CN109029279A - 变形测量方法及装置 - Google Patents

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Abstract

本公开涉及一种变形测量方法及装置，该方法包括：在待测试件的温度保持不变的情况下，分别获取待测试件表面的待测区域相对于标记物在第一时刻的第一高度场和第二时刻的第二高度场，根据第一高度场及第二高度场，分别获得待测区域在第一时刻的第一图像和第二时刻的第二图像。并根据第一高度场、第二高度场、第一图像和第二图像确定力‑化学耦合机理。本公开根据待测试件表面高度场特征进行分析，操作简便易行。此外，本公开能够获取待测试件在高温氧化过程中的实时数据，进而得到待测试件在不同区域的氧化膜生长厚度。有利于考察材料在不同应力状态下的氧化动力学过程。能够更客观全面的揭示力‑化学耦合机理。

Description

变形测量方法及装置
技术领域
本公开涉及计量技术领域，尤其涉及一种变形测量方法及装置。
背景技术
随着航空航天、能源动力等行业的发展，包括镍基高温合金、铌基高温合金等在内的高温材料得到了广泛的应用。例如，蒸汽轮机的热效率随运行温度的提高而升高，因此，提高其运行温度就成为提高能源利用率的可行手段。与此同时，更高的温度为材料耐高温性能提出了更高的要求。工程上为了提高热效率同时保证设备正常运行，往往使用一系列高温结构材料来代替常规材料。在工作状况下，上述高温结构材料往往会出现明显的氧化现象。氧化会导致材料的力学性能和稳定性发生变化，进而影响结构整体的安全性。
相关技术中，研究材料高温氧化行为可采用多种方法，如氧化动力学测量、氧化反应产物形貌检测等。这些方法基于氧化动力学过程，通过对反应产物的组成、形貌、微观结构等进行检测，探究氧化机制。但需要指出的是，上述形貌方法多为离线检测方法，往往难以获取材料在高温氧化过程中的数据，同时，对于材料氧化行为来说，其受力状态和微观形貌往往并不是均匀的，因此在材料的不同区域氧化动力学过程并非完全一致。因此，上述方法对于力学—化学耦合行为的研究作用有限。
发明内容
有鉴于此，本公开提出了一种变形测量方法及装置。
根据本公开的一方面，提供了一种变形测量方法，包括：
在待测试件达到目标温度的情况下，在第一时刻获取所述待测试件表面的待测区域相对于标记物的第一高度场，其中，所述待测试件由待测量材料制成；
在所述待测试件的温度保持不变，且与所述第一时刻间隔预定时间段的情况下，在第二时刻获取所述待测区域相对于所述标记物的第二高度场；
根据所述第一高度场及所述第二高度场，分别获得所述待测区域在所述第一时刻的第一图像及所述待测区域在所述第二时刻的第二图像；
根据所述第一高度场、所述第二高度场、所述第一图像和所述第二图像，确定力-化学耦合机理。
在一种可能的实现方式中，根据所述第一高度场、所述第二高度场、所述第一图像和所述第二图像，确定力-化学耦合机理，包括：
根据所述第二高度场与所述第一高度场之间的差值，确定所述待测区域的氧化膜的生长厚度分布；
根据所述第一图像和所述第二图像，确定所述待测区域的面内应力场；
根据所述生长厚度分布和所述面内应力场，确定力-化学耦合机理。
在一种可能的实现方式中，根据所述第一图像和所述第二图像，确定所述待测区域的面内应力场，包括：
根据所述第一图像和所述第二图像，通过数字图像相关法获得所述待测区域的应变场；
根据所述应变场，通过本构模型获得所述待测区域表面的面内应力场。
在一种可能的实现方式中，所述方法还包括：
通过光刻的方式在所述待测试件表面设置预定高度的所述标记物，其中，所述标记物由耐高温材料制成。
在一种可能的实现方式中，所述待测量材料包括金属材料或合金材料。
根据本公开的另一方面，提供了一种变形测量装置，包括：
第一获取模块，用于在待测试件达到目标温度的情况下，在第一时刻获取所述待测试件表面的待测区域相对于标记物的第一高度场，其中，所述待测试件由待测量材料制成；
第二获取模块，用于在所述待测试件的温度保持不变，且与所述第一时刻间隔预定时间段的情况下，在第二时刻获取所述待测区域相对于所述标记物的第二高度场；
转换模块，用于根据所述第一高度场及所述第二高度场，分别获得所述待测区域在所述第一时刻的第一图像及所述待测区域在所述第二时刻的第二图像；
确定模块，用于根据所述第一高度场、所述第二高度场、所述第一图像和所述第二图像，确定力-化学耦合机理。
在一种可能的实现方式中，所述确定模块包括：
第一确定子模块，用于根据所述第二高度场与所述第一高度场之间的差值，确定所述待测区域的氧化膜的生长厚度分布；
第二确定子模块，用于根据所述第一图像和所述第二图像，确定所述待测区域的面内应力场；
第三确定子模块，用于根据所述生长厚度分布和所述面内应力场，确定力-化学耦合机理。
在一种可能的实现方式中，所述第二确定子模块包括：
应变场获得子模块，用于根据所述第一图像和所述第二图像，通过数字图像相关法获得所述待测区域的应变场；
应力场获得子模块，用于根据所述应变场，通过本构模型获得所述待测区域表面的面内应力场。
在一种可能的实现方式中，所述装置还包括：
标记模块，用于通过光刻的方式在所述待测试件表面设置预定高度的所述标记物，其中，所述标记物由耐高温材料制成。
在一种可能的实现方式中，所述待测量材料包括金属材料或合金材料。
本公开在待测试件的温度保持不变的情况下，分别获取待测试件表面的待测区域相对于标记物在第一时刻的第一高度场和第二时刻的第二高度场；根据第一高度场及第二高度场，分别获得待测区域在第一时刻的第一图像和第二时刻的第二图像；并根据第一高度场、第二高度场、第一图像和第二图像确定待测试件的变形测量结果，进而确定力-化学耦合机理。本公开根据待测试件表面高度场特征进行分析，操作简便易行。此外，本公开能够获取待测试件在高温氧化过程中的实时数据，进而得到待测试件在不同区域的氧化膜生长厚度，有利于考察材料在不同应力状态下的氧化动力学过程，能够更客观全面的揭示力-化学耦合机理。
根据下面参考附图对示例性实施例的详细说明，本公开的其它特征及方面将变得清楚。
附图说明
包含在说明书中并且构成说明书的一部分的附图与说明书一起示出了本公开的示例性实施例、特征和方面，并且用于解释本公开的原理。
图1是根据一示例性实施例示出的一种变形测量方法的流程图。
图2是根据一示例性实施例示出的一种变形测量方法中步骤103的流程图。
图3是根据一示例性实施例示出的一种变形测量方法中步骤201的流程图。
图4是本公开一应用示例中待测区域的氧化膜分布图。
图5是本公开一应用示例中的第一图像。
图6是本公开一应用示例中的第二图像。
图7是根据一示例性实施例示出的一种变形测量装置的框图。
图8是根据另一示例性实施例示出的一种变形测量装置的框图。
具体实施方式
以下将参考附图详细说明本公开的各种示例性实施例、特征和方面。附图中相同的附图标记表示功能相同或相似的元件。尽管在附图中示出了实施例的各种方面，但是除非特别指出，不必按比例绘制附图。
在这里专用的词“示例性”意为“用作例子、实施例或说明性”。这里作为“示例性”所说明的任何实施例不必解释为优于或好于其它实施例。
另外，为了更好的说明本公开，在下文的具体实施方式中给出了众多的具体细节。本领域技术人员应当理解，没有某些具体细节，本公开同样可以实施。在一些实例中，对于本领域技术人员熟知的方法、手段、元件和电路未作详细描述，以便于凸显本公开的主旨。
图1是根据一示例性实施例示出的一种变形测量方法的流程图。如图1所示，该方法包括：
步骤100，在待测试件达到目标温度的情况下，在第一时刻获取所述待测试件表面的待测区域相对于标记物的第一高度场，其中，所述待测试件由待测量材料制成。
步骤101，在所述待测试件的温度保持不变，且与所述第一时刻间隔预定时间段的情况下，在第二时刻获取所述待测区域相对于所述标记物的第二高度场。
步骤102，根据所述第一高度场及所述第二高度场，分别获得所述待测区域在所述第一时刻的第一图像及所述待测区域在所述第二时刻的第二图像。
步骤103，根据所述第一高度场、所述第二高度场、所述第一图像和所述第二图像，确定力-化学耦合机理。
在本示例中，可以利用高温纳米压痕仪中SPM(Scanning Probe Microscope，扫描探针显微镜)的扫描成像功能对待测试件表面的待测区域进行扫描，由此获得待测试件表面的高度场；以高度场为特征，借助于数据重构，得到前后两次扫描获得的高度对应的灰度图像；借助于数字图像相关(DIC)方法，计算可得待测试件表面的应变场；根据该应变场引入材料本构关系可以得到待测试件的面内应力场；继而通过应力场与氧化膜生长厚度的进行耦合分析，可以揭示力-化学耦合机理，其中，力-化学耦合机理可以包括：待测材料在压应力的区域，氧化速度受到抑制；待测材料在拉应力区域，氧化速度加速。
本公开根据待测试件表面高度场特征进行分析，操作简便易行。此外，本公开能够获取待测试件在高温氧化过程中的实时数据，进而得到待测试件在不同区域的氧化膜生长厚度。有利于考察材料在不同应力状态下的氧化动力学过程。能够更客观全面的揭示力-化学耦合机理。
作为本实施例的一个示例，可以预先制备待测试件，对由待测材料制成的待测试件表面进行打磨和抛光，使其达到SPM扫描实验的要求。通过光刻的方式在所述待测试件表面制备预定高度的标记物。
在一种可能的实现方式中，所述标记物由耐高温材料制成。
在一种可能的实现方式中，所述待测量材料包括金属材料或合金材料。
作为本实施例的一个示例，步骤100可以包括：通过温度控制系统，将纳米压痕仪载台升温至目标温度，待测试件开始氧化。在目标温度恒定的环境下，设定SPM扫描频率、扫描范围和成像接触力等扫描参数，在第一时刻对待测试件表面进行第一次栅格式扫描，获得待测试件表面的待测区域相对于标记物的第一高度场。
作为本实施例的一个示例，步骤101可以包括：在目标温度保持恒定的情况下，待测试件氧化一段时间后，以相同的扫描参数在第二时刻对待测试件表面进行第二次栅格式扫描，获得待测试件表面的待测区域相对于标记物的第二高度场。
作为本实施例的一个示例，步骤102可以包括：将第一高度场和第二高度场分别进行归一化处理，并转化为16位灰度图像。例如，可以将第一高度场和第二高度场中最低高度值对应灰度值为0，最高高度值对应灰度值为65535。以此类推，将第一、第二高度场中的各点高度值转换为相应的灰度值。由此可获得第一高度场对应的第一图像和第二高度场对应的第二图像。
图2是根据一示例性实施例示出的一种变形测量方法中步骤103的流程图。作为本实施例的一个示例，如图2所示，步骤103可以包括：
步骤200，根据所述第二高度场与所述第一高度场之间的差值，确定所述待测区域的氧化膜的生长厚度分布。
步骤201，根据所述第一图像和所述第二图像，确定所述待测区域的面内应力场。
步骤202，根据所述生长厚度分布和所述面内应力场，确定力-化学耦合机理。
在一种可能的实现方式中，在步骤200中，可以得到第二高度场与第一高度场之间的差值，该差值可以反映出在第一时刻至第二时刻之间待测区域氧化膜生长的厚度分布。
在一种可能的实现方式中，在步骤201中，可以根据第一图像和第二图像，通过数字图像相关法(DIC)和本构关系模型确定待测区域的面内应力场。
图3是根据一示例性实施例示出的一种变形测量方法中步骤201的流程图。举例来讲，如图3所示，步骤201可以包括：步骤300，根据所述第一图像和所述第二图像，通过数字图像相关法获得所述待测区域的应变场。步骤301，根据所述应变场，通过本构模型获得所述待测区域表面的面内应力场。
例如，可以通过式1(归一化最小平方距离函数)计算第一图像和第二图像的相似度。如果根据式1得到第一图像和第二图像相似度大于相似阈值(诸如80％或90％)，则确定该第一图像和该第二图像为待测试件上相同区域在第一时刻和第二时刻的不同表象。进而，可以根据第一图像和第二图像通过数字图像相关法确定待测试件表面的应变场，其中，该应变场包括待测试件表面各点在x方向的应变，y方向的应变以及剪应变。
式1中，表示第一图像与第二图像的相似度，f(x，y)表示第一图像的坐标系中点(x，y)的灰度值，fm表示第一图像的平均灰度值，g(x′，y′)表示第二图像的坐标系中点(x′，y′)的灰度值，gm表示第二图像的平均灰度值，N表示x和x′的取值范围，M表示y和y′的取值范围，N与M均为整数，N与M可以相同也可以不相同。
接着，可以根据该应变场，通过式2、式3和式4确定应力场。其中，该应力场包括待测试件表面各点在x方向的应力，y方向的应力以及剪应力。
式2、式3和式4中，εx表示待测试件在x方向的应变，εy表示待测试件在y方向的应变，γxy表示待测试件的剪应变。σx表示待测试件在x方向的应力，σy，表示待测试件在y方向的应力，τxy表示待测试件的剪应力，E表示待测试件材料的弹性模量，v表示泊松比。
最后，可以将生长厚度分布和面内应力场进行耦合分析，得到应力与氧化膜生长之间的关系，进而揭示力化学耦合机理。
在一种应用实例中，以待测材料为高熵合金材料为例进行说明。
制备待测试件。试件尺寸为10mm(毫米)×10mm×3mm；分别利用400-2000目的砂纸打磨待测试件表面，并先后用型号为w2.5以及w1.5的金刚石研磨膏对待测试件表面进行打磨。磨抛结束后放到扫描电镜下检查表面粗糙度，以确保达到进行高温SPM的表面粗糙度要求。
利用光刻方法在试件表面预制高度为5μm(微米)的二氧化硅圆柱形标记物。
利用温度控制系统，将纳米压痕仪载台升温至500℃(摄氏度)，此时待测试件开始氧化。
待温度稳定在500℃的情况下，选取带有预制标记物的区域(待测区域的示例)，设定SPM扫描参数：扫描频率为1Hz(赫兹)，扫描范围为40μm，接触力为3μN(微牛)，以纳米级别的定位精度在待测试件表面进行栅格式扫描，获得待测试件表面微结构形貌，获得初始时刻(即“第一时刻”)试件表面各点相对于预制标记物的第一高度场，记为h0场。
在第一次扫描结束后5分钟(第一时刻与第二时刻间隔的示例)，以相同的扫描参数进行第二次SPM扫描，获得当前时刻(即“第二时刻”)试件表面扫描范围(待测区域的示例)内各点相对于预制标记物的高度信息，其相对于预制标记物的第二高度场记为h1场。获取第二高度场与第一高度场之间的差值，即Δh＝h0-h1。图4是本公开一应用示例中待测区域的氧化膜分布图，如图4所示，Δh可以表示待测区域的氧化膜的生长厚度分布。
将前后两次扫描得到的高度场分别归一化，并转化为16位灰度图像，即SPM扫描得到的最低高度对应的灰度值为0，最高高度对应灰度值为65535，以此类推，将第一、第二高度场中的各点高度值转换为相应的灰度值。图5是本公开一应用示例中的第一图像，图6是本公开一应用示例中的第二图像，如图5和图6所示，可以获得第一高度场对应的第一灰度图(第一图像的示例)和第二高度场对应的第二灰度图(第二图像的示例)。
通过于上文式1方法分别确定第一灰度图和第二灰度图的相似度，在第一灰度图和第二灰度图的相似度大于相似阈值(例如90％)的情况下，可以确定第一灰度图和第二灰度图分别为待测试件上相同的区域在初始时刻和当前时刻的不同表象，并通过数字图像相关方法(DIC)在第一、第二灰度图上进行搜索计算，得到试件表面扫描范围的应变场。
根据该应变场，通过本构关系模型即上文式2、式3和式4，得到试件表面扫描范围的面内应力场。
将该面内应力场与氧化膜生长厚度进行耦合分析，得到应力与氧化膜生长之间的关系，进而揭示力化学耦合机理：即，在压应力区域氧化膜生长较慢，拉应力区域氧化膜生长较快，同时材料表面微结构会影响氧化膜生长过程。
本公开根据待测试件表面高度场特征进行分析，操作简便易行。此外，本公开能够获取待测试件在高温氧化过程中的实时数据，进而得到待测试件在不同区域的氧化膜生长厚度。有利于考察材料在不同应力状态下的氧化动力学过程。能够更客观全面的揭示应力—化学耦合机理。
图7是根据一示例性实施例示出的一种变形测量装置的框图。如图7所示，该装置包括：
第一获取模块41，用于在待测试件达到目标温度的情况下，在第一时刻获取所述待测试件表面的待测区域相对于标记物的第一高度场，其中，所述待测试件由待测量材料制成。
第二获取模块42，用于在所述待测试件的温度保持不变，且与所述第一时刻间隔预定时间段的情况下，在第二时刻获取所述待测区域相对于所述标记物的第二高度场。
转换模块43，用于根据所述第一高度场及所述第二高度场，分别获得所述待测区域在所述第一时刻的第一图像及所述待测区域在所述第二时刻的第二图像。
确定模块44，用于根据所述第一高度场、所述第二高度场、所述第一图像和所述第二图像确定力-化学耦合机理。
图8是根据另一示例性实施例示出的一种变形测量装置的框图。为了便于说明，在图8中仅展示出了与本实施例相关的部分。图8中标号与图7相同的组件具有相同的功能，为了简明起见，省略对这些组件的详细说明。如图8所示，
在一种可能的实现方式中，所述确定模块44包括：
第一确定子模块441，用于根据所述第二高度场与所述第一高度场之间的差值，确定所述待测区域的氧化膜的生长厚度分布。
第二确定子模块442，用于根据所述第一图像和所述第二图像，确定所述待测区域的面内应力场。
第三确定子模块443，用于根据所述生长厚度分布和所述面内应力场，确定力-化学耦合机理。
在一种可能的实现方式中，所述第二确定子模块442包括：
第四确定子模块4421，用于根据所述第一图像和所述第二图像，通过数字图像相关法获得所述待测区域的应变场。
第五确定子模块4422，用于根据所述应变场，通过本构模型获得所述待测区域表面的面内应力场。
在一种可能的实现方式中，所述装置还包括：
标记模块45，用于通过光刻的方式在所述待测试件表面设置预定高度的所述标记物，其中，所述标记物由耐高温材料制成。
在一种可能的实现方式中，所述待测量材料包括金属材料或合金材料。
本公开根据待测试件表面高度场特征进行分析，操作简便易行。此外，本公开能够获取待测试件在高温氧化过程中的实时数据，进而得到待测试件在不同区域的氧化膜生长厚度。有利于考察材料在不同应力状态下的氧化动力学过程。能够更客观全面的揭示力-化学耦合机理。
关于上述实施例中的装置，其中各个模块执行操作的具体方式已经在有关该方法的实施例中进行了详细描述，此处将不做详细阐述说明。
以上已经描述了本公开的各实施例，上述说明是示例性的，并非穷尽性的，并且也不限于所披露的各实施例。在不偏离所说明的各实施例的范围和精神的情况下，对于本技术领域的普通技术人员来说许多修改和变更都是显而易见的。本文中所用术语的选择，旨在最好地解释各实施例的原理、实际应用或对市场中的技术改进，或者使本技术领域的其它普通技术人员能理解本文披露的各实施例。

Claims (10)

1.一种变形测量方法，其特征在于，包括：
在待测试件达到目标温度的情况下，在第一时刻获取所述待测试件表面的待测区域相对于标记物的第一高度场，其中，所述待测试件由待测量材料制成；
在所述待测试件的温度保持不变，且与所述第一时刻间隔预定时间段的情况下，在第二时刻获取所述待测区域相对于所述标记物的第二高度场；
根据所述第一高度场及所述第二高度场，分别获得所述待测区域在所述第一时刻的第一图像及所述待测区域在所述第二时刻的第二图像；
根据所述第一高度场、所述第二高度场、所述第一图像和所述第二图像，确定力-化学耦合机理。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，根据所述第一高度场、所述第二高度场、所述第一图像和所述第二图像，确定力-化学耦合机理，包括：
根据所述第二高度场与所述第一高度场之间的差值，确定所述待测区域的氧化膜的生长厚度分布；
根据所述第一图像和所述第二图像，确定所述待测区域的面内应力场；
根据所述生长厚度分布和所述面内应力场，确定力-化学耦合机理。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，根据所述第一图像和所述第二图像，确定所述待测区域的面内应力场，包括：
根据所述第一图像和所述第二图像，通过数字图像相关法获得所述待测区域的应变场；
根据所述应变场，通过本构模型获得所述待测区域表面的面内应力场。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：
通过光刻的方式在所述待测试件表面设置预定高度的所述标记物，其中，所述标记物由耐高温材料制成。
5.根据权利要求1-4中任意一项所述的方法，其特征在于，所述待测量材料包括金属材料或合金材料。
6.一种变形测量装置，其特征在于，包括：
第一获取模块，用于在待测试件达到目标温度的情况下，在第一时刻获取所述待测试件表面的待测区域相对于标记物的第一高度场，其中，所述待测试件由待测量材料制成；
第二获取模块，用于在所述待测试件的温度保持不变，且与所述第一时刻间隔预定时间段的情况下，在第二时刻获取所述待测区域相对于所述标记物的第二高度场；
转换模块，用于根据所述第一高度场及所述第二高度场，分别获得所述待测区域在所述第一时刻的第一图像及所述待测区域在所述第二时刻的第二图像；
确定模块，用于根据所述第一高度场、所述第二高度场、所述第一图像和所述第二图像，确定力-化学耦合机理。
7.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，所述确定模块包括：
第一确定子模块，用于根据所述第二高度场与所述第一高度场之间的差值，确定所述待测区域的氧化膜的生长厚度分布；
第二确定子模块，用于根据所述第一图像和所述第二图像，确定所述待测区域的面内应力场；
第三确定子模块，用于根据所述生长厚度分布和所述面内应力场，确定力-化学耦合机理。
8.根据权利要求7所述的装置，其特征在于，所述第二确定子模块包括：
应变场获得子模块，用于根据所述第一图像和所述第二图像，通过数字图像相关法获得所述待测区域的应变场；
应力场获得子模块，用于根据所述应变场，通过本构模型获得所述待测区域表面的面内应力场。
9.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，所述装置还包括：
标记模块，用于通过光刻的方式在所述待测试件表面设置预定高度的所述标记物，其中，所述标记物由耐高温材料制成。
10.根据权利要求6-9中任意一项所述的装置，其特征在于，所述待测量材料包括金属材料或合金材料。
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