专利名称：一种测量金属单向拉伸中韧性损伤演化的装置及方法
技术领域：
本发明涉及金属材料在塑性应变过程中的损伤演化技术领域，特别涉及一种测量金属单向拉伸中韧性损伤演化的装置及方法。
背景技术：
如何方便准确获取金属材料在塑性应变过程中的损伤演化一直以来都是一个难题。目前测量损伤的主要方法有:1.直接测量；2.通过弹性模量的变化间接测量；
3.超声波测量；4.通过微硬度的变化间接测量；5.通过密度变化间接测量；6.通过电阻变化间接测量。其中，在测量金属塑性应变过程中的损伤中，最为常用的一种方法是通过弹性模量的变化间接测量，即对拉伸试样实施循环加载卸载，通过监测卸载过程中的弹性模量的变化间接获取金属材料在塑性应变过程中的损伤量。但该方法存在以下几个问题:1.由于应变片的测量范围有限，因此当试样塑性应变较大时，需要多次更换应变片，使得试验过程非常繁琐、耗时，而且多次人工干预可能造成测量系统不稳定；2.拉伸试样在发生颈缩后，颈缩区域处于三向应力状态，这也使得弹性模量的获取不直观，需要做校正；3.该方法通常一次只能监测试样中某一个位置的弹性模量变化。正是由于这些缺陷，限制了这种方法在损伤测量中的进一步应用。DCPD (直流电势降)方法是一种在断裂力学中测量裂纹大小时经常采用的方法。该方法对试样通直流电，然后通过电势的变化测量裂纹的大小。而目前该方法在损伤测量这块很少应用。主要原因有:1.由于金属试样的电阻率通常很小，通常DCPD方法中为了获得能准确测量的电压降，通常都需要在试样上通较大的电流(5A-10A，甚至更大)，大电流的通过会导致试样的温度升高，会引起材料电阻率的变化；2.由于金属塑性应变过程中，材料的长度方向伸长，而宽度或径向变小，同样会引起电阻的变化；3.塑性应变过程中，由于材料发生塑性应变会导致材料的电阻率发生变化；4.在试样单向拉伸过程中，通常损伤都是与颈缩一起产生，因此由于局部塑性应变和损伤引起的材料电阻率发生的变化耦合在一起，传统的测量方法无法在颈缩阶段将两者很好的区分开发。正是由于这些困难，使得DCPD方法在损伤测量中应用不多。本发明主要通过结合DIC (数字图像相关性)方法和DCPD方法测量金属板材单向拉伸过程中的损伤演化。该方法的特点是DIC方法可以获得全场及局部塑性应变，结合DCPD方法可以很好的区分由于塑性应变(包括试样形状的变化和电阻率的变化)和由于损伤而导致电阻的变化，从而测量金属塑性应变过程中的损伤变化，且该方法的测量装置比较容易实施。
发明内容
本发明的发明目的是针对现有测量金属材料在塑性应变过程中的损伤演化的技术不足，提供一种测量金属单向拉伸中韧性损伤演化的装置及方法。
为实现上述发明目的，本发明采用的技术方案为:
提供一种测量金属单向拉伸中韧性损伤演化的装置，包括拉伸试样、绝缘板、夹具、光源、相机、直流低电阻测试仪与电脑；拉伸试样表面喷有黑白相间的自由散斑；相机和光源置于拉伸试样的正前方，且光源置于相机和拉伸试样之间；直流低电阻测试仪通过四个独立的金属夹子夹持在拉伸试样的直臂部分；绝缘板粘在拉伸试样两端的夹持部分，夹具夹持在粘有绝缘板的夹持部分，拉伸试验机提供的拉伸载荷通过夹具作用于拉伸试样上。优选地，所述绝缘板通过具有抗剪切能力的胶水粘在拉伸试样两端的夹持部分。为了保证电阻测量的准确性，通过在拉伸试样夹持处粘贴绝缘板，使得直流低电阻测试仪中的电流只通过拉伸试样，从而隔离夹具和拉伸机对电阻测量的影响。进一步地，提供一种测量金属单向拉伸中韧性损伤演化的方法，相机和直流低电阻测试仪同时记录表面喷有随机自由散斑的试样拉伸过程中的图像和电阻，通过DIC方法获得试样拉伸过程中的应变场，结合试样拉伸过程中的应变增量和电阻增量，间接获取拉伸过程中的损伤演化规律。具体的，包括以下步骤:
1)在拉伸试样表面喷涂随机自由散斑；
2)拉伸试样两端的夹持部分通过具有抗剪切能力的胶水粘有绝缘板，使拉伸试样与拉伸试验机进行绝缘，以保证在拉伸过程中电阻测量的准确性；
3)单向拉伸试样通过夹具夹持并以2-5mm/min(按照试验标准ASTM-E8要求)的速度进行单向拉伸，该单向拉伸是指在拉伸试样的长度方向进行拉伸，(另外两个方向分别是宽度方向和厚度方向)；拉伸试样的两端通直流电，同时测量拉伸试样标距内的电势差变化；相机按照固定的时间间隔记录拉伸试样表面自由散斑形状的照片，直至拉伸试样被拉断；在单向拉伸过程中，拉伸试样的应变分为均匀应变阶段与非均匀应变阶段，非均匀应变阶段也为颈缩阶段，该阶段是在均匀应变之后且拉伸试样被拉断之前发生的；
4)采用DIC方法处理相机拍摄的照片，获取每个时间点上单向拉伸过程中的全场位移和应变；
5)通过前后两个时间点的全场应变的对比，获得每个时间点上全场应变所对应的应变
增量；
6)处理直流低电阻测试仪所记录的每个时间点上的电阻和电阻增量；
7)处理单向拉伸过程中的每个时间点上的电阻增量，将电阻增量按照塑性应变增量的大小进行线性分配；
8)处理单向拉伸均匀应变阶段的应变和电阻，获取均匀应变时的塑性应变和电阻以及塑性应变增量和电阻增量之间的关系；
9)处理单向拉伸非均匀应变阶段的应变增量和电阻增量之间的关系，分离由于塑性应变和由于损伤而引起的电阻变化，并剔除由于塑性应变而导致的电阻变化，获得仅仅由于损伤而引起的电阻增量；
10)根据损伤和电阻之间的关系，最终获得塑性应变与损伤量之间的关系。 优选地，步骤I)中，首先通过在拉伸试样表面喷涂白色手喷漆作为底色，然后再喷涂一层黑色散点，从而获得黑白相间的自由散斑。步骤I)中，为保证试样应变计算的准确性，所述相机的镜头固定在三脚架上，且与拉伸试样表面保持垂直；相机记录照片的时间间隔视材料的不同而不同，至少拍摄40-50次以上；以保证能完全反映整个拉伸过程中材料的塑性应变；尤其是材料开始发生不均匀应变后，要保证有足够的数据点，以保证计算损伤演化规律时的准确性。优选地，所述直流低电阻测试仪的精度为10_卜10_5欧姆。由于金属的电阻率比较小，因此必须要采用高精度的直流低电阻测试仪，其精度最好应达到10_卜10_5欧姆。而且所通直流电如果太大，会导致材料在拉伸过程中温度升高以及材料力学性能发生明显变化，因此所通直流电最好要小于I安培。电阻值测量频率一般在每秒10次左右。优选地，步骤3)中，所通直流电小于I安培；电阻值测量频率为每秒9-11次。本发明相对于现有技术，具有以下有益效果:
本发明通过相机和直流低电阻测试仪同时记录表面喷有随机自由散斑的试样拉伸过程中的图像和电阻，通过DIC方法获得试样拉伸过程中的应变场，结合试样拉伸过程中的应变增量和电阻增量，间接获取拉伸过程中的损伤演化规律。首先分析试样均匀应变阶段的应变增量和电阻增量之间的关系，获得材料在只发生均匀塑性应变时的应变与电阻之间的关系；其次分析试样在非均匀应变阶段，即产生颈缩后的应变增量与电阻增量之间的关系，并与均匀应变阶段的应变-电阻关系进行对比分析，从而获得拉伸过程中的损伤演化规律；本发明的测试平台比较容易搭建，测量过程简单；采用DIC方法可以测量全场应变，无需对单向拉伸过程实施复杂加载卸载控制以及中断试验过程多次更换应变片，减少由于多次人工干预试验过程而带来的误差；同时，避免了对不均匀应变或颈缩发生后的三向应力状态进行校正；克服了单纯DCPD方法无法处理非均匀应变的缺点，拓展了该方法的应用范围，使之可以用来测量金属塑性应变过程中的韧性损伤。
图1是测量金属单向拉伸中韧性损伤演化的装置及原理 图2是被测拉伸试样示意 图3是SPCC材料时间-载荷曲线及时间-电阻曲线；
图4是SPCC材料拉伸颈缩阶段某载荷步的应变分布图(正面)；
图5是SPCC材料拉伸颈缩阶段某载荷步的应变分布图(侧面)；
图6是SPCC拉伸试样沿着拉伸方向的中间截面在整个拉伸过程中的应变变化；
图7是SPCC拉伸标距内最大塑性应变位置的应变与材料损伤前后的电阻关系 图8是SPCC拉伸试样标距内最大塑性应变位置的应变与损伤关系 图9是SUS304材料时间-载荷曲线及时间-电阻曲线；
图10是SUS304材料拉伸颈缩阶段某载荷步的应变分布图(侧面)；
图11是SUS304拉伸试样标距内最大塑性应变位置的应变与材料损伤前后的电阻关系
图12是SUS304拉伸试样标距内最大塑性应变位置的应变与损伤关系图。
具体实施例方式下面结合附图和具体实施例对本发明的发明目的作进一步详细地描述，实施例不能在此一一赘述，但本发明的实施方式并不因此限定于以下实施例。除非特别说明，本发明采用的材料和加工方法为本技术领域常规材料和加工方法。实施例1
材料:SPCC (宝钢)
拉伸试样制备:按照ASTM标准小试样，通过线切割制备，几何尺寸如图2所示。测试平台搭建:在图1中，在制备的拉伸试样I表面喷涂随机自由散斑，通过强力胶水在试样夹持部分粘上绝缘板2，然后通过拉伸试验机的夹具3把拉伸试样夹持住。在拉伸试样I的正面或旁边放置光源4，在正面一定距离处通过三脚架固定相机5，保证相机的镜头与拉伸试样表面垂直。直流低电阻测试仪6的四根引线分别接到拉伸试样I的直臂部分，需要注意的是这四根引线中有两根是通直流电，另外两根是测试电压降，因此通直流电的两根引线必须放在测电压降的两根引线的外面。最后，将相机5和直流低电阻测试仪6通过数据传输线接入电脑7， 通过电脑7上的控制软件控制相应的拍摄参数和采样参数。为了保证拉伸在试样拉伸过程中，尤其是颈缩阶段能否有足够的数据，相机的拍摄速度可以控制在每两秒或五秒拍摄一张照片。直流低电阻测试仪的采样频率则可以控制在每秒采样两次到十次。测试数据处理:在测试平台和仪器都准备好之后，就可开始拉伸试样I的单向拉伸。拉伸过程中，拉伸机记录拉伸过程中的载荷变化，拉伸试样的应变则通过相机I拍摄的图片记录，在拉伸过程中，拉伸试样标距部分的电阻变化则通过直流低电阻测试仪6记录，直到拉伸试样I被拉断。拉伸试样I和直流低电阻测试仪6所测试的数据如图3所示，分别记录了拉伸过程中载荷及电阻的变化。拉伸试样I在拉伸过程中的全场应变则通过DIC方法进行处理，其中颈缩阶段某个载荷步的全场应变分布如图4 (正面)和图5 (侧面)所示。以拉伸试样沿着拉伸方向的中间截面在整个拉伸过程中的应变变化如图6所示。把整个拉伸过程分成均匀拉伸阶段和非均匀拉伸阶段，在均匀拉伸阶段可以获取应变与电阻之间的关系，并认为在非均匀阶段，如果材料没有发生损伤，则这种关系仍然成立。在非均匀应变阶段，标距内由于塑性应变和损伤而引起的电阻增量按照应变增量的大小进行先行分配，由此可以获得拉伸试样标距内各点的塑性应变和电阻之间的关系。拉伸试样标距内最大塑性应变位置的应变与电阻之间的关系如图7所示。根据各点材料损伤前
后电阻比值与损伤值之间的关系
权利要求
1.一种测量金属单向拉伸中韧性损伤演化的装置，其特征在于:包括拉伸试样、绝缘板、夹具、光源、相机、直流低电阻测试仪与电脑；拉伸试样表面喷有黑白相间的自由散斑；相机和光源置于拉伸试样的正前方，且光源置于相机和拉伸试样之间；直流低电阻测试仪通过四个独立的金属夹子夹持在拉伸试样的直臂部分；绝缘板粘在拉伸试样两端的夹持部分，夹具夹持在粘有绝缘板的夹持部分，拉伸试验机提供的拉伸载荷通过夹具作用于拉伸试样上。
2.根据权利要求1所述的测量金属单向拉伸中韧性损伤演化的装置，其特征在于:所述绝缘板通过具有抗剪切能力的胶水粘在拉伸试样两端的夹持部分。
3.根据权利要求1或2所述的测量金属单向拉伸中韧性损伤演化的方法，其特征在于:相机和直流低电阻测试仪同时记录表面喷有随机自由散斑的试样拉伸过程中的图像和电阻，通过DIC方法获得试样拉伸过程中的应变场，结合试样拉伸过程中的应变增量和电阻增量，间接获取拉伸过程中的损伤演化规律。
4.根据权利要求3所述的测量金属单向拉伸中韧性损伤演化的方法，其特征在于包括以下步骤: 1)在拉伸试样表面喷涂随机自由散斑； 2)拉伸试样两端的夹持部分通过具有抗剪切能力的胶水粘有绝缘板，使拉伸试样与拉伸试验机进行绝缘，以保证在拉伸过程中电阻测量的准确性； 3)单向拉伸试样通过夹具夹持并以2-5mm/min的速度进行单向拉伸,该单向拉伸是指在拉伸试样的长度方向进行拉伸；拉伸试样的两端通直流电，同时测量拉伸试样标距内的电势差变化；相机按照固定的时间间隔记录拉伸试样表面自由散斑形状的照片，直至拉伸试样被拉断；在单向拉伸过程中，拉伸试样的应变分为均匀应变阶段与非均匀应变阶段，非均匀应变阶段也称为颈缩阶段，该阶段是在均匀应变之后且拉伸试样被拉断之前发生的； 4)采用DIC方法处理相机拍摄的照片，获取每个时间点上单向拉伸过程中的全场位移和应变； 5)通过前后两个时间点的全场应变的对比，获得每个时间点上全场应变所对应的应变增量； 6)处理直流低电阻测试仪所记录的每个时间点上的电阻和电阻增量； 7)处理单向拉伸过程中的每个时间点上的电阻增量，将电阻增量按照塑性应变增量的大小进行线性分配； 8)处理单向拉伸均匀应变阶段的应变增量和电阻增量，获取均匀应变时的塑性应变和电阻以及塑性应变增量和电阻增量之间的关系； 9)处理单向拉伸非均匀应变阶段应变增量和电阻增量之间的关系，分离由于塑性应变和由于损伤而引起的电阻变化，并剔除由于塑性应变而导致的电阻变化，获得仅仅由于损伤而引起的电阻增量； 10)根据材料的塑性变形以及损伤前后电阻比值与损伤值之间的关系，最终获得塑性应变与损伤量之间的关系。
5.根据权利要求4所述的测量金属单向拉伸中韧性损伤演化的方法，其特征在于:步骤I)中，首先通过在拉伸试样表面喷涂白色手喷漆作为底色，然后再喷涂一层黑色散点，从而获得黑白相间的自由散斑。
6.根据权利要求4所述的测量金属单向拉伸中韧性损伤演化的方法，其特征在于:步骤I)中，所述相机的镜头固定在三脚架上，且与拉伸试样表面保持垂直；相机记录照片的时间间隔视材料的不同而不同，至少拍摄40-50次以上。
7.根据权利要求4所述的测量金属单向拉伸中韧性损伤演化的方法，其特征在于:所述直流低电阻测试仪的精度为10-卜10_5欧姆。
8.根据权利要求4所述的测量金属单向拉伸中韧性损伤演化的方法，其特征在于:步骤3)中，所通直流电小于I安培 ；电阻值测量频率为每秒9-11次。
全文摘要
本发明公开了一种测量金属单向拉伸中韧性损伤演化的装置及方法，通过相机和直流低电阻测试仪同时记录表面喷有随机自由散斑的试样拉伸过程中的图像和电阻，通过DIC方法获得试样拉伸过程中的应变场，结合试样拉伸过程中的应变增量和电阻增量，间接获取拉伸过程中的损伤演化规律。
文档编号G01N3/06GK103149086SQ20131001261
公开日2013年6月12日 申请日期2013年1月15日 优先权日2013年1月15日
发明者张赛军, 袁宁, 周旭辉 申请人:华南理工大学