CN104777021B - 基于dic焊接动态应变测试的高温散斑制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及基于DIC焊接动态应变测试的高温散斑制备方法，将双组份硅铝酸盐材料配成糊状的耐高温胶；在经打磨抛光并使用乙醇清洗干净的基底材料表面均匀涂覆耐高温胶，然后在耐高温胶上撒一层均匀分布的耐高温颗粒，修整基底材料表面；使耐高温胶固化，即在基底材料表面制备出耐高温散斑。与现有技术相比，本发明得到的散斑可耐800℃左右的温度，特别适用于焊接动态应变的数字图像相关法测量，还可用于高温环境下材料拉伸、断裂破坏等情况下力学性能的测量。该发明思路新颖、操作简单、制备成本低，在高温光测力学性能中具有广泛的应用前景。
Description
技术领域
本发明光学测试、力学技术领域，尤其是涉及一种基于DIC焊接动态应变测试的高温散斑制备方法。
背景技术
近年来，高温环境下材料力学行为的表征已成为材料加工、实验固体力学和材料科学等领域中十分关注的问题，尤其是焊接过程材料动态应力应变的测量。实时测量材料在高温环境下的力学行为对材料性能的演变、可靠性评估以及寿命预测等具有非常重要的意义。由于传统的接触式方法受温度的影响，难以有效地测量高温环境下的材料或结构表面的位移，因此非接触式方法在高温环境下的位移测量中发挥着非常重要的作用。数字图像相关法(DIC)由于具有非接触、大/小尺度测量、全场/局部测量、可视化等优点，成为最为常用的高温环境下的非接触式位移测量方法之一。
数字图像相关法是通过在被测试样表面制备高质量散斑，施加载荷(温度、力、位移等)前后分别拍摄试样表面的散斑图，根据得到的散斑图进行相关运算，即可得到试样表面的位移场和应变场。数字图像相关法中使用的散斑图一般是由具有一定灰度且分布随机的散斑组成。由于散斑是被测试样表面变形信息的载体，因此散斑制备是数字图像相关测试中关乎成败的关键部分，尤其是高温散斑的制作。最常用的散斑制备方法是喷漆法，但是常规的喷漆在测试温度还未达到200℃时就会发生氧化，然后开始变色、变脆，甚至脱落，即使使用耐高温喷漆，当温度达到550℃时，耐高温漆也会发生氧化并出现脱落。
冯雪等提出了一种高温散斑制作方法(中国专利申请公布号：CN 101850426A)，使用纯净水、硝酸银粉末、浓氨水和葡萄糖粉末按一定比例配制成特定溶液，然后使用该溶液在被测试样表面生成银质散斑。该方法涉及的化学反应较多，操作较繁杂，且生成的银质散斑难以控制其分布及大小。刘战伟等提出了用于界面高温变形测量的微尺度散斑制作方法(申请号：201210146916.9)，选择两种黑白颜色反差大的耐高温粉末作为原料，然后使用无水乙醇分别和这两种粉末按1:0.1～0.15(g/mL)的质量体积比进行混合后装进两个喷雾瓶，喷洒在试样表面，等乙醇挥发后，依靠范德华力把耐高温散斑颗粒与试样表面粘附。该方法制备的散斑比较容易脱落，使用过程中受外界环境的影响较大，在实际应用中会受到一定的限制。
综上所述，现有的耐高温散斑制备方法中，有些方法操作比较繁杂，有些方法散斑质量难以保证，有些方法受外界环境影响较大，因此迫切需要发展一种操作简单、散斑质量易控制、使用过程受外界环境影响小的耐高温散斑的制备方法。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种操作简单、散斑质量易控制、不易受外界环境影响、低成本的耐高温散斑制备方法。该方法的技术特点是通过耐高温胶把耐高温颗粒粘附在基底材料表面，制得的耐高温散斑适用于高温环境下使用数字图像相关法进行焊接动态应力应变的非接触式测量。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
基于DIC焊接动态应变测试的高温散斑制备方法，采用以下步骤：
(1)将双组份硅铝酸盐材料配成糊状的耐高温胶；
(2)在经打磨抛光并使用乙醇清洗干净的基底材料表面均匀涂覆耐高温胶，然后在耐高温胶上撒一层均匀分布的耐高温颗粒，修整基底材料表面；
(3)使耐高温胶固化，即在基底材料表面制备出耐高温散斑。
所述的双组份硅铝酸盐材料，其中液态组份成分为磷酸二氢铝，固态组份的成分为硅酸盐。
所述的耐高温胶的固液配比为0.5～1.0g:1mL。
所述的耐高温胶在基底材料上的厚度为0.1～0.2mm。
所述的耐高温颗粒为白色粉末状的氧化物或非氧化物。
耐高温颗粒优选可以采用中性氧化铝、二氧化钛、氧化锆、氮化硅或氮化硼。
修整基底材料表面是利用吹风机对基底材料表面吹扫15～30s，去除没有粘附牢固的耐高温颗粒。
耐高温胶固化是将基底材料在室温下放置6～12h；再加热到60～80℃，保温1～3h；最后加热到130～150℃，保温1～3h。
与现有技术相比，本发明采用的制作原料都是常用的材料，成本低廉；制作过程不涉及化学反应，操作简单；散斑的尺寸、分布、密度易控制，容易获得高质量的耐高温散斑；散斑与基底材料结合牢固，能耐800℃左右的高温，非常适用于基于DIC的焊接动态应变的测试，其中最突出优点是散斑质量易控制，散斑的大小、密度可以通过耐高温颗粒的大小和分布密度来控制；另外散斑与基底材料结合牢固，使用过程受外界环境影响小，即使有振动、风力等外界因素的影响，散斑也不会脱落。
附图说明
图1为实施例1中在铝合金表面制备出不同尺寸的耐高温散斑的两幅数字图像：(a)中性氧化铝(100-200目)，(b)中性氧化铝(200-300目)。
图2为实施例2中在铜板表面制备出不同密度的耐高温散斑的三幅数字图像：(a)较疏，(b)适中和(c)较密。
图3为实施例3中在304不锈钢表面制备出的耐高温散斑在不同温度下的四幅数字图像：(a)20℃，(b)200℃，(c)600℃和(d)800℃。
图4为实施例3中，温度为200℃时通过数字图像相关法计算得到的位移分布图。
具体实施方式
下面结合附图进一步说明本发明的实施方式，但不应以此限制本发明的保护范围。
基于DIC焊接动态应变测试的高温散斑制备方法，采用以下步骤：
1、将基底材料切割成所需的形状，进行打磨抛光处理，使用无水乙醇清洗基底材料表面、干燥；
2、准备好表面皿、玻璃棒、小平铲、药匙、双组份硅铝酸盐材料、白色耐高温粉末材料；
3、在表面皿中按照0.5～1.0g:1mL的固液配比将双组份硅铝酸盐材料配成稀糊状的耐高温胶；
4、使用小平铲取适量的耐高温胶置于基底材料表面，并使用小平铲将高温胶均匀地涂成厚度为0.1～0.2mm的薄层；
5、使用药匙取适量的白色耐高温粉末材料，通过振动筛等方式使药匙中的白色耐高温粉末均匀地撒落到耐高温胶上；
6、使用吹风机对着基底材料表面吹15～30s，将基底材料表面上没有粘附牢固的耐高温颗粒除去；
7、将基底材料先在室温下放置6～12h；再将其加热到60～80℃，保温1～3h；最后将其加热到130～150℃，保温1～3h，耐高温散斑制作完成。
下面通过三个具体实施例来进一步理解本发明。
实施例1
基底材料为铝合金，尺寸为75mm×25mm×1.5mm，在铝合金表面制备耐高温散斑的过程如下：
1、取两块该铝合金，使用无水乙醇清洗铝合金表面、干燥；
2、准备好表面皿、玻璃棒、小平铲、药匙、双组份硅铝酸盐材料、中性氧化铝(100-200目)、中性氧化铝(200-300目)；
3、在表面皿中按照0.7g:1mL的固液配比将双组份硅铝酸盐材料配成稀糊状的耐高温胶；
4、使用小平铲取适量的耐高温胶分别置于两块铝合金表面，并使用小平铲将高温胶均匀地涂成厚度为0.1～0.2mm的薄层；
5、使用药匙取适量的中性氧化铝(100-200目)，通过振动筛等方式使药匙中的氧化铝粉末均匀地撒落到其中一块铝合金表面的耐高温胶上，然后使用同样的方法将中性氧化铝(200-300目)均匀地撒落到另外一块铝合金表面的耐高温胶上；
6、使用吹风机对着铝合金表面吹15～30s，将铝合金表面上没有粘附牢固的氧化铝颗粒除去；
7、将两块铝合金在室温下放置8h；再将它们加热到70℃，保温2h；最后将它们加热到140℃，保温2h，即可完成耐高温散斑的制备。获得的铝合金表面的耐高温散斑如图1所示，其中(a)为100-200目中性氧化铝，(b)为200-300目的中性氧化铝。从图中可以看出，通过控制耐高温颗粒的大小就可以控制散斑的大小，从而实现对散斑图质量的控制。因此本发明具有散斑质量易控制的优点。
实施例2
基底材料为铜板，尺寸为50mm×50mm×2.0mm，在铜板表面制备耐高温散斑的具体步骤如下：
1、取三块该铜板，对它们进行打磨抛光处理，使用无水乙醇清洗铜板表面、干燥；
2、准备好表面皿、玻璃棒、小平铲、药匙、双组份硅铝酸盐材料、中性氧化铝(200-300目)；
3、在表面皿中按照0.7g：1mL的固液配比将双组份硅铝酸盐材料配成稀糊状的耐高温胶；
4、使用小平铲取适量的耐高温胶分别置于三块铜板表面，并使用小平铲将高温胶均匀地涂成厚度为0.1～0.2mm的薄层；
5、使用药匙取适量的中性氧化铝(200-300目)，通过控制振动筛的力度和速度，使药匙中的氧化铝粉末均匀地撒落到三块铜板表面的耐高温胶上，在这三块铜板表面上形成不同密度的散斑；
6、使用吹风机对着铜板表面吹15～30s，将铜板上没有粘附牢固的氧化铝颗粒除去；
7、将三块铜板在室温下放置8h；再将它们加热到70℃，保温2h；最后将它们加热到140℃，保温2h，即可完成耐高温散斑的制备。获得的铜板表面的耐高温散斑如图2所示，其中(a)较疏，(b)适中和(c)较密。从图中可以看出，耐高温颗粒的分布密度易通过振动筛力度和速度的控制来实现，在实际测试中可根据实验需求制备不同耐高温颗粒分布密度的散斑图。
实施例3
基底材料为304不锈钢，尺寸为50mm×35mm×1.0mm，用于在304不锈钢表面制备耐高温散斑的方法如下：
1、取一块该304不锈钢，对其进行打磨抛光处理，使用无水乙醇清洗其表面、干燥；
2、准备好表面皿、玻璃棒、小平铲、药匙、双组份硅铝酸盐材料、中性氧化铝(200-300目)；
3、在表面皿中按照0.7g：1mL的固液配比将双组份硅铝酸盐材料配成稀糊状的耐高温胶；
4、使用小平铲取适量的耐高温胶置于304不锈钢表面，并使用小平铲将高温胶均匀地涂成厚度为0.1～0.2mm的薄层；
5、使用药匙取适量的中性氧化铝(200-300目)，通过振动筛等方式使药匙中的氧化铝粉末均匀地撒落到304不锈钢表面的耐高温胶上；
6、使用吹风机对着304不锈钢表面吹15～30s，将304不锈钢表面上没有粘附牢固的氧化铝颗粒除去；
7、将304不锈钢在室温下放置8h；再将它们加热到70℃，保温2h；最后将它们加热到140℃，保温2h，即可完成耐高温散斑的制备。获得的304不锈钢表面的耐高温散斑如图3中的(a)所示。对制备得到的耐高温散斑进行耐高温试验，采用火焰喷枪将基底材料分别加热到200℃、600℃和800℃，拍摄得到的散斑图如图3中的(b)、(c)和(d)所示。从图中可以看出，即使温度达到了800℃，散斑图依然清晰，没有发生任何剥落，说明本发明制备的耐高温散斑可以在800℃的高温环境下使用，具有较好的耐高温效果。通过数字图像相关法计算温度为200℃时的散斑图，得到的位移分布如图4所示，从图中可以看出，火焰喷枪加热中心温度最高，材料受热后以火焰为中心向四周发生膨胀，符合材料热胀冷缩的原理。
实施例4
基于DIC焊接动态应变测试的高温散斑制备方法，采用以下步骤：
(1)将双组份硅铝酸盐材料配成糊状的耐高温胶，其中液态组份成分为磷酸二氢铝，固态组份的成分为硅酸盐，耐高温胶的固液配比为0.5g:1mL。
(2)在经打磨抛光并使用乙醇清洗干净的基底材料表面均匀涂覆厚度为0.1mm的耐高温胶，然后在耐高温胶上撒一层均匀分布的耐高温颗粒，修整基底材料表面，使用的耐高温颗粒为白色粉末状的氧化物或非氧化物，在本实施例中，使用的是二氧化钛，修整时是利用吹风机对基底材料表面吹扫15s，去除没有粘附牢固的耐高温颗粒；
(3)使耐高温胶固化，将基底材料在室温下放置6h；再加热到60℃，保温1h；最后加热到130℃，保温1h，在基底材料表面制备出耐高温散斑。
实施例5
基于DIC焊接动态应变测试的高温散斑制备方法，采用以下步骤：
(1)将双组份硅铝酸盐材料配成糊状的耐高温胶，其中液态组份成分为磷酸二氢铝，固态组份的成分为硅酸盐，耐高温胶的固液配比为1.0g:1mL。
(2)在经打磨抛光并使用乙醇清洗干净的基底材料表面均匀涂覆厚度为0.2mm的耐高温胶，然后在耐高温胶上撒一层均匀分布的耐高温颗粒，修整基底材料表面，使用的耐高温颗粒为白色粉末状的氧化物或非氧化物，在本实施例中，使用的是氮化硅，修整时是利用吹风机对基底材料表面吹扫30s，去除没有粘附牢固的耐高温颗粒；
(3)使耐高温胶固化，将基底材料在室温下放置12h；再加热到80℃，保温3h；最后加热到150℃，保温3h，在基底材料表面制备出耐高温散斑。
Claims (7)
1.基于DIC焊接动态应变测试的高温散斑制备方法，其特征在于，该方法采用以下步骤：
(1)将双组份硅铝酸盐材料配成糊状的耐高温胶；
(2)在经打磨抛光并使用乙醇清洗干净的基底材料表面均匀涂覆耐高温胶，然后在耐高温胶上撒一层均匀分布的耐高温颗粒，修整基底材料表面，所述的耐高温颗粒为白色粉末状的氧化物或非氧化物；
(3)使耐高温胶固化，即在基底材料表面制备出耐高温散斑。
2.根据权利要求1所述的基于DIC焊接动态应变测试的高温散斑制备方法，其特征在于，所述的双组份硅铝酸盐材料，其中液态组份成分为磷酸二氢铝，固态组份的成分为硅酸盐。
3.根据权利要求1或2所述的基于DIC焊接动态应变测试的高温散斑制备方法，其特征在于，所述的耐高温胶的固液配比为0.5～1.0g:1mL。
4.根据权利要求1所述的基于DIC焊接动态应变测试的高温散斑制备方法，其特征在于，所述的耐高温胶在基底材料上的厚度为0.1～0.2mm。
5.根据权利要求1所述的基于DIC焊接动态应变测试的高温散斑制备方法，其特征在于，所述的耐高温颗粒为中性氧化铝、二氧化钛、氧化锆、氮化硅或氮化硼。
6.根据权利要求1所述的基于DIC焊接动态应变测试的高温散斑制备方法，其特征在于，修整基底材料表面是利用吹风机对基底材料表面吹扫15～30s，去除没有粘附牢固的耐高温颗粒。
7.根据权利要求1所述的基于DIC焊接动态应变测试的高温散斑制备方法，其特征在于，耐高温胶固化是将基底材料在室温下放置6～12h；再加热到60～80℃，保温1～3h；最后加热到130～150℃，保温1～3h。
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