CN101319987B - 金属材料介观力学测试装置 - Google Patents

Abstract

本发明属材料测试装置领域，它由材料拉、压力双向加载闭环实验系统、介观光学观察成像、光电转换及信号转换装置、试验应力应变曲线采集、接受装置、编制有关计算机程序、图像分析系统组成，应用于研究材料于介观尺度下变形行为的仪器。它的开发和应用对材料科学的发展有重大意义。材料介观力学测试装置的研制成功给材料研究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研究手段。

Description

金属材料介观力学测试装置 

技术领域

本发明属材料测试装置领域。 

背景技术

金属材料介观力学是研究介于宏观尺度的材料特性与微观的晶体结构尺度之间的新的材料变形行为的研究手段。金属材料介观力学研究的对象为材料介观团块，在实时承载状况下，介观亚结构及动态结构的变形规律以及断裂行为。金属材料介观力学测试装置是一种金属材料特性评价的新的测试手段。以往的金属材料特性评定只分为两大类，一是宏观的力学性能测试分析，其中包括材料的屈服强度，断裂强度，延展率和硬度等宏观的力学评价指标。另一类为借助与高分辨率的显微镜等分析手段，分析金属材料的微观结构，微观形貌，成分和金相。值得注意的是在这两者之间存在着一个较大的空间，从宏观到微观尺度跨越大约为四个数量级，这就导致了两种评价结果之间的相关性较差，而且两种评价结果之间的联系受到的影响因素较复杂，即每一种微观结果所占的比重很微小，其它结果影响因子将会显得过强，而掩盖了原有结果对宏观力学行为的影响，这就使得用微观的组织分析所得结果来构造材料的宏观力学性能存在一定的困难。这是金属材料研究面临的一个重要问题。目前俄罗斯国在介观力学这一方面做了一些工作，而俄罗斯的材料介观力学测试设备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量。不能得到材料真实的应力应变信息，将会影响所得结果的科学价值，捕捉不到材料真实行为密切相关的信息。 

发明内容

本发明的目的是提供一种可用于观察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。并且对材料变形过程中的试样的全场、形变旋量场和应变等值量场进行实时分析的装置。 

本发明由下列系统组成 

A、材料拉、压力双向加载闭环实验系统： 

小型卧式对拉、对压式加载台，传动形式为同轴传动。 

试验力为对拉、压加载方式，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； 

B：介观光学观察成像、光电转换及信号接收装置： 

光路成像系统 

采用内置光源，组合透镜成像。 

CCD图象接收系统性能 

MVC1000型电荷耦合型(CCD)图像传感器，采用隔行传输。100万象束，采祯速度为15祯/秒，信噪比为50； 

图象程序系统 

将CCD采集的图像，快速存储。最大速度可达到15帧/秒，图片记录时刻精确到毫秒级。并且根据图像形态学、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，图象放大倍数2-200倍。 

C：试验应力应变曲线采集、接收装置；

在试验加载过程中，通过力值传感器感应出微弱的输出电信号，经放大电路将模拟信号放大，由A/D转换器转换为数字信号，输入电脑进行编辑处理。力值测量精度为±1％，每一档精度达到±1％； 

在试样加载过程中，试样受力部分的变形是通过超小型大量程位移信号引伸计感应微弱的输出电信号，经放大电路将模拟信号放大，由AD转换器转换为数字信号，输入电脑进行编辑处理。应变测量精度为±0.5％，测量原始标距为5mm，应变测量量程为0-5mm，最大应变量相当于100％；将位移信号和力值信号综合处理为位移-力值曲线的时刻(毫秒级)数据表。该数据可储存、可编辑、可以曲线形式显示，曲线可自动调节量程。 

D、编制有关计算机程序： 

计算机系统进行实时、同时接收和处理介观观察图像和应力应变信号，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，得到材料在实时时刻(毫秒级)的应力、应变的情况下介观动态行为的图像。 

F、图象分析系统： 

图象分析系统的主要功能为对连续图片进行X、Y方向应变分量分析；形变旋量场分析，输出材料变形过程的同步、应变等值场云图和形变旋量场云图和数据等参数。 

本发明优点 

研制的材料介观力学测试装置是用于研究材料于介观尺度下变形行为的仪器。材料介观力学测试仪的建立给材料研究提供介观尺度的、断裂规律的信息。材料介观力学是材料研究的不可忽略的重要方面，是金属物理学的一个新的认知领域和研究方向。开展介观力学的研究，建立介观力学研究手段，进一步将宏观和微观结构相结合，为金属物理的研究提供一个新的研究手段是非常必要的。材料介观力学测试装置的开发和应用对材料科学的发展有重要意义的，在学术意义上和应用领域有广阔的、久远的前景。 

附图说明

图1为本发明装置的示意图； 

图2为本发明的实物装置图。 

具体实施方式

参阅图1在材料拉、压力双向加载闭环实验系统6内有小型卧式对拉、对压式的加载台，通过光学成像系统1和CCD图像接收系统2将采集的图像通过介观图像采集系统和A/D信号转换系统快速存储于电脑中。在试验加载过程中通过力值传感器3感应出微弱的输出电信号，经载荷信号采集，由A/D转换器转换为数字信号，输入电脑，同时在试样4加载过程中，试样受力部分的变形是通过超小型大量程位移信号引伸计5与感应微弱输出信号经应变信号采集，由A/D转换器转换为数字信号输入电脑进行编辑处理，计算机系统进行实时，同时接收和处理介观观察图像和应力应变信号，编辑存储为数据文件，于介观观察图像界面的右下角显示实时时刻的、有标尺的、应力应变及时刻曲线。图像分析系统的主要功能为对连续图片进行X、Y方向应变分量分析；形变旋量场分析。

Claims (1)

1.一种金属材料介观力学测试装置，其特征是由下列系统组成：

A、材料拉、压力双向加载闭环实验系统(6)：

小型卧式对拉、对压式加载台，传动形式为同轴传动，加载台上加载试样(4)；

试验力为对拉、压加载方式，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；

B：介观光学观察成像、光电转换及信号接收装置：

试样(4)上方设置光路成像系统(1)，光路成像系统(1)与CCD图象接收系统(2)连接，图象接收系统(2)经介观图像采集系统和A/D信号转换系统与计算机相连；

光路成像系统(1)

采用内置光源，组合透镜成像；

CCD图象接收系统(2)

MVC1000型电荷耦合型CCD图像传感器，采用隔行传输，100万象束，采祯速度为15祯/秒，信噪比为50；

图象程序系统

将CCD采集的图像，快速存储，最大速度可达到15帧/秒，图片记录时刻精确到毫秒级，并且根据图像形态学、计算机图形学数学算法，对所采集图像进行校正、复原和识别、测量处理，计算机储存、界面显示编辑，图象放大倍数2-200倍；

C：试验应力应变曲线采集、接收装置

试样(4)与力值传感器(3)相连，力值传感器(3)再经载荷信号采集器和A/D转换器与计算机连接；试样(4)与位移信号引伸计(5)相连，位移信号引伸计(5)再经应变信号采集器和A/D转换器与计算机连接；

在试验加载过程中，通过力值传感器感应出微弱的输出电信号，经放大电路将模拟信号放大，由A/D转换器转换为数字信号，输入电脑进行编辑处理，力值测量精度为±1％，每一档精度达到±1％；

在试样加载过程中，试样受力部分的变形是通过超小型大量程位移信号引伸计感应微弱的输出电信号，经放大电路将模拟信号放大，由AD转换器转换为数字信号，输入电脑进行编辑处理，应变测量精度为±0.5％，测量原始标距为5mm，应变测量量程为0-5mm，最大应变量相当于100％；将位移信号和力值信号综合处理为位移-力值曲线的时刻毫秒级数据表，该数据可储存、可编辑、可以曲线形式显示，曲线可自动调节量程；

D、编制有关计算机程序：

计算机系统进行实时、同时接收和处理介观观察图像和应力应变信号，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，得到材料在实时时刻毫秒级的应力、应变的情况下介观动态行为的图像；

F、图象分析系统：

图象分析系统的主要功能为：对连续图片进行主X、Y方向应变分量分析；形变旋量场分析，输出材料变形过程的同步、应变等值场云图和形变旋量场云图的数据参数。

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