CN104677752A - 一种用于金属动静态剪切行为的测试装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于金属动静态剪切行为的测试装置，制备的凸型试样同时适用于动态和静态剪切行为测试，并对凸型试样表面制作散斑，利用数字图像相关方法对采集的数据进行计算，获得试样变形应变场相关数据；这种方法可直接观测对试样切区域以及剪切变形的全过程。数据计算过程为，以第一张未发生变形的散斑图片作为参考图片，其他图片为变形图片；在参考图片中选择出需要计算应变的区域，同时在计算应变的区域选择计算相关窗口；之后，根据图像分辨率，确定合适的计算步长，并将相关窗口移动到需要计算应变的区域中应力影响较小区作为计算起始点，开始进行位移计算；计算完成后根据实验要求，选择点、线以及剪切区域进行数据分析。

Description

一种用于金属动静态剪切行为的测试装置

技术领域

本发明涉及测量技术领域，具体涉及一种用于金属动静态剪切行为的测试装置。

背景技术

在对金属的剪切行为测量中，不仅要测量动态剪切行为，有时还需要测量静态剪切行为，而在现有技术中，对静态剪切行为和动态剪切行为的测试需要采用不同的测试装置。

对金属动态剪切行为的测量采用的测量装置如图1所示，加载装置由霍普金森压杆组成，分为入射杆和透射杆，在入射杆和透射杆上贴有应变片。测量试样往往采用帽型试样，帽型试样夹在入射杆和透射杆中间。子弹高速撞击入射杆，入射杆受到撞击后挤压帽型试样。在子弹撞击入射杆的时候会产生入射波，入射波通过入射杆传递到帽型试样，再通过帽型试样传递给透射杆并产生透射波。此时应变片采集入射波和透射波数据输送到计算模块，高速相机对准帽型试样，拍摄帽型试样被挤压变形结果的图像。

对金属静态剪切行为的测量采用的测量装置中加载装置采用拉压试验机，测试试样加载后被剪切的剪切原理示意图如图2所示。在静态剪切行为的测量中同样可以使用相机，但是相机也只能拍摄试样被挤压后变形的过程和结果的图像，并提供给测试者查看，但是不能自动利用拍摄到的图像进行计算，从而获得应变场相关数据。

可见，在动态剪切行为测试的方法中数据的采集是通过入射杆和透射杆上应变片间接地采集，数据不准确；另外，试样为帽型结构，剪切区域位于内部，不能直接观测试样的剪切区域，要想观测帽型试样内部形变情况，需将帽型试样切割；同时高速相机只能拍摄帽型试样被挤压的外部状态的图像，不能够获得动态剪切时剪切面的变化过程。

另外，现有技术需要分别采用不同的装置进行金属动态和静态剪切行为的测试，静态测试和动态测试加载的测试试样形状不同，导致需要制作不同的试样，提高了制作成本，另外帽型试样的制备也比较麻烦。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种用于金属动静态剪切行为的测试装置，能够同时适用于静态加载和动态加载，同时能够直接观测剪切区域，利用光学拍摄设备，得到试样平面的变形信息，获得准确的数据。

一种用于金属动静态剪切行为的测试装置，适用于动态和静态剪切行为测试，该测试装置包括加载装置、试样、图像采集设备和数据处理设备；

所述试样为平板的凸形结构，中部开设通孔；其中，凸形结构的凸台为加载区域，通孔和加载区域之间形成剪切区域，剪切区域相对于通孔的另一侧为承压区域；凸形结构的其中一个平面为观测表面；

所述试样放置于加载装置中，其观测表面通过喷漆方式形成随机分布的散斑；

所述图像采集设备的光学传感器敏感面和观测表面保持平行，采集加载后试样变化过程的图像；

所述数据处理设备解析所述图像采集设备采集的图像，利用散斑的移动和变化获得试样各位置点位移，利用位移计算获得剪切应变场分布。

所述观测表面随机分布的散斑通过在观测表面喷制底漆再采用雾状喷出方式喷出斑点后制作而成。

该装置还包括止动环，套在试样的所述凸台外部。

所述通孔为矩形通孔。

在动态剪切行为测试中，所述加载装置包括霍普金森压杆以及发射装置，所述图像采集设备采用图片采集速率在7000fps以上的高速相机；在静态剪切行为测试中，所述加载装置采用拉压试验机，所述图像采集设备采用工业相机。

所述数据处理设备的数据处理过程为：

以第一张未发生变形的散斑图片作为参考图片，其他图片为变形图片；

在参考图片中选择出需要计算应变的区域，依据变形图像的灰度梯度分布在所需计算应变的区域选择出计算相关窗口；计算相关窗口的选定原则是：变形图片和参考图片的一个散斑能够分配在同一相关窗口；

之后，根据图像分辨率，确定合适的计算步长，并将相关窗口移动到需要计算应变的区域中应力影响较小区作为计算起始点，开始进行位移计算；

计算完成后根据实验要求，选择点、线以及剪切区域进行数据分析，根据位移计算获得剪切应变场分布，然后计算得到剪切应变率、位移时间曲线、应变时间曲线。

有益效果：

(1)本发明采用凸形试样，能够同时适用于静态加载和动态加载，那么只需制造一种类型的试样就可以进行两种试验，从而降低了成本。

(2)该凸形试验是平板结构的，其制备方式只需进行激光切割，制备简单。

(3)该凸形试样将剪切区域暴露在外，直接可见，就可以通过相机直接观测得到剪切变形的全过程，不需要进行试验后的切割处理。

(4)本发明利用数字相关方法可以直接通过图像获得试样表面的剪切变形场，位移场，应变场，应变率场等数据，利用计算机软件可以实现数据的批量处理。

(5)本发明直接采用图像获得试样本身的相关数据，而非像现有技术一样通过入射杆和透射杆上安装的应变片间接获得试样相关数据，从而提高了测试数据的准确程度。

(6)本发明结合金属剪切过程中的变化特性，选取了油漆作为散斑的制备材料，其能够附着较厚一层，而且具有延展性，适用于散斑的制备。

附图说明

图1为现有技术动态剪切行为测试装置。

图2为现有技术静态剪切行为剪切原理示意图。

图3为本发明剪切试样图。(a)为试样外形图，(b)为一种实施方式的试样尺寸图。

图4为本发明试样表面的散斑。

图5为试样所得剪切应变场云图。

图6为试样在动态加载条件下剪切区的位移时间曲线。

图7为试样在动态加载条件下剪切区域的应变时间曲线。

图8为试样在动态加载条件不同时刻不同位置在同一直线上的点的剪切应变分布和曲线。

图9为剪切试样剪切区域的金相图。

具体实施方式

下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。

本发明提供了一种用于金属动静态剪切行为的测试装置，其核心思想是：制备的凸型试样同时适用于动态和静态剪切行为测试，并对凸型试样表面制作散斑，利用数字图像相关方法对采集的数据进行计算，获得试样变形应变场相关数据，可以包括变形应变场云图和剪切应变率云图，以及位移时间曲线、应变时间曲线；这种方法可直接观测对试样切区域以及剪切变形的全过程，且适用于动态和静态剪切行为测试。

该用于金属动静态剪切行为的测试装置，该测试装置包括加载装置、试样、图像采集设备、数据处理设备。

动态剪切行为测试中加载装置可以采用霍普金森杆以及发射装置，图像采集设备采用高速相机，采集图片速率在7000fps以上；静态剪切行为测试中加载装置可以采用拉压试验机，图像采集设备采用工业相机。

本发明的试样为中部开设通孔的平板凸形结构，如图3所示，凸形结构的凸台为加载区域，通孔和加载区域之间形成剪切区域，剪切区域相对于通孔的另一侧为承压区域。加载时，剪切测量时将试样放置于加载装置中，且最好位于加载装置的正中心，保证试样的承压区全面接触加载装置的加载头。其中加载装置一端顶住凸台上端面，另一端顶住承压区域下端面，施加压力后，凸台与通孔的连接部分两端可能发生裂纹或彻底断开。

在某些试验中，为了防止凸台因剪切区域的断裂导致凸台下沉至通孔处，还增加了止动环(图中未示出)，该止动环套在试样凸台外部。该平板凸形结构具有两个大平面和多个小侧面，则其中一个大平面为观测表面。

为了采用数字图像相关方法获得试样中观测表面的变化情况，需要在试样的观测表面上制备散斑。在现有技术中，通常采用附着石墨、黏贴标记纸的方式；但是石墨并非黏贴在观测表面上，因此容易掉落；黏贴标记纸的方式，由于标记点不具有延伸性，因此在观测表面有巨大变化时，容易断裂。因此，本发明结合金属剪切过程中的变化特性，选取了油漆作为散斑的制备材料，其能够附着较厚一层，而且具有延展性。

那么，在本发明较佳实施例中，在制备散斑时，先对试样的观测表面沿45°交叉打磨，保证喷漆的粘附强度；然后在观测表面喷制白(黑)色底漆，然后采用雾状喷出的方式喷出黑(白)色斑点，制作成随机分布的散斑，喷涂底漆采用反光率不强的亚光漆，散斑必须平均，随机，清晰，如图4所示。

将图像采集设备视场调节到试样的位置，图像采集设备的光学传感器敏感面和观测表面保持平行，且要保证试样在视场中所占比例在三分之二以上。启动加载装置，相机同步启动，开始捕捉各个时刻的变形过程，即采集加载后试样变化过程的图像，发送给数据处理设备。

数据处理设备，采用数字图像相关方法(DIC方法)，追踪斑点的运动和变化，利用散斑的移动和变化获得试样观测表面上各位置点的位移，利用位移计算获得剪切应变场分布，还可以进一步获得应变率等相关力学参数。对于高质量的散斑图，DIC的位移测量精度可达到0.01像素。

该数据处理过程具体步骤如下：

步骤一、以第一张未发生变形的散斑图片作为参考图片，其他图片为变形后的散斑图片。

步骤二、在参考图片中选择出需要计算应变的区域；依据图像分辨率确定相关窗口(subset)的大小，保证变形图像和参考图像的点能够分配在同一相关窗口。静态剪切行为测试中，采用工业相机，图像分辨率较高，可以观测到图像的清晰细节，相关窗口选择可以小到9×9个像素；动态剪切行为测试中，采用高速相机，图像分辨率较低，尤其是一个像素可能包含两个以上的散斑时，要将相关窗口放大到接近试样图像的大小，方便后期计算对于不同像素点的追踪能够有效匹配。

步骤三、根据图像分辨率，确定合适的计算步长(stepsize)。静态剪切行为测试中，采用工业相机，图像的分辨率较高时，可以将计算步长设定在不大于相关窗口尺寸的任意范围内；动态剪切行为测试中，采用高速相机，图像分辨率较低时，需要将计算步长设定在1×1个像素点，以保证计算精度。

步骤四、将相关窗口移动到需要计算应变的区域中应力影响较小区作为计算起始点，开始进行位移计算。其中，由于剪切区域中应力影响是最大的，其他区域中应力影响相对较小。因此，在选择计算起始点时，避开剪切区域，选择其他区域即可。每次计算完成后，根据计算步长，在需要计算应变的区域中进行相关窗口的移动，进行继续计算，从而获得需要计算应变的区域中每个散斑点的位移。

步骤五、计算完成后根据实验要求，选择点、线以及剪切区域进行数据分析，根据位移计算结果获得剪切应变场分布，然后计算得到剪切应变率、位移时间曲线、应变时间曲线。

在本发明的验证试验中，采用的材料信息见表1，主要仪器和设备信息见表2。

表1

实验材料	材料型号	出产地
			钛合金	TC4	航空材料研究院
自动喷漆	白色，黑色哑光漆	广州保赐力化工有限公司

表2

仪器名称	仪器型号	仪器厂商
			高速相机	FASTCAM SA5	日本Photron公司
工业CCD相机
			高速摄影光源	一千瓦卤素灯	德国ARRI公司
数据处理计算机	PC	美国CSI公司
			万能材料试验机	INSTRON5985	美国INSRTON公司
霍普金森杆	14.5mm压杆
			扫描电子显微镜	Hitachi S-4800	日立扫描电镜公司

此外，该试验中采用了如图3(b)所示的试样结构，该试样的凸台宽度l₀为6mm，凸台厚度(板厚度)b为6mm，通孔为矩形通孔，与凸台同样位于试样的中线上，通孔宽度l₁为5.8mm，通孔高度和承载区高度也同为3mm，通孔与凸台间距(沿所述中线的距离)为h为3mm。本实施例中，l₁小于l₀，但在实际中可以根据需要进行其他设置，并不限定其必须小于的关系。

综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种用于金属动静态剪切行为的测试装置，适用于动态和静态剪切行为测试，该测试装置包括加载装置、试样、图像采集设备和数据处理设备；

其特征在于，所述试样为平板的凸形结构，中部开设通孔；其中，凸形结构的凸台为加载区域，通孔和加载区域之间形成剪切区域，剪切区域相对于通孔的另一侧为承压区域；凸形结构的其中一个平面为观测表面；

所述试样放置于加载装置中，其观测表面通过喷漆方式形成随机分布的散斑；

所述图像采集设备的光学传感器敏感面和观测表面保持平行，采集加载后试样变化过程的图像；

所述数据处理设备解析所述图像采集设备采集的图像，利用散斑的移动和变化获得试样各位置点位移，利用位移计算获得剪切应变场分布。

2.如权利要求1所述的一种用于金属动静态剪切行为的测试装置，其特征在于，所述观测表面随机分布的散斑通过在观测表面喷制底漆再采用雾状喷出方式喷出斑点后制作而成。

3.如权利要求1所述的一种用于金属动静态剪切行为的测试装置，其特征在于，还包括止动环，套在试样的所述凸台外部。

4.如权利要求1所述的一种用于金属动静态剪切行为的测试装置，其特征在于，所述通孔为矩形通孔。

5.如权利要求1所述的一种用于金属动静态剪切行为的测试装置，其特征在于，在动态剪切行为测试中，所述加载装置包括霍普金森压杆以及发射装置，所述图像采集设备采用图片采集速率在7000fps以上的高速相机；在静态剪切行为测试中，所述加载装置采用拉压试验机，所述图像采集设备采用工业相机。

6.如权利要求1所述的一种用于金属动静态剪切行为的测试装置，其特征在于，所述数据处理设备的数据处理过程为：

以第一张未发生变形的散斑图片作为参考图片，其他图片为变形图片；

在参考图片中选择出需要计算应变的区域，依据图像分辨率确定相关窗口的大小；计算相关窗口的选定原则是：变形图片和参考图片的一个散斑能够分配在同一相关窗口；

之后，根据图像分辨率，确定合适的计算步长，并将相关窗口移动到需要计算应变的区域中应力影响较小区作为计算起始点，开始进行位移计算；

计算完成后根据实验要求，选择点、线以及剪切区域进行数据分析，根据位移计算获得剪切应变场分布，然后计算得到剪切应变率、位移时间曲线、应变时间曲线。