專利名稱：材料介觀力學(xué)的測試方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬材料測試領(lǐng)域
背景技術(shù)：
目前俄羅斯在介觀力學(xué)測試方向做了一些工作。由于沒有安裝位移引 伸計，沒有同步記錄試樣受載引起的應(yīng)變量，不能得到材料真實的應(yīng)力應(yīng) 變信息和形變旋量場。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的用于在介觀尺度上研究測試金屬材料變形、塑性流變以 及開裂的介觀亞結(jié)構(gòu)和對應(yīng)的應(yīng)力應(yīng)變行為。測量得到試樣加載任一時刻 的應(yīng)力應(yīng)變數(shù)據(jù)，介觀動態(tài)形貌圖像，以及對應(yīng)于每一時刻的，分析視野 內(nèi)的應(yīng)變等值量場和形變旋量場。
本發(fā)明的測試步驟如下
a試樣夾持于實驗機加載臺；
b將試樣觀察表面置于觀察鏡觀察位置；
C在試樣上安裝夾式位移引伸計以記錄試樣拉伸過程的真實應(yīng)變量； d開動試驗機并加載，記錄實時載荷P-應(yīng)變〖-時刻T (毫秒級)數(shù)據(jù)； e觀察成像系統(tǒng)實時接收試樣表面介觀形貌每一時刻的圖象(毫秒級)； f計算機界面同時顯示試樣表面介觀圖像界面和實時時刻(毫秒級)的、
有標(biāo)尺的、應(yīng)力應(yīng)變及時刻的曲線，并同時采集和存儲； g用圖象分析系統(tǒng)對介觀連續(xù)圖片所表示的部位進行X、 Y方應(yīng)變分量〃UExx、 〃〃VEyy〃進行分析；以及〃Exy〃 X-Y方向剪應(yīng)變、〃Eyx〃 Y-X方 向剪應(yīng)變進行分析。
h用圖象分析系統(tǒng)對連續(xù)圖片所表示的部位進行形變旋轉(zhuǎn)量"Omiga"旋轉(zhuǎn)
量值、〃Alpha"旋轉(zhuǎn)量場旋轉(zhuǎn)角度進行分析； i輸出材料變形過程的同步變形應(yīng)變場、旋轉(zhuǎn)量場數(shù)據(jù)； j對所得應(yīng)力應(yīng)變數(shù)據(jù)、材料變形過程的同步變形應(yīng)變場和旋轉(zhuǎn)量場數(shù)據(jù)， 結(jié)合試樣表面介觀形貌進行分析和歸納。
材料介觀力學(xué)研究的對象為材料介觀團塊(宏觀尺度與微觀尺度之間)， 在實時承載狀況下，介觀亞結(jié)構(gòu)(動態(tài)結(jié)構(gòu))的變形規(guī)律以及斷裂行為。 介觀圖像為金屬材料介于宏觀與微觀尺度之間的材料變形、塑性流變以及 開裂的介觀結(jié)構(gòu)、應(yīng)力應(yīng)變行為的觀察。觀察介于宏觀與微觀尺度之間介 觀團塊在實時承載狀況下介觀亞結(jié)構(gòu)。
本發(fā)明的優(yōu)點，按照介觀力學(xué)測試的方法可對材料形變在斷裂過程中的 介觀行為有深刻的理解，提供了介觀尺度的斷裂規(guī)律的信息，為金屬物理 研究提供了一個新的測試方法。


圖l為本發(fā)明測試方法的方框圖；1、光學(xué)成像系統(tǒng)，2、 CCD圖像接收系 統(tǒng)，3、力值傳感器，4試樣，5、位移傳感器，6、等速雙向加載閉環(huán)系統(tǒng)。 圖2為實驗材料拉力實驗曲線圖。
具體實施例方式
試樣設(shè)計和制備試樣橫截面可以是方形或長方形的；為了與實驗機 支架相配合，夾持端可以是任何形狀的；可使用帶機加工缺口的或已預(yù)制裂紋的拉伸試樣，缺口處最大應(yīng)力可以從名義應(yīng)力和應(yīng)力集中因子Kt的乘
積來估算；可參考GB/T228中拉伸試驗所規(guī)定的試樣；
試驗機加載系統(tǒng)試驗采用拉、壓力雙向加載閉環(huán)實驗系統(tǒng)，傳動 形式為同軸傳動；加載形式為拉伸、壓縮、彎曲三種形式；力值測量范圍 0-2500N，可分級；實驗速度無級變速，速度范圍0.01-20mm/min;力值測量
精度為±1%，每一檔精度達到±1%，
應(yīng)力、應(yīng)變測量及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)通過力值傳感器感應(yīng)輸出電信號， 經(jīng)處理輸入電腦進行編輯。力值測量精度為±1%，每一檔精度達到±1%; 通過超小型大量程位移信號引伸計感應(yīng)位移并輸出電信號，輸入電腦進行 編輯處；應(yīng)變測量精度為土O. 5%，測量原始標(biāo)距為5咖；原始標(biāo)距為5 mm , 應(yīng)變測量量程為0-5mm，相當(dāng)于100%應(yīng)變量；將位移信號和力值信號綜合 處理為位移-力值曲線-時刻(精確到豪秒級)數(shù)據(jù)表；見表(1)位移-力 值-時刻數(shù)據(jù)可儲存、可編輯、可以曲線形式顯示，曲線可自動調(diào)節(jié)量程。 介觀圖象采集系統(tǒng)光路或其它方式成像系統(tǒng)成像；CCD圖象接收； 采禎速度為單禎采集或多禎連續(xù)采集；.采集速率為7-15禎/秒；圖片記錄 時刻精確到毫秒級；根據(jù)圖像形態(tài)學(xué)、計算機圖形學(xué)等數(shù)學(xué)算法，對所采 集圖像進行校正、復(fù)原和識別、測量等處理；計算機儲存、界面顯示編輯; 圖象放大倍數(shù)2-200倍。
編制有關(guān)計算機程序計算機系統(tǒng)進行實時、同時接收和存儲介觀觀察 圖像和應(yīng)力應(yīng)變信號；將應(yīng)力應(yīng)變信號；編輯存儲為數(shù)據(jù)文件；于介觀圖 像界面的右下角約70X70mra的區(qū)域顯示實時時刻(毫秒級)的、有標(biāo)尺的、
應(yīng)力應(yīng)變及時刻的曲線。圖象矢量分析系統(tǒng)對連續(xù)圖片所表示的試樣部位進行X、 Y方應(yīng)變分
量〃UExx〃 X方向應(yīng)變、〃VEyy〃 Y方向應(yīng)變分析;對連續(xù)圖片所表示的試樣 部位進行〃Exy〃 X-Y方向剪應(yīng)變、〃Eyx〃 Y-X方向剪應(yīng)變進行分析；對連 續(xù)圖片所表示的試樣部位進行形變旋轉(zhuǎn)量場〃Omiga〃旋轉(zhuǎn)量值、〃Alpha"
旋轉(zhuǎn)量場旋轉(zhuǎn)角度進行分析；輸出材料變形過程的同步變形；應(yīng)變等值場 云圖和數(shù)據(jù)文件；形變旋量場云圖和數(shù)據(jù)文件見表(2);
試驗步驟試樣夾持于實驗機加載臺；將試樣觀察表面置于觀察鏡觀 察位置；安裝夾式位移引伸計以記錄試樣拉伸過程的真實應(yīng)變量；開動試 驗機并加載，記錄實時載荷-應(yīng)變的時刻(毫秒級)數(shù)據(jù)；觀察成像系統(tǒng)實 時接收試樣表面介觀形貌每一時刻的圖象(毫秒級)；計算機界面同時顯示 試樣表面介觀圖像界面和實時時刻(毫秒級)的、有標(biāo)尺的、應(yīng)力應(yīng)變及 時刻的曲線，并同時采集和存儲；用圖象分析系統(tǒng)對介觀連續(xù)圖片所表示 的部位進行X、Y方應(yīng)變分量和形變旋轉(zhuǎn)量場"Omiga"旋轉(zhuǎn)量值、"Alpha"旋
轉(zhuǎn)量場旋轉(zhuǎn)角度進行分析；
結(jié)果處理和評定以鎳基合金材料為例對材料進行實驗研究，在材料進 行拉伸實驗的同時，實時拍攝的鎳基合金晶粒群在加載過程中的運動情況； 從對應(yīng)的圖2中可以觀察隨著載荷的增加，晶粒本身有延著拉伸應(yīng)力方向變 化的趨勢，伸長或在載荷過材料屈服點之后伴隨著晶粒間的轉(zhuǎn)動，轉(zhuǎn)動方 向和轉(zhuǎn)動流向可以從實時跟蹤拍攝照片中觀察；應(yīng)變和變形矢量分析尺度 可隨實驗者要求而變化，與圖象分辨率匹配。對試樣整體進行實時拍攝和 分析，能夠提供材料整體的變形行為，應(yīng)變、剪應(yīng)變等值圖，和同步動態(tài)形 ^S趨場。從而對材料承載至斷裂過程中的失效過程給以全面的了解和觀察分析，給出試驗建議。
表(l)材半働^Z力^M^
拉力(N) 應(yīng)變l (%)時刻T (時、
分、秒、毫秒)
28. 5640438700.15155390510--42--0-625
14. 2145056300.14523718510--42--12-109
1.00156185700.13000785810--42--19-218
11. 0550484900.11958311310--42--24-906
0. 71007945400.12394306610--42--29-171
10. 9871747200.11801668310--42--46-250
21. 2695533700.1192985410--42-普78
41.4482299400.11454423710--42--50-515
58.7088990200.09575645110--42--51-921
70.4135148300.09021765310--42--54-781
82.314395900.07569907410--42--56-203
96.5128616500.06362127210--42--59-46
107. 962016100.03858314410--43--7-593
97.4128086400.06439915610--43--9-46
108.715259600.04619513610--43--11-906
97.0332356300.00591314110--44--47-406
108. 327899900.02849282210-44--51-671
97.8367481900.01677167610--45--0-203
108.150006900.00909486610--45--25-890
118.303214300.00062533810--46--18-609
106.172366200.00657517210--36-109
118.481717100.00762601310--46--40-484
128. 923075400.00305757210--47--0-953
139. 992553200.02844862310--47--3-796
157.063746800.04440477610-普-6-656
168.421107100.04161858210--47--8-78
188.225806800.06041798910-普-10-921
199.912879700.0811826610-47--12-343
210.192967100.10127438510--47--15-187
225. 08471200.10239331610--47--16-609
246. 352361400.14113788410--47--19-453
258.755530800.15211523410--47--20-875
277.301771800.17445249310--47--23-734
291. 377406400.1808088291 CJ--47--25-156
305. 733752600.214284551IO-47--28-0
317.90233300.25236229910--47--30-843
328.731599800.26920147610-47--32-265
345.955234700.29722185110--47--35-109
357.052237400.32454053710-47--36—531375.910385700. 367888921 10--47--40-828
392.323837300. 387343756 10--47--42--265
415.999036500. 450790631 10--47--46--703
1067. 87707607.60927720810--52--39--265
1092. 62868207.64607949810--52--40-687
1042.73941507.77810614510--52--43--531
1074. 52108207. 7880563io-52--44--968
1091. 31900307.81728085310--52--46--390
1103. 25343307.978812003io--52--52--78
1085. 4801808.11415828410--52--56--343
1101. 13310708.15079753610--52--57--781
1112.81855808.17191149210--52--59--203
1082.38696108.36728955210--53--4-9061109. 19284308.401344038io--53--6-3121088. 92228208.82471751310--53--19--171
1116.0797808.838408022io--53--20--593
1093.81123709.070209803io--53--27--718
1127.08424509.09989643310--53--29--140
1138.45544709.119105616io--53--30--562
1127.82025609.23335702810--53--33--406
1104.8990209.433880759io--53--39--109
1118.82743309.46597639110--53--40--531
1133.38492809.54003509510--53--43--359
1121.3163509.597623673io--53--44--781
1111.28155909.6899857io--53--47--640
1121.50220609. 72241536310--53-普-62
1145. 47906909.75284560910--53--50--484
1131.6541709.89188532210--53--54--750
1146. 893237010.0212079110--53--59--31
1113.243248010.2726769710--54--6-1401136.756103010 2968576510--54--7-5621115.5247470103514025710--54--8-9841145.916539010 412189891 cj--54--11--828
1120. 421799010' 58657091io--54--16--93
1138.706475010'.59756451io層-54--17--515
1120.930392010' 6716574210--54--18--953
1148.304283010' 6832435310--54--20--375
1132.743357010L 7920009210--54--23--218
1150.704809010|. 7970249110--54--24--656
1160.769454 .010L9431977810--54--28--921
1135.166712010'.9941677710--54--30--343
1154. 845069011.0362111710--54--31--765
1137.927731011.1598822610--54--34--609
1152. 827183011 1970209710--54--461139.729028011.2901584310--54--38-890
1159. 3腿7011.3168674110--54--40-312
1134.069622011.5071244510--54--46-15
1153.00104011.5373320110--54--47.-437
1175.375633011.6380861710--54--51'-718
1148.427505011.7021533710--54--53-140
1169.048315011.7694057910--54--55--,
1146.522792011.830364110--54--57--406
1163. 336421011.8677318610--54--58--828
1146. 060151011.9521598510--55-587
1173.294918011.9780520410--55--3-:109
1158. 90 376012.1608737110--55--8-8121175. 961789012.2132148210--55--10--234
1160. 464766012.2769742210--55--11--656
1125.806176012.3886925710--55--14--515
1144. 992037012.4080059310--55--15--937
1172. 738812012.4576016210--55--17--359
1159.579386012.601941310--55--21--640
1142.420289012.6648648310--55--23--62
1164.499463012.7007437610--55--24--500
1176. 78268012.7731291310--55--27--343
1144. 47759013.0653921610--55--35--906
1154. 852093013.0942524610--55--37--328
1173,518434013.1282576410--55--38--750
1153.148554013.2885417410--55--43--62
1171.6734290IS-3240906110--55--44--484
1157.3031560IS.3861766810--55--45--921
1182.238570IS-40884309IO畫-55--47--328
1159.0424020IS.4797690610--55--48--750
1173.609654013.5204636110--55--50--187
1149. 868893013.8008812510--55--58--734
1172.09168013.8158888IO--56--o-:L56
1184. 771195013.8996686110--56--3-:t5
1168.993387014.0052686110--56--5-8591189.183654014.0845151410--56--8—7031166.95638014.2186827710--56--12--984
1180.106732014.3662386910--56--17--265
1155.153561014.4449173610--56--18-督
1165. 369721014.50579535IO-56--21--531
1176.456918014.6639877810--56--25--812
1165.456064014.7513878510--56--28--656
1150.249582015.0280516210--56--37--218
1165. 580066015.081143510--56--38--640
1125. 067237015.2159076210--56--41--500
1141.411103015.24770262IO--56--42--9211166.588374015.26675513 10--56--44-343
1155.931134015,37144688 10--56--47-203
1142.799417015.42374186 10--56--48-625
1153.403875015.47075119 10--56--50-46
1139.394583015.52406099 10--56--51-468
11 SO-715443015.54758156 10--56--52-890
ll 39.061798015.65567725 10--56--55-734
1125.337973015.87954977 10--57--2-859
1109.616557015.96131903 10--57--4-281
1137.714947016.00031161 10--57--5-703
1123.332088016,04000884 10--57--7-140
1107.160714016. 2491808 10--57--12-828
19. 99218737028. 66663823 10--57--14—250
表(2)材料變形位移矢量數(shù)據(jù)
TITLE = "PIV Result 1 "
VARIABLES = 〃X (咖)〃〃Y (咖)〃〃Z (mm) 〃"U (m/s) (m/s)〃〃Vorticity〃〃U-std〃〃V-std〃〃W-std〃〃Speed-std" ZONE T="Z0NE 001〃 1= 23 , J= 14 ， K= 1 ， F=P0INT
DT=(DOUBLE DOUBLE DOUBLE DOUBLE DOUBLE DOUBLE DOUBLE DOUBLE)
"V (m/s)〃〃W (m/s)〃"Speed Vorticity-std〃
0.089082 0
0.106484 0. 129420 0
0. 106484 0.169614 0
0. 031042 0.209802 0
0. 017卿 0.251173 0
0. 017057 0.291239 0
0. 004557 0.331347 0
-0. 001432
680844 0.
0, 000000 683702 0.
0.000000 686174 0.
0. 000000 686915 0.
0.000000 687436 0.
0. 000000 687759 0.
0.000000 687812 0. 0. 000000
0.371799 0.687801 0. 0.000911 0.000000
000000 -0.
0.000000 000000 -0.
0.000000 000000 -o.
0.000000 000000 -0.
0.000000
oooooo -o. 0. oooooo
OOOOOO -0.
o.oooooo
OOOOOO -0.
o. oooooo oooooo -a o. oooooo
625000 -4.062500 0.
o. oooooo o. oooooo
456250 -2.350000 0.
o, oooooo o. oooooo
373171 -0.868445 0.
o. oooooo o. oooooo
293750 -0.425000 0. 0. 000000 0. 000000 506250 -0. 112500 0. 0. 000000 0. 000000 500000 0.081250 0. 0. 000000 0. 000000 468750 0.112500 0. 0.000000 0.000000 231250 0.106250 0. 0. 000000 0. 000000
000000 4.110296
0. 000000 000000 2.393880
0. 000000 0000000.945227
0. 000000 000000 0.516637
0. 000000 000000 0.518599
0. 000000 000000 0.506559
0. 000000 OOOOOO0.482061
0. 000000 OOOOOO 0.254491
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 0.8163510. 160438 0
-0.075998 0.000000 0.8560910.158752 0
-0.096962 0.000000 0.895660 0. 158596 0
-0.047266 0.000000 0.938247 0.160515 0
-0.018707 0.000000 0.981533 0.161433 0
-O. 018707 0.000000
Coefficient: A B
0,0016690.0000000.0016690.0000001.0000000.0000001.0000000.0000001.0000000.0000001.0000000.0000001.0000000.0000001.0000000.000000
Source File: FA示例圖片、data-ni\nibenji004. bmp
PIV Calculate Information: Search Widnow: x=64， y=64 Calculate Step: x=24， y=24
0. 000000 0. 000000 0. 0000000. 000000 .000000 -0.871189 -0.871037 0.000000 1.231940
0.000000 0.000000 0.000000 0.000000 .000000 -2.060417 -1.881250 0.000000 2.790057
0.000000 0.000000 0.000000 0.000000 .000000 -2.352083 -1.975000 0.000000 3.071306
0.000000 0.000000 0.000000 0.000000 .000000 -0.835417 -0.825000 0.000000 1.174115
0.000000 0.000000 0.000000 0.000000 .000000 0.100000 —0.275000 0.000000 0.292617 0.000000 0.000000 0.000000 0.000000
權(quán)利要求
1、一種材料介觀力學(xué)的測試方法，其特征是采取以下步驟試樣夾持于實驗機加載臺上，將試樣觀察表面置于觀察鏡觀察位置，在試樣上安裝夾式位移引伸計以記錄試樣拉伸過程的真實應(yīng)變量，開動試驗機并加載，記錄實時載荷P-應(yīng)變ξ-時刻T毫秒級數(shù)據(jù)，觀察成像系統(tǒng)實時接收試樣表面介觀形貌每一時刻的圖象毫秒級，計算機界面同時顯示試樣表面介觀圖像界面和實時時刻毫秒級的、有標(biāo)尺的、應(yīng)力應(yīng)變及時刻的曲線，并同時采集和存儲；用圖象分析系統(tǒng)對介觀連續(xù)圖片所表示的部位進行X、Y方應(yīng)變分量″UExx、″″VEyy″進行分析；以及″Exy″X-Y方向剪應(yīng)變、″Eyx″Y-X方向剪應(yīng)變進行分析；用圖像分析系統(tǒng)對連續(xù)圖片所表示的部位進行形變旋轉(zhuǎn)量“Omiga”旋轉(zhuǎn)量值、“Alpha”旋轉(zhuǎn)量旋轉(zhuǎn)角度進行分析；輸出材料變形過程的同步形變形應(yīng)變場、旋轉(zhuǎn)量場數(shù)據(jù)；對所得應(yīng)力應(yīng)變數(shù)據(jù)、材料變形過程的同步變形應(yīng)變場和旋轉(zhuǎn)量場數(shù)據(jù)，結(jié)合試樣表面介觀形貌進行分析和歸納。
全文摘要
本發(fā)明材料介觀力學(xué)的測試方法屬材料測試領(lǐng)域，它將試樣夾于加載臺上，使試樣表面置于觀察鏡下面，試樣上安裝夾式位移引伸計，測試過程中計算機采集和存儲應(yīng)力、應(yīng)變數(shù)據(jù)，采集變形過程的介觀圖象，并對圖像進行分析和歸納。其優(yōu)點是有利對材料形變斷裂過程中的介觀行為進行分析研究，為金屬的研究提供了一種新的測試方法。
文檔編號G01N3/00GK101315317SQ200710099968
公開日2008年12月3日 申請日期2007年6月1日 優(yōu)先權(quán)日2007年6月1日
發(fā)明者孫澤明, 張金波, 朱其芳, 王福生 申請人:北京有色金屬研究總院