一种非接触式管材高温CSR值测试系统及方法与流程

本发明涉及金属材料塑性成形加工领域，尤其涉及一种非接触式管材高温csr值测试系统及方法。

背景技术：

管路构件是航空、航天、汽车等高端领域起生命控制线的一类量大面广的关键构件，迫切要求该类构件的成形制造朝着高性能、轻量化以及高可靠的方向发展，同时构件性能的检测也是产品出厂和服役前至关重要的一个环节。收缩应变比(csr)是反映金属管材各向异性以及评价后续成形性能和服役性能的重要指标，一般通过室温单轴拉伸作用下管材圆周方向塑性真应变和壁厚方向塑性真应变的比值来计算得到，研究表明csr值的大小与管材的在室温变形能力存在显著的关系。然而管路构件在服役过程中往往长期处于高温环境当中，而且对于高强钛合金管和高强钢管等难变形材料，后续的弯曲、胀形、扩口等成形工艺需要辅助外加热场来实现，高温条件下管材csr值与室温条件往往存在差别，同时在成形过程中csr值也是不断变化的。因此，急需开发一种能够实现高温条件下金属管材csr值准确测量的方法。

目前，金属管材csr值测试的相关研究，一直受到大量科研工作者和相关企业的重视。saeas4076-1987和gb/t34645-2017标准给出的csr值测试方法，预先在管材标距段轴线方向和圆周方向划线，将管材室温拉伸至总延伸率的3.75％后停止试验，通过测量管材标距长度和外径的变化计算得到管材的轴向塑性真应变和周向塑性真应变，最终确定管材在室温下的csr值，该方法只能获得的室温特定应变所对应的一个定值，同时划线和测量的过程较为复杂，极易产生误差而影响测试精度。授权公告号为cn201310025661.5和cn201310024313.6的发明专利分别公开了一种连续测定钛合金管材收缩应变比变化的方法和获得钛合金管连续变化的收缩应变比的方法，上述两种测试方法均可以获得钛合金管在拉伸过程中的csr值变化趋势，但是也仅是针对钛合金管室温拉伸的测试方法，并且采用的是管材轴向和周向的塑性应变值进行csr值计算，而非塑性真应变，因此测量结果存在一定的偏差。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种非接触式管材高温csr值测试系统及方法，克服现有测试方法不能准确获得高温拉伸变形条件下管材连续变化csr值的不足的问题。

为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：

本发明一种非接触式管材高温csr值测试系统，包括

管材高温拉伸及应变测量模块，用于进行管材高温拉伸试验及试样标距段应变场分析；所述管材高温拉伸及应变测量模块包括万能电子拉伸试验机、三维数字相关视屏应变测量系统和高温炉；所述万能电子拉伸试验机包括用于管材单向拉伸试验的整管高温拉伸夹具，所述高温炉罩设在整管高温拉伸夹具外周；所述三维数字相关视屏应变测量系统包括两个ccd相机、一块标定板和一套vic-3d应变分析软件，所述ccd相机的镜头前添加用于过滤掉热源发光的滤光片，同时采用蓝色led光源对试样进行照明；高温炉一侧设置了用于拉伸过程图片采集的观察窗，所述ccd相机将从观察窗采集到的数据传输给所述vic-3d应变分析软件；

工程应变获取和计算模块，用于截取所述管材高温拉伸及应变测量模块的单向拉伸过程中管材试样标距段周向和轴向不同位置的工程应变并计算其平均值；

与所述工程应变获取和计算模块相连的塑性真应变计算模块，用于计算单向拉伸过程中管材试样周向和轴向塑性真应变；

与塑性真应变计算模块相连的csr值计算模块，用于计算单向拉伸过程中管材csr值。

进一步的，所述ccd相机为高分辨率ccd相机。

再进一步的，所述观察窗采用耐高温石英玻璃。

再进一步的，所述高温炉配备有水冷箱和冷却水管，用于整管高温拉伸夹具和观察窗的冷却。

再进一步的，所述高温炉为可移动式高温炉。

一种非接触式管材高温csr值测试方法，其特征在于：

第一步，按照gbt228-2002标准加工管材高温拉伸试样以及相应的管塞头，并检测管材的内外径和壁厚，计算出管材的横截面积s，其中试样标距段长度为50mm；

第二步，首先采用白色耐高温油漆在拉伸试样标距段外表面喷涂一层白色的基底，而后采用黑色耐高温油漆在白色基底上轻微喷洒大小均匀的黑点形成散斑；

第三步，装夹管材试样，调节ccd相机位置、亮度和焦距，保证所拍摄的图片中散斑清晰可见且试样表面无反光；

第四步，采用标定板对相机的焦距、亮度以及坐标系等参数进行校准，并对试样拍摄一张静态照片，利用vic-3d应变分析软件基于标定和校准的参数对该静态照片进行分析计算，以检验试样表面散斑是否可以进行有效计算；

第五步，利用高温炉对试样进行加热，待管材试样加热至目标温度后保温10分钟；

第六步，采用万能电子拉伸试验机进行管材试样单向拉伸试验，并利用三维数字相关视屏应变测量系统测量拉伸过程中管材标距段外表面实时应变场信息；

第七步，基于vic-3d应变分析软件计算得到的应变场信息，为了提高测量精度，截取试样标距段外表面不同位置的轴向工程应变和周向工程应变，计算管材在单向拉伸过程中的轴向塑性真应变和周向塑性真应变的平均值；

第八步，基于计算得到的管材轴向塑性真应变和周向塑性真应变的平均值，确定管材高温csr值。

进一步的，所述管塞头的材料采用热模具钢。

再进一步的，第六步中，管材单向拉伸试验应变速率为0.001s^-1，试验进行到拉断停止，采用双ccd相机对拉伸过程中试样标距段外表面拍照并将相应照片进行存储，试验停止后利用vic-3d应变分析软件基于标定和校准的参数对所拍摄的照片中标距段外表面散斑进行分析计算，得到相应的应变场信息；

再进一步的，第七步中，计算管材在单向拉伸过程中的轴向塑性真应变和周向塑性真应变的平均值，具体包括如下步骤：

从标距段截取轴向间隔为12.5mm的a1-b1、a2-b2、a3-b3、a4-b4和a5-b5五处的工程应变并取平均值作为管材周向工程应变εec，从标距段截取a1-a5、b1-b5和c1-c5三处的工程应变并取平均值作为管材轴向工程应变εea，其中a1-a5、b1-b5和c1-c5的长度与标距段长度相同；

所述的管材周向塑性真应变由公式(1)计算得到；

所述的管材轴向塑性真应变由公式(2)计算得到；

式中，ν为材料泊松比，σt为真实应力，e为材料弹性模量；

所述的真实应力σt由公式(3)计算得到；

式中，f为单向拉伸过程中试验机采集到的拉伸载荷，s为测量得到的管材试样的横截面积。

再进一步的，基于计算得到的管材轴向塑性真应变和周向塑性真应变的平均值，并根据计算公式(4)确定管材高温csr值。

与现有技术相比，本发明的有益技术效果如下：

相比以往测试方法只能获得管材室温csr值的局限性，本发明设计了一种非接触式管材高温csr值测试方法及系统，可以有效测量管材在高温拉伸条件下的csr值，拉伸过程中采用非接触式dic视屏应变测量系统进行管材的应变测量分析，大大提高了测量精度；同时本发明在测量过程中可以选取多组管材轴向和周向的应变值并取平均用于计算相应的塑性真应变，最终确定管材高温csr值，这也有效地提高测量和计算的准确性。

附图说明

下面结合附图说明对本发明作进一步说明。

图1为非接触式管材高温csr值测试系统示意图；

图2为管材高温拉伸及应变测量模块(vic-3d应变分析软件用装有vic-3d应变分析软件的硬件代替)示意图；

图3为管材高温拉伸试样示意图；

图4为管材高温拉伸试样的管塞头主视图；

图5为管材高温拉伸试样的管塞头侧视图；

图6为管材工程应变截取位置示意图：(a)周向工程应变截取位置示意图和(b)轴向工程应变截取位置示意图；

图7为非接触式管材高温csr值测试方法的实例1得到的ta18钛合金管材csr值测量结果；

图8为非接触式管材高温csr值测试方法的实例2得到的tc4钛合金管材csr值测量结果；

附图标记说明：1、管材高温拉伸及应变测量模块；11、万能电子拉伸试验机；111、整管高温拉伸夹具；12、三维数字相关视屏应变测量系统；121、ccd相机；122、vic-3d应变分析软件；123、led光源；13、高温炉；131、观察窗；2、工程应变获取和计算模块；3、塑性真应变计算模块；4、csr值计算模块。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，以使本发明的优点和特征能更容易被本领域技术人员理解，从而对本发明的保护范围做出更为清楚明确的界点。

如图1、2所示，一种非接触式管材高温csr值测试系统的其中一种具体实施例，包括依次相连的管材高温拉伸及应变测量模块1、工程应变获取和计算模块2、塑性真应变计算模块3和csr值计算模块4。管材高温拉伸及应变测量模块1，用于进行管材高温拉伸试验及试样标距段应变场分析。工程应变获取和计算模块2，用于截取单向拉伸过程中管材试样标距段周向和轴向不同位置的工程应变并计算其平均值。塑性真应变计算模块3，用于计算单向拉伸过程中管材试样周向和轴向塑性真应变。csr值计算模块4，用于计算单向拉伸过程中管材csr值。

所述管材高温拉伸及应变测量模块1包括万能电子拉伸试验机11、三维数字相关(dic)视屏应变测量系统12和高温炉13。所述万能电子拉伸试验机11包括用于管材单向拉伸试验的整管高温拉伸夹具111，用于管材单向拉伸试验。所述高温炉13罩设在整管高温拉伸夹具111外周，用于对管材试样进行加热。所述三维数字相关(dic)视屏应变测量系统12包括两个ccd相机121、一块标定板和一套vic-3d应变分析软件122(图2中用预装有vic-3d应变分析软件的电脑硬件代替)，所述ccd相机121为高分辨率ccd相机，所述ccd相机121的镜头前添加用于过滤掉热源发光的滤光片，同时采用蓝色led光源123对试样进行照明，避免温度对测量精度的影响，高温炉起到对管材加热和保温的功能。高温炉13一侧设置了用于拉伸过程图片采集的观察窗131，观察窗采用耐高温石英玻璃，避免温度升高玻璃折射率变化对测量精度的影响，所述高温炉13配备有水冷箱和冷却水管，用于整管高温拉伸夹具111和观察窗131的冷却。所述ccd相机121将从观察窗131采集到的数据传输给所述vic-3d应变分析软件122。

所述高温炉13为可移动式高温炉，可以对高温炉配备可移动支架，方便在做室温拉伸试验时将高温炉移开。

利用上述系统的非接触式管材高温csr值测试方法。

实施例1

本实施例是一种非接触式ta18钛合金管高温csr值测试方法，选用的钛合金管规格为φ20×t1.5mm，具体步骤如下：

第一步，如图3、4、5所示，按照gbt228-2002标准加工管材高温拉伸试样以及相应的管塞头，管塞头材料采用热模具钢，并检测管材的内外径和壁厚，计算出管材的横截面积s，管材拉伸试样示意图如图3、4、5所示，其中试样标距段长度为50mm；试验机夹头不能超过管塞头最外端35mm处，如图4中q处。

第二步，首先采用白色耐高温油漆在拉伸试样标距段外表面喷涂一层白色的基底，而后采用黑色耐高温油漆在白色基底上轻微喷洒大小均匀的黑点形成散斑。

第三步，装夹管材试样，调节相机位置、亮度和焦距，保证所拍摄的图片中散斑清晰可见且试样表面无反光。

第四步，采用标定板对相机的焦距、亮度以及坐标系等参数进行校准，并对试样拍摄一张静态照片，利用vic-3d应变分析软件基于标定和校准的参数对该静态照片进行分析计算，以检验试样表面散斑是否可以进行有效计算。

第五步，利用高温炉对试样进行加热，待管材加热至400℃后保温10分钟；

第六步，采用万能电子拉伸试验机进行管材单向拉伸试验，应变速率为0.001s^-1，试验进行到拉断停止，利用双ccd相机对拉伸过程中试样标距段外表面拍照并将相应照片存储于移动工作站，试验停止后利用vic-3d应变分析软件基于标定和校准的参数对所拍摄的照片中标距段外表面散斑进行分析计算，得到相应的应变场信息。

第七步，基于vic-3d计算得到的应变场信息，为了提高测量精度，截取试样标距段外表面不同位置的轴向工程应变和周向工程应变，计算管材在单向拉伸过程中的轴向塑性真应变和周向塑性真应变的平均值，具体包括如下步骤：

根据图6(a)所示从标距段截取轴向间隔为12.5mm的a1-b1、a2-b2、a3-b3、a4-b4和a5-b5五处的工程应变并取平均值作为管材周向工程应变εec，根据图6(b)所示从标距段截取a1-a5、b1-b5和c1-c5三处的工程应变并取平均值作为管材轴向工程应变εea，其中a1-a5、b1-b5和c1-c5的长度与标距段长度相同；

所述的管材周向塑性真应变由公式(1)计算得到；

所述的管材轴向塑性真应变由公式(2)计算得到；

式中，ν为材料泊松比，σt为真实应力，e为材料弹性模量；

所述的真实应力σt由公式(3)计算得到；

式中，f为单向拉伸过程中试验机采集到的拉伸载荷，s为测量得到的管材试样的横截面积；

第八步，基于计算得到的管材轴向塑性真应变和周向塑性真应变的平均值，并根据计算公式(4)确定管材高温csr值。

ta18钛合金管高温csr值测量结果如图7所示，csr值在单向拉伸过程呈先下降后趋于稳定地变化趋势，按照saeas4076-1987以及gb/t34645-2017标准中的要求可以得到取均匀塑性变形阶段3.75％应变时的ta18钛合金管400℃条件下的csr值为2.177。

实施例2

本实施例是一种非接触式tc4钛合金管高温csr值测试方法，选用的钛合金管规格为φ13.7×t0.5mm，具体步骤如下：

第一步，如图3、4、5所示，按照gbt228-2002标准加工管材高温拉伸试样以及相应的管塞头，管塞头材料采用热模具钢，并检测管材的内外径和壁厚，计算出管材的横截面积s，管材拉伸试样示意图如图3、4、5所示，其中试样标距段长度为50mm；试验机夹头不能超过管塞头最外端35mm处，如图4中q处。

第二步，首先采用白色耐高温油漆在拉伸试样标距段外表面喷涂一层白色的基底，而后采用黑色耐高温油漆在白色基底上轻微喷洒大小均匀的黑点形成散斑。

第三步，装夹管材试样，调节相机位置、亮度和焦距，保证所拍摄的图片中散斑清晰可见且试样表面无反光。

第四步，采用标定板对相机的焦距、亮度以及坐标系等参数进行校准，并对试样拍摄一张静态照片，利用vic-3d应变分析软件基于标定和校准的参数对该静态照片进行分析计算，以检验试样表面散斑是否可以进行有效计算。

第五步，利用高温炉对试样进行加热，待管材加热至400℃后保温10分钟。

第六步，采用万能电子拉伸试验机进行管材单向拉伸试验，应变速率为0.001s^-1，试验进行到拉断停止，利用双ccd相机对拉伸过程中试样标距段外表面拍照并将相应照片存储于移动工作站，试验停止后利用vic-3d应变分析软件基于标定和校准的参数对所拍摄的照片中标距段外表面散斑进行分析计算，得到相应的应变场信息。

第七步，基于vic-3d计算得到的应变场信息，为了提高测量精度，截取试样标距段外表面不同位置的轴向工程应变和周向工程应变，计算管材在单向拉伸过程中的轴向塑性真应变和周向塑性真应变的平均值，具体包括如下步骤：

根据图6(a)所示从标距段截取轴向间隔为12.5mm的a1-b1、a2-b2、a3-b3、a4-b4和a5-b5五处的工程应变并取平均值作为管材周向工程应变εec，根据图6(b)所示从标距段截取a1-a5、b1-b5和c1-c5三处的工程应变并取平均值作为管材轴向工程应变εea，其中a1-a5、b1-b5和c1-c5的长度与标距段长度相同；

所述的管材周向塑性真应变由公式(1)计算得到；

所述的管材轴向塑性真应变由公式(2)计算得到；

式中，ν为材料泊松比，σt为真实应力，e为材料弹性模量；

所述的真实应力σt由公式(3)计算得到；

式中，f为单向拉伸过程中试验机采集到的拉伸载荷，s为测量得到的管材试样的横截面积；

第八步，基于计算得到的管材轴向塑性真应变和周向塑性真应变的平均值，并根据计算公式(4)确定管材高温csr值。

tc4钛合金管高温csr值测量结果如图8所示，csr值在单向拉伸过程呈先下降后趋于稳定地变化趋势，按照saeas4076-1987以及gb/t34645-2017标准中的要求可以得到取均匀塑性变形阶段3.75％应变时的tc4钛合金管400℃条件下的csr值为2.596。

以上所述的实施例仅是对本发明的优选方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。