材料介观力学的测试方法

摘要

本发明材料介观力学的测试方法属材料测试领域，它将试样夹于加载台上，使试样表面置于观察镜下面，试样上安装夹式位移引伸计，测试过程中计算机采集和存储应力、应变数据，采集变形过程的介观图像，并对图像进行分析和归纳。其优点是有利于对材料形变断裂过程中的介观行为进行分析研究，为金属理的研究提供了一种新的测试方法。

权利要求

1.一种材料介观力学的测试方法，其特征是采取以下步骤：

试样夹持于实验机加载台上，将试样观察表面置于观察镜观察位置，在试样上安装夹式位移引伸计以记录试样拉伸过程的真实应变量，开动实验机并加载，记录实时载荷P-应变ξ-时刻T毫秒级数据，观察成像系统实时接收试样表面介观形貌每一精确到毫秒级时刻的图像，计算机界面同时显示试样表面介观图像界面和精确到毫秒级的实时时刻的、有标尺的应力应变及时刻的曲线，并同时采集和存储；用图像分析系统对介观连续图片所表示的部位进行X、Y方向应变分量″UExx″、″VEyy″进行分析；以及X-Y方向剪应变″Exy″、Y-X方向剪应变″Eyx″进行分析；用图像分析系统对连续图片所表示的部位进行形变旋转量“Omiga”旋转量值、“Alpha”旋转量旋转角度进行分析；输出材料变形过程的同步变形应变场、旋转量场数据；对所得应力应变数据、材料变形过程的同步变形应变场和旋转量场数据，结合试样表面介观形貌进行分析和归纳。

说明书

技术领域

本发明属材料测试领域

技术背景

目前俄罗斯在介观力学测试方向做了一些工作。由于没有安装位移引伸计，没有同步记录试样受载引起的应变量，不能得到材料真实的应力应变信息和形变旋量场。

发明内容

本发明的目的用于在介观尺度上研究测试金属材料变形、塑性流变以及开裂的介观亚结构和对应的应力应变行为。测量得到试样加载任一时刻的应力应变数据，介观动态形貌图像，以及对应于每一时刻的，分析视野内的应变等值量场和形变旋量场。
本发明的测试步骤如下
a试样夹持于实验机加载台；
b将试样观察表面置于观察镜观察位置；
c在试样上安装夹式位移引伸计以记录试样拉伸过程的真实应变量；
d开动试验机并加载，记录实时载荷P-应变ξ-时刻T(毫秒级)数据；
e观察成像系统实时接收试样表面介观形貌每一时刻的图像(毫秒级)；
f计算机界面同时显示试样表面介观图像界面和实时时刻(毫秒级)的、有标尺的、应力应变及时刻的曲线，并同时采集和存储；
g用图像分析系统对介观连续图片所表示的部位进行X、Y方应变分量″UExx″、″VEyy″进行分析；以及″Exy″X-Y方向剪应变、″Eyx″Y-X方向剪应变进行分析。
h用图像分析系统对连续图片所表示的部位进行形变旋转量″Omiga″旋转量值、″Alpha″旋转量场旋转角度进行分析；
i输出材料变形过程的同步变形应变场、旋转量场数据；
j对所得应力应变数据、材料变形过程的同步变形应变场和旋转量场数据，结合试样表面介观形貌进行分析和归纳。
材料介观力学研究的对象为材料介观团块(宏观尺度与微观尺度之间)，在实时承载状况下，介观亚结构(动态结构)的变形规律以及断裂行为。介观图像为金属材料介于宏观与微观尺度之间的材料变形、塑性流变以及开裂的介观结构、应力应变行为的观察。观察介于宏观与微观尺度之间介观团块在实时承载状况下介观亚结构。
本发明的优点，按照介观力学测试的方法可对材料形变在断裂过程中的介观行为有深刻的理解，提供了介观尺度的断裂规律的信息，为金属物理研究提供了一个新的测试方法。

附图说明

图1为本发明测试方法的方框图；1、光学成像系统，2、CCD图像接收系统，3、力值传感器，4试样，5、位移传感器，6、等速双向加载闭环系统。
图2为实验材料拉力实验曲线图。

具体实施方式

试样设计和制备：试样横截面可以是方形或长方形的；为了与实验机支架相配合，夹持端可以是任何形状的；可使用带机加工缺口的或已预制裂纹的拉伸试样，缺口处最大应力可以从名义应力和应力集中因子KT的乘积来估算；可参考GB/T228中拉伸试验所规定的试样；
试验机加载系统：试验采用拉、压力双向加载闭环实验系统，传动形式为同轴传动；加载形式为拉伸、压缩、弯曲三种形式；力值测量范围0-2500N，可分级；实验速度无级变速，速度范围0.01-20mm/min；力值测量精度为±1％，每一档精度达到±1％，
应力、应变测量及数据采集系统：通过力值传感器感应输出电信号，经处理输入电脑进行编辑。力值测量精度为±1％，每一档精度达到±1％；通过超小型大量程位移信号引伸计感应位移并输出电信号，输入电脑进行编辑处；应变测量精度为±0.5％，测量原始标距为5mm；原始标距为：5mm，应变测量量程为0-5mm，相当于100％应变量；将位移信号和力值信号综合处理为位移-力值曲线-时刻(精确到豪秒级)数据表；见表(1)位移-力值-时刻数据可储存、可编辑、可以曲线形式显示，曲线可自动调节量程。
介观图像采集系统：光路或其它方式成像系统成像；CCD图像接收；采祯速度为单祯采集或多祯连续采集；采集速率为7-15祯/秒；图片记录时刻精确到毫秒级；根据图像形态学、计算机图形学等数学算法，对所采集图像进行校正、复原和识别、测量等处理；计算机储存、界面显示编辑；图像放大倍数2-200倍。
编制有关计算机程序：计算机系统进行实时、同时接收和存储介观观察图像和应力应变信号；将应力应变信号；编辑存储为数据文件；于介观图像界面的右下角约70×70mm的区域显示实时时刻(毫秒级)的、有标尺的、应力应变及时刻的曲线。
图像矢量分析系统：对连续图片所表示的试样部位进行X、Y方应变分量″UExx″X方向应变、″VEyy″Y方向应变分析；对连续图片所表示的试样部位进行″Exy″X-Y方向剪应变、″Eyx″Y-X方向剪应变进行分析；对连续图片所表示的试样部位进行形变旋转量场″Omiga″旋转量值、″Alpha″旋转量场旋转角度进行分析；输出材料变形过程的同步变形；应变等值场云图和数据文件；形变旋量场云图和数据文件见表(2)；
试验步骤：试样夹持于实验机加载台；将试样观察表面置于观察镜观察位置；安装夹式位移引伸计以记录试样拉伸过程的真实应变量；开动试验机并加载，记录实时载荷-应变的时刻(毫秒级)数据；观察成像系统实时接收试样表面介观形貌每一时刻的图像(毫秒级)；计算机界面同时显示试样表面介观图像界面和实时时刻(毫秒级)的、有标尺的、应力应变及时刻的曲线，并同时采集和存储；用图像分析系统对介观连续图片所表示的部位进行X、Y方应变分量和形变旋转量场″Omiga″旋转量值、″Alpha″旋转量场旋转角度进行分析；
结果处理和评定：以镍基合金材料为例对材料进行实验研究，在材料进行拉伸实验的同时，实时拍摄的镍基合金晶粒群在加载过程中的运动情况；从对应的图2中可以观察随着载荷的增加，晶粒本身有延着拉伸应力方向变化的趋势，伸长或在载荷过材料屈服点之后伴随着晶粒间的转动，转动方向和转动流向可以从实时跟踪拍摄照片中观察；应变和变形矢量分析尺度可随实验者要求而变化，与图像分辨率匹配。对试样整体进行实时拍摄和分析，能够提供材料整体的变形行为，应变、剪应变等值图，和同步动态形变旋量场。从而对材料承载至断裂过程中的失效过程给以全面的了解和观察分析，给出试验建议。
表(1)  材料拉力实验应力应变数据表
拉力(N)           应变1   (％)  时刻T   (时、
                                分、秒、毫秒)
28.56404387       0 0.151553905 10-42-0-625
14.21450563       0 0.145237185 10-42-12-109
1.001561857       0 0.130007858 10-42-19-218
11.05504849       0 0.119583113 10-42-24-906
0.710079454       0 0.123943066 10-42-29-171
10.98717472       0 0.118016683 10-42-46-250
21.26955337       0 0.11929854  10-42-49-78
41.44822994       0 0.114544237 10-42-50-515
58.70889902       0 0.095756451 10-42-51-921
70.41351483       0 0.090217653 10-42-54-781
82.3143959        0 0.075699074 10-42-56-203
96.51286165       0 0.063621272 10-42-59-46
107.9620161       0 0.038583144 10-43-7-593
97.41280864       0 0.064399156 10-43-9-46
108.7152596       0 0.046195136 10-43-11-906
97.03323563       0 0.005913141 10-44-47-406
108.3278999       0 0.028492822 10-44-51-671
97.83674819       0 0.016771676 10-45-0-203
108.1500069       0 0.009094866 10-45-25-890
118.3032143       0 0.000625338 10-46-18-609
106.1723662       0 0.006575172 10-46-36-109
118.4817171       0 0.007626013 10-46-40-484
128.9230754       0 0.003057572 10-47-0-953
139.9925532       0 0.028448623 10-47-3-796
157.0637468       0 0.044404776 10-47-6-656
168.4211071       0 0.041618582 10-47-8-78
188.2258068       0 0.060417989 10-47-10-921
199.9128797       0 0.08118266  10-47-12-343
210.1929671       0 0.101274385 10-47-15-187
225.084712        0 0.102393316 10-47-16-609
246.3523614       0 0.141137884 10-47-19-453
258.7555308       0 0.152115234 10-47-20-875
277.3017718       0 0.174452493 10-47-23-734
291.3774064       0 0.180808829 10-47-25-156
305.7337526       0 0.214284551 10-47-28-0
317.902333        0 0.252362299 10-47-30-843
328.7315998       0 0.269201476 10-47-32-265
345.9552347       0 0.297221851 10-47-35-109
357.0522374       0 0.324540537 10-47-36-531
375.9103857       0 0.367888921 10-47-40-828
392.3238373       0 0.387343756 10-47-42-265
415.9990365       0 0.450790631 10-47-46-703
...........  ...... ........... ...........
1067.877076       0 7.609277208 10-52-39-265
1092.628682       0 7.646079498 10-52-40-687
1042.739415       0 7.778106145 10-52-43-531
1074.521082       0 7.7880563   10-52-44-968
1091.319003       0 7.817280853 10-52-46-390
1103.253433       0 7.978812003 10-52-52-78
1085.48018        0 8.114158284 10-52-56-343
1101.133107       0 8.150797536 10-52-57-781
1112.818558       0 8.171911492 10-52-59-203
1082.386961       0 8.367289552 10-53-4-906
1109.192843       0 8.401344038 10-53-6-312
1088.922282       0 8.824717513 10-53-19-171
1116.07978        0 8.838408022 10-53-20-593
1093.811237       0 9.070209803 10-53-27-718
1127.084245       0 9.099896433 10-53-29-140
1138.455447       0 9.119105616 10-53-30-562
1127.820256       0 9.233357028 10-53-33-406
1104.89902        0 9.433880759 10-53-39-109
1118.827433       0 9.465976391 10-53-40-531
1133.384928       0 9.540035095 10-53-43-359
1121.31635        0 9.597623673 10-53-44-781
1111.281559       0 9.6899857   10-53-47-640
1121.502206       0 9.722415363 10-53-49-62
1145.479069       0 9.752845609 10-53-50-484
1131.65417        0 9.891885322 10-53-54-750
1146.893237       0 10.02120791 10-53-59-31
1113.243248       0 10.27267697 10-54-6-140
1136.756103       0 10.29685765 10-54-7-562
1115.524747       0 10.35140257 10-54-8-984
1145.916539       0 10.41218989 10-54-11-828
1120.421799       0 10.58657091 10-54-16-93
1138.706475       0 10.59756451 10-54-17-515
1120.930392       0 10.67165742 10-54-18-953
1148.304283       0 10.68324353 10-54-20-375
1132.743357       0 10.79200092 10-54-23-218
1150.704809       0 10.79702491 10-54-24-656
1160.769454       0 10.94319778 10-54-28-921
1135.166712       0 10.99416777 10-54-30-343
1154.845069       0 11.03621117 10-54-31-765
1137.927731       0 11.15988226 10-54-34-609
1152.827183       0 11.19702097 10-54-36-46
1139.729028       0 11.29015843 10-54-38-890
1159.318017       0 11.31686741 10-54-40-312
1134.069622       0 11.50712445 10-54-46-15
1153.00104        0 11.53733201 10-54-47-437
1175.375633       0 11.63808617 10-54-51-718
1148.427505       0 11.70215337 10-54-53-140
1169.048315       0 11.76940579 10-54-55-984
1146.522792       0 11.8303641  10-54-57-406
1163.336421       0 11.86773186 10-54-58-828
1146.060151       0 11.95215985 10-55-1-687
1173.294918       0 11.97805204 10-55-3-109
1158.907376       0 12.16087371 10-55-8-812
1175.961789       0 12.21321482 10-55-10-234
1160.464766       0 12.27697422 10-55-11-656
1125.806176       0 12.38869257 10-55-14-515
1144.992037       0 12.40800593 10-55-15-937
1172.738812       0 12.45760162 10-55-17-359
1159.579386       0 12.6019413  10-55-21-640
1142.420289       0 12.66486483 10-55-23-62
1164.499463       0 12.70074376 10-55-24-500
1176.78268        0 12.77312913 10-55-27-343
1144.47759        0 13.06539216 10-55-35-906
1154.852093       0 13.09425246 10-55-37-328
1173.518434       0 13.12825764 10-55-38-750
1153.148554       0 13.28854174 10-55-43-62
1171.673429       0 13.32409061 10-55-44-484
1157.303156       0 13.38617668 10-55-45-921
1182.23857        0 13.40884309 10-55-47-328
1159.042402       0 13.47976906 10-55-48-750
1173.609654       0 13.52046361 10-55-50-187
1149.868893       0 13.80088125 10-55-58-734
1172.09168        0 13.8158888  10-56-0-156
1184.771195       0 13.89966861 10-56-3-15
1168.993387       0 14.00526861 10-56-5-859
1189.183654       0 14.08451514 10-56-8-703
1166.95638        0 14.21868277 10-56-12-984
1180.106732       0 14.36623869 10-56-17-265
1155.153561       0 14.44491736 10-56-18-687
1165.369721       0 14.50579535 10-56-21-531
1176.456918       0 14.66398778 10-56-25-812
1165.456064       0 14.75138785 10-56-28-656
1150.249582       0 15.02805162 10-56-37-218
1165.580066       0 15.0811435  10-56-38-640
1125.067237       0 15.21590762 10-56-41-500
1141.411103       0 15.24770262 10-56-42-921
1166.588374       0 15.26675513 10-56-44-343
1155.931134       0 15.37144688 10-56-47-203
1142.799417       0 15.42374186 10-56-48-625
1153.403875       0 15.47075119 10-56-50-46
1139.394583       0 15.52406099 10-56-51-468
1150.715443       0 15.54758156 10-56-52-890
1139.061798       0 15.65567725 10-56-55-734
1125.337973       0 15.87954977 10-57-2-859
1109.616557       0 15.96131903 10-57-4-281
1137.714947       0 16.00031161 10-57-5-703
1123.332088       0 16.04000884 10-57-7-140
1107.160714       0  16.2491808 10-57-12-828
19.99218737       0 28.66663823 10-57-14-250
表(2)  材料变形位移矢量数据
TITLE＝″PIV Result 1″
VARIABLES＝″X(mm)″″Y(mm)″″Z(mm)″″U(m/s)″″V(m/s)″″W(m/s)″″Speed(m/s)″″Vorticity″″U-std″″V-std″″W-std″″Speed-std″″Vorticity-std″
ZONE T＝″ZONE 001″
I＝23，J＝14，K＝1，F＝POINT
DT＝(DOUBLE DOUBLE DOUBLE DOUBLE DOUBLE DOUBLE DOUBLE DOUBLE)
0.089082   0.680844   0.000000   -0.625000   -4.062500   0.000000   4.110296
0.106484   0.000000   0.000000   0.000000    0.000000    0.000000
0.129420   0.683702   0.000000   -0.456250   -2.350000   0.000000   2.393880
0.106484   0.000000   0.000000   0.000000    0.000000    0.000000
0.169614   0.686174   0.000000   -0.373171   -0.868445   0.000000   0.945227
0.031042   0.000000   0.000000   0.000000    0.000000    0.000000
0.209802   0.686915   0.000000   -0.293750   -0.425000   0.000000   0.516637
0.017969   0.000000   0.000000   0.000000    0.000000    0.000000
0.251173   0.687436   0.000000   -0.506250   -0.112500   0.000000   0.518599
0.017057   0.000000   0.000000   0.000000    0.000000    0.000000
0.291239   0.687759   0.000000   -0.500000   0.081250    0.000000   0.506559
0.004557   0.000000   0.000000   0.000000    0.000000    0.000000
0.331347   0.687812   0.000000   -0.468750   0.112500    0.000000   0.482061
-0.001432  0.000000   0.000000   0.000000    0.000000    0.000000
0.371799   0.687801   0.000000   -0.231250   0.106250    0.000000   0.254491
0.000911   0.000000   0.000000   0.000000    0.000000    0.000000
0.113192   -0.004123  0.000000   0.000000    0.000000    0.000000   0.000000
0.737558   0.161965   0.000000   -0.081250   0.043750    0.000000   0.092280
0.001693   0.000000   0.000000   0.000000    0.000000    0.000000
0.777530   0.161882   0.000000   -0.131250   -0.006250   0.000000   0.131399
-0.013672   0.000000   0.000000   0.000000   0.000000   0.000000
0.816351    0.160438   0.000000   -0.871189  -0.871037  0.000000   1.231940
-0.075998   0.000000   0.000000   0.000000   0.000000   0.000000
0.856091    0.158752   0.000000   -2.060417  -1.881250  0.000000   2.790057
-0.096962   0.000000   0.000000   0.000000   0.000000   0.000000
0.895660    0.158596   0.000000   -2.352083  -1.975000  0.000000   3.071306
-0.047266   0.000000   0.000000   0.000000   0.000000   0.000000
0.938247    0.160515   0.000000   -0.835417  -0.825000  0.000000   1.174115
-0.018707   0.000000   0.000000   0.000000   0.000000   0.000000
0.981533    0.161433   0.000000   0.100000   -0.275000  0.000000   0.292617
-0.018707   0.000000   0.000000   0.000000   0.000000   0.000000
Coefficient：A       B
       0.001669  0.000000
       0.001669  0.000000
       1.000000  0.000000
       1.000000  0.000000
       1.000000  0.000000
       1.000000  0.000000
       1.000000  0.000000
       1.000000  0.000000
Source File：F：\示例图片\data-ni\nibenji004.bmp
PIV Calculate Information：
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Calculate Step：x＝24，y＝24