CN108801781A - 一种构件的物理屈服点位置和应力水平的测定方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种构件的物理屈服点位置和应力水平的测定方法，其技术要点在于：在静载拉伸试验过程中对构件进行红外热像拍摄，并基于同步的载荷和构件温度场数据，对薄板构件物理屈服点位置和应力水平进行精确测量；本发明能够获得相对精确的物理屈服点的位置和应力，对焊接接头设计和性能评估提供更精确的力学性能参考数据，由于首先发生屈服的位置，在结构中是最薄弱的位置，因而本发明应用于结构静载试验中，还可以精确定位薄弱位置，帮助设计提升整体性能，弥补目前基于应力‑应变曲线进行的宏观屈服强度测定方法中的精度不足的问题，该方法对原有静载拉伸试验没有改变，使用简单，易于实现，具有很好的实用性。

Description

一种构件的物理屈服点位置和应力水平的测定方法
技术领域
本发明涉及材料力学性能试验技术领域，特别是涉及一种构件的物理屈服点位置和应力水平的测定方法。
背景技术
静载拉伸试验是最基本、应用最广的材料力学性能试验。一方面，由静载拉伸试验测定的力学性能指标可以作为工程设计和评定材料及优选工艺的依据，具有重要的工程实际意义；另一方面，静载拉伸试验可以揭示材料的基本力学行为规律，也是研究材料力学性能的基本试验方法。
材料拉伸性能指标，又称力学性能指标，用应力-应变曲线上反映变形过程性质发生变化的临界值表示。力学性能指标可分为两类：一类是反映材料对塑性变形和断裂的抗力的指标，称为材料的强度指标；另一类是反映材料塑性变形能力的指标，称为材料的塑性指标。
屈服强度是应用最广的一个强度指标。因为任何机械零件在工作过程中，都不允许发生过量的塑性变形，所以，机械设计中把屈服强度作为强度设计和选材的依据。原则上，材料的屈服强度应理解为开始塑性变形时的应力值。但实际上，对于连续屈服的材料，这很难作为判定材料屈服的准则，因为工程中的多晶体材料，其各晶粒的位向不同，不可能同时开始塑性变形，当只有少数晶粒发生塑性变形时，应力-应变曲线上难以“觉察”出来。只有当较多晶粒发生塑性变形时，才能造成宏观塑性变形的效果。因此，显示开始塑性变形时应力水平的高低，与测试仪器的灵敏度有关。工程上采用规定一定的残留形变量的方法，确定屈服强度。
材料物理屈服现象的定义是：受力试样中，应力达到某一特定值后，开始大规模塑性变形的现象称为屈服。它标志着材料的力学响应由弹性变形阶段进入塑性变形阶段，这一变化属于质的变化，物理屈服现象实际上反映了材料的不均匀变形过程。但在利用试验机系统进行的静力拉伸试验中，通过拉伸曲线表明的物理屈服点是材料特性和试验机系统共同作用的结果，很难精确确定。对于大多数情形，目前根据应力-应变曲线所测量计算出的屈服强度已足够评价材料的性能，但是对于如焊缝构件等一些组织不均匀的构件，精确的物理屈服点位置和应力水平的测量对于结构、焊缝等轻量化设计具有更重要的意义。
鉴于一般静载拉伸试验仪器的特性，其记录的只是构件的总体应力-应变曲线，给出足够工程评估的力学性能结果，但是对于构件在加载受力过程中各点的表现难以给出详细的结果。随着红外热像仪器的发展，其对温度场测量和记录的精度和速度越来越高，可以应用于静载拉伸实验中研究整个构件表面随载荷增加各个点的温度演变。采用基于弹性变形热效应的原理，根据构件特定区域平均温度变化规律来定义构件的物理屈服现象，或者说弹性和塑性阶段的分界点。从而分析其应力和应变的演变，这种方法对于焊缝的力学性能等诸多情形的研究具有重要价值。
材料受力热效应原理：
（1）弹性变形热效应：1850年Lord Kelvin第一次揭示了温度变化与应力的线性关系：
其中，Km是材料的热弹性系数。
其中，α为材料的线膨胀系数（K-1），ρ为材料密度（Kg.m-3），CP为比热容（J.kg-1.K-1）
从公式中可知，材料在弹性变形阶段，随应力的增加，构件温度会降低。
（2）塑性形变热效应：聚合物材料在发生不可逆的塑性形变时会消耗大量能量。当形变速率足够高或样品足够厚时，这部分能量的大部分会被样品吸收，并引起材料自身的温度升高。在恒温环境下材料形变温度变化主要由四种因素引起：摩擦耗散生热、结晶生热、熵变生热及材料与环境温度对流或传导传热。根据热力学第一定律和第二定律的综合公式，在塑性变形过程中，温度唯一地为形变所决定，随着拉伸比的增大，温度逐渐升高。
发明内容
本发明的目的就是解决以上技术中存在的问题，并为此提供一种构件的物理屈服点位置和应力水平的测定方法。
一种构件的物理屈服点位置和应力水平的测定方法，在静载拉伸试验过程中对构件进行红外热像拍摄，并基于同步的载荷和构件温度场数据，对薄板构件物理屈服点位置和应力水平进行精确测量。
进一步地，第一步，设计并制作构件；第二步，在静载拉伸机上进行拉伸试验，并在试验全过程中对构件进行红外热像拍摄和记录，拍摄速度大于静载拉伸试验选定的采样速度；第三步，基于所记录的红外热像中构件的断裂时间和静载拉伸试验系统记录的载荷/时间数据表，对二者的时间轴进行同步，据此建立红外热像和载荷的精确相关关系；第四步，在连续记录的构件红外热像的有效测量段中定义物理屈服点和构件物理屈服点的位置。
进一步地，第二步中的试验环境为环境温度变化值±0.2℃/h、空气流速小于50mm/s、试验过程中环境光波长1-3μm辐射照度变化量小于1‰。
进一步地，第四步中定义物理屈服点和构件物理屈服点的位置的方法为在连续记录的构件红外热像的有效测量段中，首先取构件中心点的温度/时间曲线，判断出温度从下降到上升的粗略时间段，然后在该时间段内对图像进行详细计算，寻找目标区域，该目标区域最先发生平均温度从连续下降到连续超过6点上升的转变，定义该时间点为物理屈服点，对应的载荷为发生物理屈服时的载荷，而该目标区域在构件上的位置则为构件物理屈服点的位置。
进一步地，目标区域的大小根据构件厚度、大小进行自行设定。
进一步地，目标区域的大小为厚度的0.5-1.5倍。
进一步地，定义物理屈服点过程中，目标区域最先发生平均温度从不变到连续超过6点上升的转变，定义该时间点为物理屈服点。
本发明的优点：
1、获得相对精确的物理屈服点的位置和应力；
2、对焊接接头设计和性能评估提供更精确的力学性能参考数据；
3、由于首先发生屈服的位置，在结构中是最薄弱的位置，因而本发明应用于结构静载试验中，还可以精确定位薄弱位置，帮助设计提升整体性能；
4、弥补目前基于应力-应变曲线进行的宏观屈服强度测定方法中的精度不足的问题；
5、该方法对原有静载拉伸试验没有改变，使用简单，易于实现，具有很好的实用性。
附图说明
图1为静载拉伸时焊缝试样的温度场演变示意图。
具体实施方式
为了使本发明更容易被清楚理解，以下结合附图以及实施例对本发明的技术方案作以详细说明。
实施例1
一种构件的物理屈服点位置和应力水平的测定方法，在静载拉伸试验过程中对构件进行红外热像拍摄，并基于同步的载荷和构件温度场数据，对薄板构件物理屈服点位置和应力水平进行精确测量。
进一步地，第一步，设计并制作构件，构件设计除按照国标准则外，还要减小热散失，例如采用孔构件，减小夹持带来的热损失；第二步，在静载拉伸机上进行常规的拉伸试验，并在试验全过程中对构件进行红外热像拍摄和记录，拍摄速度大于静载拉伸试验选定的采样速度；第三步，基于所记录的红外热像中构件的断裂时间和静载拉伸试验系统记录的载荷/时间数据表，对二者的时间轴进行同步，据此建立红外热像和载荷的精确相关关系；第四步，在连续记录的构件红外热像的有效测量段中定义物理屈服点和构件物理屈服点的位置。
进一步地，第二步中的试验环境为环境温度变化值±0.2℃/h、空气流速小于50mm/s、试验过程中环境光波长1μm辐射照度变化量小于1‰。
进一步地，第四步中定义物理屈服点和构件物理屈服点的位置的方法为在连续记录的构件红外热像的有效测量段中，首先取构件中心点的温度/时间曲线，判断出温度从下降到上升的粗略时间段，然后在该时间段内对图像进行详细计算，寻找目标区域，目标区域的大小根据构件厚度、大小进行自行设定，该目标区域最先发生平均温度从连续下降到连续超过6点上升的转变，定义该时间点为物理屈服点，对应的载荷为发生物理屈服时的载荷，而该目标区域在构件上的位置则为构件物理屈服点的位置。
实施例2
一种构件的物理屈服点位置和应力水平的测定方法，在静载拉伸试验过程中对构件进行红外热像拍摄，并基于同步的载荷和构件温度场数据，对薄板构件物理屈服点位置和应力水平进行精确测量。
进一步地，第一步，设计并制作构件，构件设计除按照国标准则外，还要减小热散失，例如采用孔构件，减小夹持带来的热损失；第二步，在静载拉伸机上进行常规的拉伸试验，并在试验全过程中对构件进行红外热像拍摄和记录，拍摄速度大于静载拉伸试验选定的采样速度；第三步，基于所记录的红外热像中构件的断裂时间和静载拉伸试验系统记录的载荷/时间数据表，对二者的时间轴进行同步，据此建立红外热像和载荷的精确相关关系；第四步，在连续记录的构件红外热像的有效测量段中定义物理屈服点和构件物理屈服点的位置。
进一步地，第二步中的试验环境为环境温度变化值±0.2℃/h、空气流速小于50mm/s、试验过程中环境光波长3μm辐射照度变化量小于1‰。
进一步地，第四步中定义物理屈服点和构件物理屈服点的位置的方法为在连续记录的构件红外热像的有效测量段中，首先取构件中心点的温度/时间曲线，判断出温度从下降到上升的粗略时间段，然后在该时间段内对图像进行详细计算，寻找目标区域，目标区域的大小为厚度的0.5-1.5倍，目标区域最先发生平均温度从不变到连续超过6点上升的转变，对应的载荷为发生物理屈服时的载荷，而该目标区域在构件上的位置则为构件物理屈服点的位置。
上述实施例中采用的算法，可以是红外热像仪自带的软件，也可以采用其他图像计算软件或自编程进行寻优计算，总之，在图像处理领域是一种普通算法。本实施例采用的是红外热像仪自带软件进行的区域温度均值算法。根据构件厚度、材料热传导的特性，以及加载速率和红外热像仪的测温精度等因素，选取50Hz红外热像帧频的区域平均温度进行计算。
测定结果如图1所示。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种构件的物理屈服点位置和应力水平的测定方法，其特征在于：在静载拉伸试验过程中对构件进行红外热像拍摄，并基于同步的载荷和构件温度场数据，对薄板构件物理屈服点位置和应力水平进行精确测量。
2.如权利要求1所述的一种构件的物理屈服点位置和应力水平的测定方法，其特征在于：第一步，设计并制作构件；第二步，在静载拉伸机上进行拉伸试验，并在试验全过程中对构件进行红外热像拍摄和记录，拍摄速度大于静载拉伸试验选定的采样速度；第三步，基于所记录的红外热像中构件的断裂时间和静载拉伸试验系统记录的载荷/时间数据表，对二者的时间轴进行同步，据此建立红外热像和载荷的精确相关关系；第四步，在连续记录的构件红外热像的有效测量段中定义物理屈服点和构件物理屈服点的位置。
3.如权利要求2所述的一种构件的物理屈服点位置和应力水平的测定方法，其特征在于：第二步中的试验环境为环境温度变化值±0.2℃/h、空气流速小于50mm/s、试验过程中环境光波长1-3μm辐射照度变化量小于1‰。
4.如权利要求2所述的一种构件的物理屈服点位置和应力水平的测定方法，其特征在于：第四步中定义物理屈服点和构件物理屈服点的位置的方法为在连续记录的构件红外热像的有效测量段中，首先取构件中心点的温度/时间曲线，判断出温度从下降到上升的粗略时间段，然后在该时间段内对图像进行详细计算，寻找目标区域，该目标区域最先发生平均温度从连续下降到连续超过6点上升的转变，定义该时间点为物理屈服点，对应的载荷为发生物理屈服时的载荷，而该目标区域在构件上的位置则为构件物理屈服点的位置。
5.如权利要求4所述的一种构件的物理屈服点位置和应力水平的测定方法，其特征在于：目标区域的大小根据构件厚度、大小进行自行设定。
6.如权利要求5所述的一种构件的物理屈服点位置和应力水平的测定方法，其特征在于：目标区域的大小为厚度的0.5-1.5倍。
7.如权利要求2所述的一种构件的物理屈服点位置和应力水平的测定方法，其特征在于：定义物理屈服点过程中，目标区域最先发生平均温度从不变到连续超过6点上升的转变，定义该时间点为物理屈服点。
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