰度也随之下降。该试件的热膨胀位移线性回归曲线见图8 所示，线性相关系数为O 9 9 8，直线斜率即为材料的热膨胀系数a，d=1 5 4 2 5 1 0 1 度。4 误差分析及结论由于试件本身受温度的影响发生热变形，光栅是被刻蚀在试件表面的。当试件发生变形时光栅也会随之发生变形，即频率f 发生变化，同时，由于在计算时仍采用原频率f 这会对位移测量造成一定的误差。下面分析其误差大小：假定变化后的光栅频率为f，室温时的光栅频率为f，室

12、温条件下试件的的长度为L，试件的变形量为L，试件材料的热膨胀系数为口，温差为T 变形前和变形后的光栅频率存在如下的关系：弘=，(三+址)弧厂+2 走2 志叫卜叮，三当温度差T=1 0 0 0 时，对于咀镍为主的镍基台金，不妨取其热膨胀系数口=1 3 1 0 一，则c 盯=1 3 I O，也就是说光栅频率的误差约为1 3 左右。所以用此方法测得的热膨胀系数在工程上是可用的综上所述高温密栅云纹法测定材料的热膨胀系数在理论上是站得住脚的在实验技术是可行的。参考文献lFxm f 曝 sx o b 哪日，h L H 讪蜊哼m 咖i 岫：r i 孙瑚e 奸y”0 p L B l 啦研l k 3 I(1 9

13、 帅)2Bs-J-洫G z 办蛐量B M 啦o I 珥血d PL j 吨“c 嗽p a 诎鲫，州l0 f i r 哪r 一7 1 8，删0 y 札e h 樾一懈T I p 州岫惦h ln 眦h 啊龆科眦旷，h c 圳h p o f 甘Kl 州s I M s 州n gc 剃孙蛐毫M 町h I d 肼3Bs-JK 蚰g Gzz 岫M GJ m k 岫，M 胁盯1 日u 洲。p 删0 f h 岫懈叩m n n m 障呲棚由y 惦m g 瓣出耙b r t 疆掣州：M，鼬哪越州a p 4Fxw 蚰P1 日u，卸d Bs _ Jx 蛳8，。阿咖l 蜘p e r 蛐m h m r 帅曲y 啦函g a m l

14、 士i d 吣g 哪缸r P r 删i n 簪o f 耳j n h 确l i o 删c g 瞄s 锄E x*n m 眦IM 枷罄(1 9 9 2)j王凤翔等。L D z l 2 5 高温台叠断裂捆性实验研究。南昌航空工业学院学报l 蜉5 I)1 一1 5 激光云纹干涉法测定高温材料热膨胀系数的研究激光云纹干涉法测定高温材料热膨胀系数的研究作者：李仁增，严超华，李禾，付艳军，刘绍伦，张行安作者单位：李仁增,严超华,李禾,付艳军(南昌航空工业学院)，刘绍伦,张行安(北京航空材料研究院)相似文献(4条)相似文献(4条)1.期刊论文 李禾.严超华.李仁增.江五贵.傅艳军.何玉怀.刘绍伦 云纹干涉法测定

15、高温材料弹性模量及泊松比-机械强度2004,26(3)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.2.期刊论文 严超华.李禾.李仁增.张行安.刘绍伦.Liu Shaolun.Yan Chaohua.Li He.Li Renzeng.Kuang Senbao.Zhang Xingan.Liu Shaolun 云纹干涉法测定高温材料弹性模量及泊松比的研究-南昌航空工业学院学报（自然科学版）1999,1

16、3(4)分析了激光云纹干涉测量高温材料弹性模量和泊松比的可行性,当测量区域的尺寸大小相同时,云纹干涉法的测量灵敏度高于双表式引伸计的测量灵敏度.本文的试验采用国产铝基碳化硅材料,复制了硅橡胶正交栅,在350及其以下的温度环境中试验结果较理想.3.期刊论文 严超华.李仁增.李禾.付艳军.刘绍伦.Yan Chaohua.Li Renzeng.Li He.Fu Yanjun.Liu Shaolun 高温密栅云纹法测定高温材料热膨胀系数的研究-南昌航空工业学院学报（自然科学版）2000,14(4)分析了激光云纹干涉法测量高温材料热膨胀系数的原理和可行性.本文采用国产高温合金材料,在最高温度为1000的温度环境中进行了试验,得到较理想的热膨胀曲线.4.会议论文 严超华.李禾.李仁增.况森保.付艳军.刘绍伦.张行安 1150下高温合金材料弹性模量及泊松比的测定研究 2000 本文分析了激光云纹干涉法测量高温材料弹性模量和泊松比的可行性,并与传统的引伸计方法比较了测量灵敏度;为克服高温炉内背景光的影响,设计了付里叶变换光路以提高干涉条纹图的对比度;本文的试验采用国产高温合金材料,在1150及其以下的温度环境中得到了较好的试验结果.本文链接：http:/