拉伸应力应变曲线在缩颈阶段时由系统变频的DIC测量方法与流程

本发明涉及材料力学性能测试技术领域，尤其涉及一种拉伸应力应变曲线在缩颈阶段时由系统变频的dic测量方法。

背景技术：

拉伸试验是最常用的材料力学性能测试之一，对材料在拉力作用下的应变和应力进行同时测量，并绘制拉伸应力应变曲线。所测定的拉伸性能指标是材料的基本力学性能之一，其大小表征了材料抵抗外力作用的能力，是评定材料性能的重要依据。其中，屈服强度、抗拉强度、延伸率、杨氏模量等性能指标都能从拉伸应力应变曲线中体现。目前在拉伸实验中，应力由电子万能试验机采集获得，而应变主要是利用传统引伸计来测量。

dic技术(digitalimagecorrelation，数字图像相关法)，作为一种非接触式光学测量试验技术，是一种对图像相关点进行比对的算法。dic技术的测量系统一般由照明光源、图像采集卡、ccd摄像机及计算机组成，由ccd摄像机实时采集光照下的材料图像，送至图像采集卡后，由计算机进行自动处理，获取所需要的应变等信息。其具有光路简单、环境适应性好、测量范围广以及自动化程度高等优点，已经被广泛应用于工程领域。目前在材料研究的很多方面，尤其是力学性能表征方面，已得到了愈发广泛的应用。其中最为成熟的就是通过dic技术来代替基于应变片贴附至试样而测量试样应变的应变仪、或使用接触式传感器贴附至试样而测量试样应变的传统引伸计。

在典型的塑性材料拉伸试验中，拉伸过程的应力应变曲线一般可分为四个阶段，按时间顺序，依次为弹性阶段、屈服阶段、强化阶段和缩颈阶段。在前三个阶段中，应变变化相对较慢，应变分布相对均匀，故一般情况下在此三个阶段中，拉伸试验设定的应变速率较小，故采样频率可以较低，故获得的样本量不会太大。但在缩颈阶段，因为应变是集中在缩颈位置的，故局部应变的速率会很大，在断裂点的瞬时应变变化很大，dic测量系统就需要以很高的频率才能实现实时采集应变值，这会产生大量数据，带来较重的数据处理量。尤其是考虑到因为整个拉伸过程是连续的，并不能准确预测各个阶段的开始时间，故整个拉伸测试的全程都需要使用较高的帧率进行图像采集，以满足断裂点附近的应变变化率，这将导致获得的数据量过于庞大，对计算机的性能要求也会较高，处理数据的时间成本也较高，即增加了后期处理的成本。但若以较低帧率对拉伸试验的全过程进行图像采集，则对于缩颈阶段的测量又会因为不够精细，而导致难以精确定位断裂时刻，使得应力应变曲线不够精准。

因此，在工程领域应用的基于dic测量应力应变曲线的实验中，对于不同阶段，目前主要是通过人工调节采样频率的方式，进行调频测量。即由人工根据拉伸试验中到达不同阶段的大致时间、来给予触发信号，以调整不同阶段的图像采集帧率。但是，人工方法难以相对精准地定位到缩颈点、断裂点等特征点，这就可能导致在非关键时段产生大量冗余数据，增加后期处理的花费，更可能丢失关键阶段的部分精确数据，影响采集的精度。同时人为因素的影响较大，操作难度也大，并且人工干涉的触发信号也会增加整个测量系统的负担，导致影响dic测量系统的采集稳定性。

因此，现有技术需要进一步改进和提高。

技术实现要素：

鉴于现有技术的上述缺陷，本发明所要解决的技术问题是提供一种拉伸应力应变曲线在缩颈阶段时由系统变频的dic测量方法，适用于不同种类的具有缩颈阶段的塑性金属材料，可在较少数据处理量下获得更为精确的缩颈阶段的应力应变曲线。

为实现上述目的，本发明公开了一种拉伸应力应变曲线在缩颈阶段时由系统变频的dic测量方法，应用于对具有缩颈阶段的塑性金属材料的测量中，由电子万能试验机对塑性金属材料制成的标准拉伸试样进行拉伸，由dic测量系统测量所述标准拉伸试样的实时应变；所述dic测量系统包括dic控制中心和ccd相机；所述dic控制中心控制所述ccd相机的采集频率；所述ccd相机在所述采集频率下采集所述标准拉伸试样的图像数据；所述测量方法包括以下步骤：

a：取一根标准拉伸试样，由所述电子万能试验机进行拉伸试验，在第一采集频率下，所述电子万能试验机实时记录拉伸应力；

b：所述ccd相机，在第二采集频率下，采集所述图像数据；

c：所述电子万能试验机同步传输所述拉伸应力至所述dic控制中心；

d：所述dic控制中心分析所述拉伸应力的变化趋势，实时判定所述拉伸试验所处的拉伸阶段；所述拉伸阶段依次包括弹性阶段、屈服阶段、强化阶段和缩颈阶段；

e：判定到达缩颈阶段后，所述控制中心控制所述ccd相机，在第三采集频率下、采集所述图像数据；

所述第二采集频率小于所述第三采集频率。

优选地，所述步骤d中，所述dic控制中心分析所述拉伸应力的变化趋势，具体包括：

d1：所述dic控制中心对所述拉伸应力予以中值滤波处理，获得实时应力值；

d2：所述dic控制中心对连续三个时刻的所述实时应力值实时计算相邻实时应力值间的应力值变化。

更优选地，所述步骤d中，实时判定所述拉伸试验所处的拉伸阶段，包括实时判定所述拉伸试验进入缩颈阶段，具体为：

d3：所述拉伸应力大于一预设应力值；

d4：连续三个时刻的所述应力值变化均为负数；

所述预设应力值由所述标准拉伸试样的材料性能设定。

更优选地，所述预设应力值大于所述标准拉伸试样的材料上屈服强度或比例屈服强度。

优选地，所述第一采集频率为所述第二采集频率及所述第三采集频率的整数倍。

优选地，所述标准拉伸试样的平行段的表面制备有方便辨识的散斑，所述ccd正对所述散斑并拍摄散斑图像。

更优选地，所述ccd相机连接一计算机的图像采集卡，所述散斑图像通过所述图像采集卡发送至所述计算机，所述计算机根据相邻时刻的所述散斑图像的位置差，实时计算应变值，获得应变-时间曲线。

进一步优选地，所述电子万能试验机同步传输所述拉伸应力至所述计算机，所述计算机根据所述第一采集频率，获得应力-时间曲线。

更进一步优选地，按照时间对应关系，结合所述应变-时间曲线和所述应力-时间曲线，获得应力-应变曲线。

优选地，在所述步骤a之前，还包括步骤：

a0：取一根标准拉伸试样，由所述电子万能试验机进行拉伸试验至断裂，获取拉伸应力-时间曲线，计算材料上屈服强度或比例屈服强度。

有益效果：本发明公开了一种拉伸应力应变曲线在缩颈阶段时由系统变频的dic测量方法，适用于不同种类的具有缩颈阶段的塑性金属材料。首先根据电子万能试验机在拉伸标准拉伸试样过程中、实时记录的拉伸应力的变化趋势，由dic控制中心计算并判断所述拉伸试验所处的拉伸阶段到达缩颈阶段；然后所述dic控制中心发送第三采样频率给ccd相机，控制ccd相机以更高的采样频率采集所述标准拉伸试样的图像数据。从而由系统根据采集到的应力-时间曲线，自动判断并实施变频，减少数据采集量，降低对计算机性能的要求，还可提高dic测量的准确度，获得更为精确的缩颈阶段应力应变曲线，从而更加精准地定位断裂点，给出更加精确的延伸率等性能指标。

以下将结合附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果作进一步说明，以充分地了解本发明的目的、特征和效果。

附图说明

图1是本发明的一个较佳实施例中拉伸应力应变曲线测量的流程图；

图2是dic控制中心判断到达缩颈阶段的流程图；

图3是本发明的一个较佳实施例中标准拉伸试样设计图；

图4是本发明的一个较佳实施例中测得的应力-时间曲线和应力变化-时间曲线图；

图5是本发明的一个较佳实施例中测得的应力-应变曲线图；

图6是本发明的一个较佳实施例中在缩颈阶段后期，以不同采集频率采集的应力-应变曲线对比图。

图中，1.标准拉伸试样、2.散斑分布区域、3.工程应力曲线、4.工程应力变化曲线、5.1hz采集曲线、51.1hz断裂点、6.7hz采集曲线、61.7hz断裂点。

具体实施方式

以下参考说明书附图介绍本发明的多个优选实施例，使其技术内容更加清楚和便于理解。本发明可以通过许多不同形式的实施例来得以体现，本发明的保护范围并非仅限于文中提到的实施例。

在附图中，结构相同的部件以相同数字标号表示，各处结构或功能相似的组件以相似数字标号表示。附图所示的每一组件的尺寸和厚度是任意示出的，本发明并没有限定每个组件的尺寸和厚度。为了使图示更清晰，附图中有些地方适当夸大了部件的厚度。

本发明提供了一种拉伸应力应变曲线在缩颈阶段时由系统变频的dic测量方法，应用于对具有缩颈阶段的塑性金属材料的测量中，由电子万能试验机对由塑性金属材料制成的标准拉伸试样1进行拉伸，由dic测量系统测量所述标准拉伸试样1的实时应变；所述dic测量系统包括dic控制中心和ccd相机；所述dic控制中心控制所述ccd相机的采集频率；所述ccd相机在所述采集频率下采集所述标准拉伸试样1的图像数据；所述测量方法的具体流程请见图1：

图1是本发明的一个较佳实施例中拉伸应力应变曲线测量的流程图，在测量之前，首先需要制作符合所述电子万能试验机要求的标准拉伸试样1，制成后取一根所述标准拉伸试样1，放置于所述电子万能试验机的样品槽中，由所述电子万能试验机进行拉伸试验直至拉断。并在拉伸试验的同时读取并记录所述标准拉伸试样1的拉伸应力-时间曲线，并获得所述标准拉伸试样1的材料屈服强度或比例屈服强度。例如，获得所述标准拉伸试样1的材料比例屈服强度为900mpa。

换取另一根标准拉伸试样1，同样放置于所述电子万能试验机的样品槽中，进行拉伸试验，在第一采集频率下，所述电子万能试验机实时记录拉伸应力。同时，正对所述标准拉伸试样1，设置所述ccd相机，在拉伸过程中，在第二采集频率下，采集所述图像数据，反馈至所述dic控制中心。

同时，所述电子万能试验机与所述dic控制中心相联动，所述电子万能试验机同步传输所述拉伸应力至所述dic控制中心。所述dic控制中心分析所述拉伸应力的变化趋势，实时判定所述拉伸试验所处的拉伸阶段。具体地，所述拉伸阶段依次包括弹性阶段、屈服阶段、强化阶段和缩颈阶段。所述dic控制中心主要是判断拉伸过程是否到达所述缩颈阶段。其判断过程如图2所示：

首先，所述拉伸应力等加载数据从所述电子万能试验机同步传输至所述dic控制中心，然后所述dic控制中心对所述拉伸应力予以中值滤波处理，获得实时应力值。对于某个时刻的实时应力值σi，首先判断所述实时应力值σi是否大于一个预设应力值σ0。并且，只有当所述实时应力值σi大于所述预设应力值σ0时，才判定所述拉伸已经经过了屈服阶段，因为在所述屈服阶段，应力值会小幅上下波动，可能引起误判。即首先判定以下式(1)成立：

σi>σ0(1)

其中，所述预设应力值σ0应根据所述标准拉伸试样1的材料而设定，通常，所述预设应力值σ0需要大于所述标准拉伸试样1的材料上屈服强度或比例屈服强度，并且需要超过一定的幅度，例如超过10mpa。

其次，当所述实时应力值σi已判定为大于所述预设应力值σ0后，所述dic控制中心再对连续三个时刻的所述实时应力值加以判断，只有当判断为持续下降时，才说明测量已进入缩颈阶段。具体地，所述dic控制中心对连续三个时刻的所述实时应力值，实时计算相邻的实时应力值间的应力变化值δσi，并且，需要满足下式：

δσi<0，δσi-1<0，δσi-2<0，其中δσi＝σi-σi-1(2)

其中，δσi表示i时刻及前一个采集时刻i-1时刻之间的应力变化值，上式表示连续三个时刻的所述应力变化值均为负数。

所述标注拉伸试样1的几何结构请参见图3，在一个实施例中，具体可为：制作厚度为1.4mm，总长200mm的平板形试样，并且在中间部分设置光滑收缩的平行段，例如图2中的通过半径25mm的圆弧光滑连接所述平行段。所述平行段的长度为60mm，宽度为12mm。并且，为了方便识别ccd相机采集的图像数据中点的定位，在一个更佳的实施例中，在所述平行段上还设置散斑分布区域2，所述散斑分布区域2中规则排列有一组用于辨识的散斑，ccd相机的镜头即对准所述散斑分布区域2拍摄到散斑图像，从而方便后期对所述图像数据上变形的读取。在一个更佳的实施例中，为了增强对比度，方便所述ccd相机采集，所述标注拉伸试样1上先喷一层白色底漆，然后用黑漆在所述散斑分布区域2的白色底漆表面上，均匀喷上黑色小斑点，构成为散斑。当然，喷漆时应避免出现较大的黑色斑点。

在一个实施例中，例如所述预设应力值σ0设定为910mpa，即为所述比例屈服强度900mpa+超出值10mpa。即要求：

σi>910mpa(1.1)

并且，所述dic控制中心检测到在i时刻向前连续三个时刻i,i-1,i-2的所述实时应力值都是在持续减小中，则可判断拉伸已经进入缩颈阶段，此时，所述dic控制中心改变所述ccd相机的采集频率，在第三采集频率下，采集所述图像数据。

而所述第三采集频率应大于所述第二采集频率，即当所述拉伸位于所述缩颈阶段后，应该增加采集频率，以应对所述应变的加快变化。例如，在一个实施例中，所述第二采集频率设置为低频，1-2hz，而所述第三采集频率设置为高频，例如7hz以上。

为了与所述电子万能试验机采集得的应力-时间曲线相对应，即保证在每个所述图像数据的采集时刻，都对应有采集得的应力值，故所述第一采集频率需要为所述第二采集频率及所述第三采集频率的整数倍。

为了方便处理数据，所述ccd相机连接至一计算机的图像采集卡，所述散斑图像通过所述图像采集卡发送至所述计算机，所述计算机根据相邻时刻的所述散斑图像的位置差，实时计算应变值，获得应变-时间曲线。

并且，所述电子万能试验机也同步传输所述拉伸应力至所述计算机，所述计算机根据所述第一采集频率，获得应力-时间曲线。

在一个较佳实施例中，所述电子万能试验机采集得的应力-时间曲线如图4所示，并且，图4中同时由计算机处理，绘制出了应力变化-时间的曲线图。图中可见，在拉伸的起始阶段，所述应力基本随时间线性快速增加，直至约30秒后，进入屈服阶段，但所述应力仍然是随着时间而增加，只是增长非常缓慢，应力变化值δσi接近为0。在约80秒时，进入缩颈阶段，应力在达到峰顶后，开始持续下降，应力变化值δσi转为负值，并且下降的幅度也开始增加，过渡至所述应力值急剧下降，表明所述标准拉伸试样1马上被拉断。

结合图4的应力-时间曲线和所述应变-时间曲线，按照时间对应关系，可以得到所述标准拉伸试样1在拉伸过程中的应力-应变曲线，如图5所示。图中可见，在拉伸的最后阶段，即进入所述缩颈阶段后，应力随着应变的增加而急剧下降，因此需要增加应变的采集频率，即所述第三采集频率需要高于所述第二采集频率。

在拉伸的最后阶段，即所述缩颈阶段，所述应力-应变图如图6所示。图中显示了以两种采集频率采集所述图像数据，并计算应变后得到的两条曲线：1hz采集曲线5与7hz采集曲线6。图中可以看出，在缩颈阶段的开始段，不同的采集频率所采集的数据变化不大，两条曲线保持基本重合。但是，若继续使用所述第二采集频率，即以1hz采集时，应力基本显示为光滑下降，而1hz断裂点51在紧挨6.7秒后发生。但当改变为第三采集频率，即以7hz采集时，在最后阶段，应力并非光滑下降，其下降仍然具有小幅度的摆动，并且所获得的7hz断裂点61要更晚一些，推迟至接近6.8秒之前。

可见采用所述第三采集频率，可以揭示更细节的应力-应变曲线变化。

综上所述，本发明提供了一种拉伸应力应变曲线在缩颈阶段时由系统变频的dic测量方法，适用于不同种类的具有缩颈阶段的塑性金属材料。首先根据电子万能试验机在拉伸标准拉伸试样过程中、实时记录的拉伸应力的变化趋势，由dic控制中心计算并判断所述拉伸试验所处的拉伸阶段到达缩颈阶段；然后所述dic控制中心发送第三采样频率给ccd相机，控制ccd相机以更高的采样频率采集所述标准拉伸试样的图像数据。从而由系统根据采集到的应力-时间曲线，自动判断并实施变频，减少数据采集量，降低对计算机性能的要求，还可提高dic测量的准确度，获得更为精确的缩颈阶段应力应变曲线，从而更加精准地定位断裂点，给出更加精确的延伸率等性能指标。

以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。