CN103697823A - 用于断裂韧度的施力点位移和缺口张开位移的测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及用于断裂韧度的施力点位移和缺口张开位移的测量方法；基于面阵电荷藕合器件图像传感器CCD视觉系统，采用非接触测量方法，通过对像素的捕捉得到变形信号，信号通过图像处理和单元处理，并从图像处理软件中读出，得到施力点位移和缺口张开位移。CCD视觉系统包括：镜头、CCD相机、图像处理单元以及图像处理软件。本发明非接触测量方法舍弃了夹式引伸计和弯曲杆的附加结构，通过光学图像和图像处理软件，同时测量施力点位移和缺口张开位移，没有装卡因素和环境因素的影响，更加精确、方便、易于实验操作。同时采样速度快，测量空间范围大，精度较高，实时性能好，内置网络通信易于与计算机连接实现上位机程序的测量。

Description

用于断裂韧度的施力点位移和缺口张开位移的测量方法

技术领域

本发明涉及材料的断裂韧度（韧性）试验，特别是涉及用于断裂韧度的施力点位移和缺口张开位移的测量方法。 

背景技术

断裂韧度在断裂力学基础上建立起来的，指材料在外载荷作用下抵抗开裂和裂纹扩展的能力，也就是材料在断裂前所经历的弹塑性变形过程中吸收能量的大小。断裂韧度反映了材料的强度和塑性，是强度和塑性的综合体现。为防止低应力脆断选用材料时，根据材料的断裂韧度指标，可以对构件允许的工作应力和裂纹尺寸进行定量计算。准确地测试材料的断裂韧度不仅可确保其结构使用的安全性，而且是在新产品研发中评价其是否满足管材韧性要求的有效途径。因此，断裂韧度是断裂力学认为能反映材料抵抗裂纹失稳扩展能力的性能指标，对构件的强度设计具有十分重要的意义。传统的评价断裂韧度的参数有：应力强度因子K、裂纹尖端张开位移CTOD和J积分。裂纹尖端张开位移CTOD是由缺口张开位移计算得到，参数J是通过计算施力点位移得到的。缺口张开位移和施力点位移是一个动态的过程，在整个试验过程中数据需要动态采集，在后期的数据处理中，可以得出缺口张开位移的塑性分量，用于计算CTOD值，以及得出力和施力点位移曲线下面积的塑性分量，用于计算J积分。而且，针对单试样法测量启裂韧度，需要多次加载卸载，也需要两个位移具有一定的连续性。所以，为了得到准确的断裂韧度，在实验中精确测量这两个位移是至关重要的。根据国标GB/T21143-2007和很多文献资料所示，通常采用夹式引伸计测量缺口张开位移，采用在弯曲杆上贴应变片的方式测量施力点位移。夹式引伸计通常安装在刀口上，所以刀口与缺口的粘贴很重要，同时对缺口的加工要求也很高，受装卡影响较大，并且引伸计需要经常标定，以确保测量的精准性。采用贴应变片的方式虽然精度较高，但是应变片长期暴露在外面，受外界环境影响较大，所以需要定期更换应变片，较为麻烦。如果一个试件想同时得到CTOD和J值，需要同时测量施力点位移和缺口张开位移，准备工作很多，实验装置也相对复杂，极为不方便， 

发明内容

本发明的目的是针对上述存在问题，提供一种非接触的测量方法，可以一次性测出施力点位移和缺口张开位移，方便快捷，易于实验操作，且测量精度理想。 

本发明的技术方案： 

基于面阵电荷藕合器件图像传感器CCD视觉系统的非接触测量，是通过对像素的捕捉得到变形信号，信号通过图像处理和单元处理，并从图像处理软件中读出。目前，电子设 备发展很快，都是单一的发展和应用，而对于开发应当的很少。我们就是根据相机和自带系统，使他们应用于测量这两种位移中，这是目前还没有的。 

采用标准试件做实验，标准试件是需要先用线切割切割裂纹缺口，并且需要预制裂纹，然后才能开始实验。做断裂韧性实验的标准试件，本身就是有缺口有裂纹的。首先对试件进行标记，在白纸上用两个黑色实心圆分别标记在已有裂纹缺口两侧，并对标记位置进行定位。实验时，通过黑白像素捕捉两个圆的边界，计算出实心圆的圆心，可以测出两个圆心之间距离的变化，即为缺口张开位移V₁。 

同理，在已有的实心圆下方，即靠近裂纹扩展方向再标记两个实心圆，同时测出第二组缺口张开位移V₂，通过公式可计算出施力点位移。标记位置不可以超出已有的裂纹缺口长度，防止因裂纹尖端的塑性变形导致标记的不平整，影响测量结果。标签纸可通过热敏打印机或标签打印机打印，确保打印清晰，图像精细。 

本发明的优点是：该非接触测量方法舍弃了夹式引伸计和弯曲杆的附加结构，通过光学图像原理和图像处理软件，同时测量施力点位移和缺口张开位移，没有装卡因素和环境因素的影响，更加精确、方便、易于实验操作，对环境要求不高。同时采样速度快，测量空间范围大，精度较高，实时性能好，内置网络通信易于与计算机连接实现上位机程序的测量。 

附图说明

图1：基于面阵CCD的非接触测量原理图。 

图2：测量方法示意图。 

图3：X80管线钢整体测试系统。 

图4：标记的放大与识别。 

具体实施方式

下面结合附图所示的非接触测量原理和测量方式示意图，对本发明过程加以详细说明。 

该发明中使用电荷藕合器件图像传感器CCD，由一种高感光度的半导体材料制成，能把光线转变成电荷，通过模数转换器芯片转换成数字信号。其光谱范围宽，测量空间范围大，测量精度高，实时性能好，对环境要求不高。CCD传感器输出的是数字量，易于与计算机接口通信，实现显示结果、存贮、画图，并进行数据统计处理。而面阵CCD则具有聚集容易，易于获得稳定的光源，对试件标记捕捉不易丢失等众多优点。 

图1中采用的面阵CCD视觉系统主要包括：镜头、CCD相机、图像处理单元以及图像处理软件。在非接触测试过程中，在试样上制作标记，标记A位于裂纹一侧，标记B位于裂纹另一侧，并测量出标距，应保证标记线明显，图像精细。采用CCD相机得到试样变形 信号，信号通过图像处理单元处理并从与相机配套的图像处理软件中读出，认为此非接触测量得到的试样变形结果即为试样的真实变形。试件经过稳定的面光源照射后经光学镜头成像于CCD相机。A经变形为A＇，B变形为B＇。A、A＇、B、B＇分别成像于a、a＇、b、b＇点。由光学知识可知，在相机、镜头和试件相对位置固定时，试件上A、B两点之间距离与成像点a、b之间距离成比例关系，因此，根据实验前后像素和位移的比例关系可得： 

$\frac{V}{V_0}=\frac{x_2-x_1}{x_1}---\left(1\right)$

其中，x₁为试件未变形前标记成像点之间的像素值，x₂为变形后试件标记成像点之间像素值，V₀为标记间距离，V为试验结束后标记点处移动的净位移。通过变形可得： 

$V=\frac{x_2-x_1}{x_1}\×V_0---\left(2\right)$

测量施力点位移和缺口张开位移的方法如图2所示，标记为白色纸上的黑色实心圆，将用热敏打印机打印好的标记纸分别贴在试件的裂纹两侧，确保打印清晰，图像精细，如图2分布。A、B、C、D分别代表四个实心圆的圆心，实验前先测量出AB和CD标记间的实际距离，A、B、C、D点到试件边缘的距离，测量取平均后为z₁和z₂。通过黑白像素捕捉实心圆的边界，从而自动确定实心圆的圆心，实验开始前自动记录两个圆心之间的像素值，实验开始后可以实时监测圆心之间变形后的像素值，通过公式（1）计算，可以得到实际的位移值，即V₁和V₂。缺口张开位移可用V₁或V₂表示，当裂纹嘴张开角度小于8°时，施力点位移q可由公式（3）计算得到，当裂纹嘴张开角度大于或等于8°时，施力点位移q可由公式（4）计算得到。 

$q=\frac{S(V_2-V_1)}{4(z_2-z_1)}---\left(3\right)$

$q=\frac{S}{2}\tan \left\{\arcsin \right[\frac{V_2-V_1}{2(z_2-z_1)}\left]\right\}---\left(4\right)$

其中，S代表试件的跨距。（公式（3）、（4）来源于GB/T21143-2007附录F）。需要说明的是，当标记在试件外部时，z₁和z₂为正，当标记在试件上时，z₁和z₂取负。 

在非接触测试过程中，需要注意以下几点： 

（1）标记粘贴位置不可以超出裂纹长度，防止因裂纹尖端的塑性变形而导致标记的不平整，影响测量结果。 

（2）实心圆标记的大小主要根据试件大小和变形情况来定，没有统一的尺寸，但是实心 圆在试件允许的情况下尽量大点，便于边缘像素的采集。 

（3）在实验开始前软件设置时，尽可能的将测试范围调大，防止试件变形后移出测量范围。不加载时标记成像点之间的像素值的波动可控制在0.03之内，从而保证测量精度可以达到1μm。 

（4）如果实验中光线较暗，可以提高曝光时间，或者采用激光面光源照射试件，以获取稳定的信号。 

（5）标记纸可通过热敏打印机或标签打印机打印，确保打印清晰，图像精细。 

该测试方法，可用于测量施力点位移和缺口张开位移，从而计算出断裂韧性J积分和裂纹尖端张开位移（CTOD）。下面以X80管线钢为例，整体测试系统如图3： 

该系统主要包括：标记好的试件，COGNEX Insight-Micro视觉系统，In-Sight Explorer4.4.3图像处理软件和LED灯照明措施。图4是标记部位的放大图，并从图像处理软件中很好的识别出圆心和所需要测量的距离。 

由于该测量方法是实时测量，所以可以得到缺口张开位移和施力点位移连续的动态值，很好的捕捉到每个施力值所对应的位移值，通过多步加载卸载，可以得到一系列缺口张开位移V₁和V₂的值，从而计算出施力点位移q值，结果如表1： 

表1缺口张开位移和施力点位移数据表 

其中S=96mm，z₁=-2mm，z₂=-6mm，最后根据标准GB/T21143-2007，计算出断裂韧度值为：δ_0.2BL=0.3872mm；J_0.2BL=438.2kJ/m² 。

Claims (6)

1.用于断裂韧度的施力点位移和缺口张开位移的测量方法；其特征是基于面阵电荷藕合器件图像传感器CCD视觉系统，采用非接触测量方法，通过对像素的捕捉得到变形信号，信号通过图像处理和单元处理，并从图像处理软件中读出，得到施力点位移和缺口张开位移。

2.如权利要求1所述的方法，其特征是CCD视觉系统包括：镜头、CCD相机、图像处理单元以及图像处理软件。

3.如权利要求1或2所述的方法，其特征是采用标准试件做实验，在标记纸上用两个黑色实心圆分别标记在已有裂纹缺口两侧，并对标记位置进行定位；实验时，通过黑白像素捕捉两个圆的边界，计算出实心圆的圆心，可以测出两个圆心之间距离的变化，即为缺口张开位移V₁；同理，在靠近裂纹扩展方向再标记两个实心圆，同时测出第二组缺口张开位移V₂，通过公式（1）可计算出施力点位移；

$\frac{V}{V_0}=\frac{x_2-x_1}{x_1}---\left(1\right)$

其中，x₁为试件未变形前标记成像点之间的像素值，x₂为变形后试件标记成像点之间像素值，V₀为标记间距离，V为试验结束后标记点处移动的净位移。

4.如权利要求2所述的方法，其特征是标记位置不能超出已有的裂纹缺口长度。

5.如权利要求1或2所述的方法，其特征是试件经过稳定的面光源照射后经光学镜头成像于CCD相机；标记为白色纸上的黑色实心圆分别贴在试件的裂纹两侧，A、B、C、D分别代表四个实心圆的圆心，实验前先测量出AB和CD标记间的实际距离，A、B、C、D点到试件边缘的距离，测量取平均后为z₁和z₂；通过黑白像素捕捉实心圆的边界，从而自动确定实心圆的圆心，实验开始前自动记录两个圆心之间的像素值，实验开始后可以实时监测圆心之间变形后的像素值，通过公式（1）计算，可以得到实际的位移值，即V₁和V₂。缺口张开位移可用V₁或V₂表示，当裂纹嘴张开角度小于8°时，施力点位移q可由公式（3）计算得到，当裂纹嘴张开角度大于或等于8°时，施力点位移q可由公式（4）计算得到。

$q=\frac{S(V_2-V_1)}{4(z_2-z_1)}---\left(3\right)$

$q=\frac{S}{2}\tan \left\{\arcsin \right[\frac{V_2-V_1}{2(z_2-z_1)}\left]\right\}---\left(4\right)$

其中，S代表试件的跨距。

6.如权利要求5所述的方法，其特征是当标记在试件外部时，z₁和z₂为正，当标记在试件上时，z₁和z₂取负。

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