CN110174315A - 弯曲断裂测试的非接触式裂纹张开位移测量装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于材料性能测试领域，特别是一种弯曲断裂测试的非接触式裂纹张开位移测量装置及方法。包括力学实验机；弯曲测试工装：包括一个上压头和两个下压头，试样装夹在上压头和下压头之间；数字图像采集系统：包括工业相机，成像镜头，设置在成像镜头前端的环形LED照明光源，相机支撑系统和反射镜；反射镜呈45°倾斜角设置在试样的下部，反射镜将光源产生的光线反射至试样断裂表面，同时将断裂试样表面图像反射入成像镜头内；控制系统：实时显示工业相机图像，计算实时裂纹张开位移。本发明使用光学成像系统采集试样裂纹口周围的图像，利用数字图像相关算法计算实时裂纹张开位移，可以实现非接触式测量，测量装置对样品不产生任何影响。
Description
技术领域
本发明属于材料性能测试领域，特别是一种弯曲断裂测试的非接触式裂纹张开位移测量装置及方法。
背景技术
单边缺口试样弯曲断裂测试，如三点弯曲或四点弯曲，是评价材料断裂韧性的常用方法。对于脆性材料，当样品满足线弹性断裂力学条件时，三点弯曲测试一般参照国家标准GB/T 4161-2007或美国ASTM E399-17标准，直接获得材料断裂的临界应力强度因子KIC。而对于韧性材料，则一般参照国家标准GB/T 21143-2014或美国ASTM E1820-15标准，采用基于弹塑性断裂力学的临界J积分或临界裂纹尖端张开位移。
无论选择线弹性或弹塑性断裂力学测试方法，弯曲断裂测试的关键均在于准确测量试样的裂纹口张开位移(Crack Mouth Opening Displacement,CMOD)。常规的CMOD测量广泛采用与试样直接接触的电阻应变片夹式引伸计，此类引伸计通过刀刃直接安装在样品的裂纹口中，可以实时测量裂纹口张开位移。然而，夹式引伸计存在诸多不足：(1)标距固定，量程有限，难以测量较大范围的张开位移；(2)与试样直接接触并且对试样施加较大的反作用力，不使用于特别脆或特别软的材料；(3)试样测试前后，需安装和摘除引伸计，操作复杂；(4)材料突然断裂时，引伸计容易掉落和机械损坏；(5)有限的适用温度区间，不能同时兼容高温测试。
另外，受材料制备方法、服役环境、工件形状(如管道，薄壁等)等限制，难以获得标准尺寸的断裂试样。这些情况下，开展小尺寸弯曲断裂测试具有重要意义。但是，夹式引伸计通常体积大，能测量的最小裂纹口也较宽(例如，Epsilon 3541型夹式引伸计最小裂纹口宽度为2.5mm)，难以满足微型试样的测试要求。
除了常规环境测试外，有时还需要在极端环境中进行断裂性能评价，以确保材料在服役环境中足够安全。在高温或低温条件下进行弯曲断裂韧性测试时，通常采用对应的高温或低温夹式引伸计，并且需要在环境箱上开孔或者通过引伸杆等装置将箱内样品裂纹口张开位移转换至箱外。这必然导致环境箱设计复杂化，增加隔热难度和低温介质损耗，同时可能引入测试误差。在不同温度环境(高温，室温和低温)开展断裂测试时，需要更换对应的引伸计，使测试过程变得繁琐，也增加设备的购置成本。另外，若需要在腐蚀介质环境中开展断裂测试，测试条件将更为复杂，且腐蚀介质可能会损坏引伸计。
发明内容
本发明所解决的技术问题在于提供一种弯曲断裂测试的非接触式裂纹张开位移测量装置及方法。
实现本发明目的的技术解决方案为：
一种弯曲断裂测试的非接触式裂纹张开位移测量装置，包括
力学实验机；
弯曲测试工装：弯曲测试工装装载于力学实验机中，弯曲测试工装包括一个上压头和两个下压头，试样装夹在上压头和下压头之间，上压头设置在试样的中间部位，两个下压头分别设置在试样的两端；
数字图像采集系统：包括工业相机，设置在工业相机前端的成像镜头，设置在成像镜头前端的环形LED照明光源，相机支撑系统和反射镜；所述反射镜呈45°倾斜角设置在试样的下方，反射镜将环形LED照明光源产生的光线反射至试样断裂表面，同时将断裂试样表面图像反射入成像镜头内；
控制系统：工业相机和力学实验机与控制系统相连，控制系统实时显示工业相机图像，计算实时裂纹张开位移，同步采集力学实验机输出的载荷信号或者将计算得到的裂纹张开位移反馈给力学实验机。
进一步的，所述力学实验机包括上夹头，下夹头，横梁，竖直框架和底座；所述下夹头固定设置在底座，所述上夹头设置在横梁中部下侧，横梁可移动的设置在竖直框架上。
进一步的，所述弯曲测试工装还包括上连接杆，弯曲工装底座，下连接杆；
所述上连接杆一端与上压头连接，一端与上夹头连接，所述下连接杆一端与弯曲工装底座连接，一端与下夹头连接。
进一步的，所述弯曲工装底座上表面设置有滑槽，下压头通过滑槽固定安装在弯曲工装底座上，所述反射镜通过反射镜底座固定安装在弯曲工装底座上；
所述弯曲工装底座侧面设置有跨距刻度，所述下压头和反射镜底座在滑槽中的位置，根据跨距刻度设置。
进一步的，所述上压头和下压头顶端设有钨钢棒，上压头和下压头通过钨钢棒与试样线接触；
下压头上表面设有对中刻度，用于试样的对中。
进一步的，所述相机支撑系统包括固定块，三维平移台，连接板，型材横梁和三脚架；
所述工业相机通过C口螺纹固定于成像镜头尾部，成像镜头通过固定块固定于三维平移台上，三维平移台通过连接板固定于型材横梁，型材横梁固定于三脚架上；
通过调节三脚架的高度、方位以及位置，保证成像镜头对准并垂直于试样，同时保证试样在镜头的工作距离。
进一步的，所述反射镜通过45°倾斜反射镜底座固定于弯曲断裂测试工装底座滑槽的中央位置，正对试样预制缺口；反射镜为反射率高于98％的光学镜片。
进一步的，所述成像镜头为低畸变远心光学镜头，为定焦或定倍变焦，放大倍率根据被测样品尺寸选定；
所述工业相机为CCD或者CMOS相机，分辨率根据测量精度要求选定；
所述环形LED照明光源用于产生均匀的无影光线，其光照强度根据使用场景调节。
进一步的，所述控制系统为计算机，计算机内设置测量控制软件。
一种利用上述的装置进行测量的方法，包括如下步骤：
步骤一：在试样的缺口两侧绘制白色背底，再喷制黑色斑点，形成测量随机散斑；
步骤二：调节两个下压头的跨距，将试样放置于下压头上，缺口朝下；调节三脚架，使成像镜头与反射镜高度一致，正对试样平面，通过控制系统实时观察试样散斑图像，利用三维平移台调节成像镜头位置并聚焦图像，并调节环状LED照明光源的强度，使采集到的散斑图像清晰、对比度适中；
步骤三：通过测量控制软件抓取一张散斑图像，作为起始参考图像，在裂纹两侧分别选取1组像素子集作为特征点，每组5-8点，调整像素子集大小，使特征点适合数字图像相关分析；
步骤四：启动测量控制软件，进入实时分析模式，观察未加载时位移数据波动情况，如果数据波动过大，重新选标记点或者重新喷制散斑图案；
步骤五：启动力学实验机测试程序，开始加载；
步骤六：在测试过程中，测量控制软件实时采集散斑图像，在内存中完成数字图像相关分析，计算散斑图像所选择的特征点相对参考图像的相对位移，并计算出裂纹张开位移，测量控制软件可同步采集力学实验机输出的载荷信号，实时绘制载荷-位移曲线，测量控制软件亦可将计算的裂纹张开位移信号反馈给力学实验机；
步骤七：测试结束后，停止测量控制软件的实时分析模式。
本发明与现有技术相比，其显著优点如下：
(1)本发明使用光学成像系统采集试样裂纹口周围的图像，利用数字图像相关算法计算实时裂纹张开位移，可以实现非接触式测量，测量装置对样品不产生任何影响。由于所述的数字图像相关算法利用非线性优化方法计算出所有标记点的亚像素位移，因此计算测量精度优于0.01像素，从而实现微型三点弯曲试样的断裂韧性测量。
(2)通过在低温、高温环境箱或液体介质容器设计高透明的观察窗口，本发明可方便地实现特殊环境的弯曲断裂测试。
(3)本发明使用灵活，弯曲测试夹具下压头跨距可调节，反射镜底座，显微镜头和CCD工业相机均可根据需要更换，以适应不同尺寸的试样和测试环境。
(4)本发明的裂纹张开位移测量范围较宽，可同时用于线弹性脆性材料和弹塑性韧性材料的测试。
附图说明
图1本申请测试装置结构示意图。
图2本申请反射镜和弯曲测试工装正面的立体示意图。
图3本申请反射镜和弯曲测试工装侧面的立体示意图。
图4本申请利用反射镜观察样品标记区域的原理图。
图5本申请随机散斑标记区域图像和选择的特征点。
图6本申请实施例钨合金裂纹口张开位移和载荷的关系曲线图。
附图标记说明：
1-力学实验机，2-试样，3-弯曲测试工装，4-环形LED照明光源，5-成像镜头，6-工业相机，7-固定块，8-三维平移台，9-连接板，10-横梁，11-三脚架，12-数据线，13-控制系统，14-上连接杆，15-上压头，16-下压头，17-对中刻度，18-弯曲工装底座，19-跨距刻度，20-下连接杆，21-滑块，22-反射镜底座，23-反射镜，24-特征点。
具体实施方式
为了更清楚直观地描述本发明所的技术方案和测试方法，下面将结合附图进行进一步说明。
如图1，2所示，本发明提供了一种弯曲断裂测试的非接触式裂纹张开位移测量装置，包括反射镜23、成像镜头5、工业相机6、环形LED照明光源4、标定板、三维平移台8、由型材横梁10和三脚架11组成的支撑系统以及用于控制和实时数字图像采集的控制系统13。
其位置关系是：工业相机6通过标准C口螺纹固定于成像镜头5尾部；成像镜头5通过固定块7固定于三维平移台8上；三维平移台8通过连接板9固定于型材横梁10；横梁固定于三脚架11上。通过调节三脚架11的高度、方位以及位置，保证成像镜头5对准并垂直于试样2，同时保证试样2在镜头的工作距离附近。工业相机6通过数据线12与控制系统13相连。
如图2，3所示，所述的三点弯曲测试工装3中，上连接杆14和下连接杆20一端表面有滚花，便于力学试验机1的夹头夹持；另一端为螺纹杆，分别旋入上压头15和工装底座18的螺纹孔中。弯曲测试工装的上压头15和下压头16均通过它们顶端的钨钢棒与试样2接触。弯曲测试工装底座18设有滑轨，滑轨可以使得反射镜底座22和2个下压头16安装在底座上，锁紧下压头16和滑块21的螺丝可以将下压头固定在滑轨上。另外下压头上端设有对中刻度17，用于试样的精准快速对中。底座侧面设有跨距刻度19，便于调节2个下压头15之间的跨距，以适应不同大小的试样。
如图4所示，所述的反射镜23通过45°倾斜底座22固定于弯曲断裂测试工装底座18滑轨的中央位置，正对着样品预制缺口。所述反射镜23为反射率高于98％的光学镜片，用于将所述的环形LED照明光源4产生的光线反射至断裂试样表面，同时将断裂试样表面图像反射入所述的成像镜头5内。通过以上设计，实现光学成像系统对弯曲断裂试样下表面裂纹张开位移的有效测量。
所述成像镜头5为低畸变远心光学镜头，可为定焦或定倍变焦，其放大倍率可根据被测样品尺寸选定。
所述工业相机6为CCD或者CMOS相机，分辨率可根据测量精度要求选定；
所述环形LED照明光源4用于产生均匀的无影光线，其光照强度可根据使用场景调节；
所述标定板可为标准测量刻度尺(成像镜头5放大倍率较低时)或加工有刻度且长度已知的显微标定尺(成像镜头5放大倍率较高时)，用于标定工业相机采集图像的单像素物理长度；
所述的三维平移台8可以实现三轴精细平移，用于选择测量视场和聚焦图像；
所述控制系统13为家用或工业计算机。所述控制系统安装有测量控制软件，其具有如下功能：1.实时显示工业相机图像,辅助镜头调焦和视场选择；2.抓拍工业相机图像，选择裂纹两侧测量标记点，设置初始参考图像；3.实时抓取图像，利用数字图像相关方法精确计算标记点的亚像素位移，进而计算实时裂纹张开位移；4.同步采集力学实验机1输出的载荷信号或者将计算得到的裂纹张开位移反馈给实验机1；
为了提高测量精度和测量稳定性，在裂纹口两侧分别选择一组特征标记点24，每组5-8个。测量时，所述的数字图像相关算法自动在实时抓取的图像中识别所选择的标记点，并利用非线性优化方法计算出所有标记点的亚像素位移。计算精度优于0.01像素。最后，计算出两组标记点平均相对位移作为裂纹口张开位移；
通过选择较高放大倍率的成像镜头5，本发明的测量装置可以测量小尺寸弯曲断裂样品的裂纹张开位移；
通过在低温或高温环境箱设计高透明的观察窗口，本发明的测量装置可直接用于高低温弯曲测试的裂纹张开位移的测量；
通过在液体介质容器设计高透明的观察窗口，本发明的测量装置可直接用于介质环境弯曲测试的裂纹张开位移的测量。
一种利用上述弯曲断裂测试的非接触式裂纹张开位移测量装置进行测量的方法，具体步骤如下：
步骤一：在单边缺口弯曲断裂试样的缺口两侧先绘制白色背底，再喷制黑色斑点，形成测量随机散斑(如图5所示)；
步骤二：调节弯曲工装下压头16的跨距，将试样2放置于弯曲工装的下压头上，缺口朝下。调节三脚架11，使成像镜头5与反射镜23高度一致，并且正对样品平面。通过测量控制软件实时观察样品散斑图像，利用三维平移台8精细调节镜头位置并聚焦图像，并调节环状LED照明光源4的强度，使采集到的散斑图像清晰、对比度适中；
步骤三：通过测量控制软件抓取一张散斑图像，作为起始参考图像。在裂纹两侧分别选取1组像素子集作为特征点，每组5-8点。调整像素子集大小，使特征点适合数字图像相关分析；
步骤四：启动测量控制软件，进入实时分析模式，观察未加载时位移数据波动情况。如果数据波动过大，重新选标记点或者重新喷制散斑图案；
步骤五：启动力学实验机测试程序，开始加载；
步骤六：在测试过程中，测量控制软件实时采集散斑图像，在内存中完成数字图像相关分析，计算散斑图像所选择的特征点相对参考图像的相对位移，并计算出裂纹张开位移。测量控制软件可同步采集力学实验机输出的载荷信号，实时绘制载荷-位移曲线。测量控制软件亦可将计算的裂纹张开位移信号反馈给力学实验机。
步骤七：测试结束后，停止测量控制软件的实时分析模式。
实施例
下面以一种钨合金作为实施例介绍本发明使用过程。
1、材料描述：实施例中的材料是经过变形加工处理的钨合金。由于加工工艺的限制，不能制备出较大体积的块体，常规的测量手段无法有效测量出该材料的断裂韧性。
2、试验项目：脆性材料断裂韧性KIC试验。
3、试样类型：三点弯曲试样，长度约为22mm，跨距S＝16mm，预先用切割出的裂纹缺口深度a0约为1mm。
4、成像系统参数：所选成像镜头放大倍数为2倍，工业相机的数码分辨率为
2048×1088像素，光学测量系统对应采集图像的单像素物理尺寸为2.904μm。
5、试验方法：参照ASTM E399-12测试标准，基于线弹性断裂力学测量试样的断裂韧性，具体操作步骤参照上述方法，加载速率约为8N/S。
6、试验结果：样品的加载线位移-载荷曲线如图6所示。尽管试样失稳断裂前裂纹张开总位移仅有6μm，但借助本发明高精度的特点，每次试验至少能得到90个数据点。所有的载荷-位移数据，满足线弹性关系。将曲线弹性阶段用直线拟合，再从原点做一条直线，该直线的斜率为拟合直线斜率的95％，与加载线位移-载荷曲线交点对应的载荷记为PQ。通过测量跨距S，样品的宽度W，厚度B和最终裂纹长度a可以计算出试样断裂韧性的条件值KQ。由于测量结果均满足测试标准中所规定的有效性判据，因此试验结果有效，试样断裂韧性KIC＝KQ＝7.9MPa m1/2，与文献报道数据一致。
Claims (10)
1.一种弯曲断裂测试的非接触式裂纹张开位移测量装置，其特征在于，包括
力学实验机(1)；
弯曲测试工装(3)：弯曲测试工装(3)装载于力学实验机(1)中，弯曲测试工装(3)包括一个上压头(15)和两个下压头(16)，试样(2)装夹在上压头(15)和下压头(16)之间，上压头(15)设置在试样(2)的中间部位，两个下压头(16)分别设置在试样(2)的两端；
数字图像采集系统：包括工业相机(6)，设置在工业相机前端的成像镜头(5)，设置在成像镜头(5)前端的环形LED照明光源(4)，相机支撑系统和反射镜(23)；所述反射镜(23)呈45°倾斜角设置在试样(2)的下方，反射镜(23)将环形LED照明光源(4)产生的光线反射至试样断裂表面，同时将断裂试样表面图像反射入成像镜头(5)内；
控制系统(13)：工业相机(6)和力学实验机(1)与控制系统相连，控制系统实时显示工业相机(6)图像，计算实时裂纹张开位移，同步采集力学实验机(1)输出的载荷信号或者将计算得到的裂纹张开位移反馈给力学实验机(1)。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述力学实验机(1)包括上夹头，下夹头，横梁，竖直框架和底座；所述下夹头固定设置在底座，所述上夹头设置在横梁中部下侧，横梁可移动的设置在竖直框架上。
3.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，所述弯曲测试工装(3)还包括上连接杆(14)，弯曲工装底座(18)，下连接杆(20)；
所述上连接杆(14)一端与上压头(15)连接，一端与上夹头连接，所述下连接杆(20)一端与弯曲工装底座(18)连接，一端与下夹头连接。
4.根据权利要求3所述的装置，其特征在于，所述弯曲工装底座(18)上表面设置有滑槽，下压头(16)通过滑槽固定安装在弯曲工装底座(18)上，所述反射镜(23)通过反射镜底座(22)固定安装在弯曲工装底座(18)上；
所述弯曲工装底座(18)侧面设置有跨距刻度(19)，所述下压头(16)和反射镜底座(22)在滑槽中的位置，根据跨距刻度(19)设置。
5.根据权利要求4所述的装置，其特征在于，所述上压头(15)和下压头(16)顶端设有钨钢棒，上压头(15)和下压头(16)通过钨钢棒与试样(2)线接触；
下压头(16)上表面设有对中刻度(17)，用于试样(2)的对中。
6.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述相机支撑系统包括固定块(7)，三维平移台(8)，连接板(9)，型材横梁(10)和三脚架(11)；
所述工业相机(6)通过C口螺纹固定于成像镜头(5)尾部，成像镜头(5)通过固定块(7)固定于三维平移台(8)上，三维平移台(8)通过连接板(9)固定于型材横梁(10)，型材横梁(10)固定于三脚架(11)上；
通过调节三脚架(11)的高度、方位以及位置，保证成像镜头(5)对准并垂直于试样(2)，同时保证试样(2)在镜头的工作距离。
7.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述反射镜(23)通过45°倾斜反射镜底座(22)固定于弯曲断裂测试工装底座(18)滑槽的中央位置，正对试样(2)预制缺口；反射镜(23)为反射率高于98％的光学镜片。
8.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述成像镜头(5)为低畸变远心光学镜头，为定焦或定倍变焦，放大倍率根据被测样品尺寸选定；
所述工业相机(6)为CCD或者CMOS相机，分辨率根据测量精度要求选定；
所述环形LED照明光源(4)用于产生均匀的无影光线，其光照强度根据使用场景调节。
9.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述控制系统(13)为计算机，计算机内设置测量控制软件。
10.利用权利要求1-9任一项所述的装置进行测量的方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤一：在试样(2)的缺口两侧绘制白色背底，再喷制黑色斑点，形成测量随机散斑；
步骤二：调节两个下压头(16)的跨距，将试样(2)放置于下压头(16)上，缺口朝下；调节三脚架(11)，使成像镜头(5)与反射镜(23)高度一致，正对试样(2)平面，通过控制系统(13)实时观察试样(2)散斑图像，利用三维平移台(8)调节成像镜头(5)位置并聚焦图像，并调节环状LED照明光源(4)的强度，使采集到的散斑图像清晰、对比度适中；
步骤三：通过测量控制软件抓取一张散斑图像，作为起始参考图像，在裂纹两侧分别选取1组像素子集作为特征点(24)，每组5-8点，调整像素子集大小，使特征点(24)适合数字图像相关分析；
步骤四：启动测量控制软件，进入实时分析模式，观察未加载时位移数据波动情况，如果数据波动过大，重新选标记点或者重新喷制散斑图案；
步骤五：启动力学实验机(1)测试程序，开始加载；
步骤六：在测试过程中，测量控制软件实时采集散斑图像，在内存中完成数字图像相关分析，计算散斑图像所选择的特征点(24)相对参考图像的相对位移，并计算出裂纹张开位移，测量控制软件可同步采集力学实验机输出的载荷信号，实时绘制载荷-位移曲线，测量控制软件亦可将计算的裂纹张开位移信号反馈给力学实验机；
步骤七：测试结束后，停止测量控制软件的实时分析模式。
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