● 摘要
断裂韧性是表征材料阻止裂纹扩展的能力，材料断裂韧性的测量一直是技术结构件，特别是管道断裂研究中的热点问题，出现了一系列的测量方法，在这些测量方法中，以裂纹尖端张开位移（CTOD）和裂纹尖端张开角（CTOA）表征断裂韧性是目前使用范围最广的方法。目前，裂纹尖端这两个止裂判据（CTOA和CTOD）的测量都是分开来完成的，而且操作过程繁琐，工作量很大。本论文以数字图像技术为基础，研究了基于数字图像方法的材料断裂韧性测量系统开发，包括硬件系统的搭建和软件系统的编写，介绍了硬件系统各个组成部分以及技术参数，软件系统的开发编程以及各种功能参数设置，并通过裂纹扩展试验测试系统的性能。测量系统通过CCD相机拍下裂纹扩展全过程然后对图片进行分析处理得出裂纹扩展稳态阶段的CTOD和CTOA数据，自动化程度高，可以减少很多工作量而且准确度也高。本文首先介绍了金属材料韧性评估各种研究方法，重点说明了CTOD和CTOA方法，并对比了传统方法与CTOD和CTOA方法的优劣，简要讲解了目前测量裂纹尖端张开位移的多试样法，介绍了测量裂纹尖端张开角的三种方法分别为直接测量法、显微形貌法和间接测量法。其次研究了数字图像处理中的图像分割各种方法，选择了比较简单也是最适合裂纹测量的灰度阈值分割法，而对于灰度阈值分割法来说，阈值的选取就是这种方法效果的关键，本文对各种阈值选取方法进行了分析对比，决定了使用最大类间方差法来确定阈值。使用VB编写了图像处理软件系统，详细讲解了图像处理软件各个模块功能及实现方法，并演示了部分软件功能，搭建了适合实际试验环境的裂纹测量硬件系统。最后通过裂纹扩展试验来对所开发测量系统性能进行测试，对试验中测得的裂纹尖端张开位移和裂纹尖端张开角数据以及裂纹扩展量 进行了细致的分析，列出裂纹扩展量与CTOA和CTOD之间的关系图，并对试验中存在不合理数据的原因进行了分析，通过试验数据分析验证了所开发的断裂韧性测量系统的实用性。