CN110325817B - 残余热应变测定方法、残余热应变测定装置及其程序 - Google Patents
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Abstract
一种残余热应变分布测定方法，其用于测定作为在对试样施加了热负荷时产生的残余热变形的残余热应变分布，在该测定方法中，在第一温度和作为生成试样时的温度的试样生成温度下，通过图像记录单元记录存在于该试样的表面的周期性图案的图像，基于所记录的各所述周期性图案的图像生成莫尔条纹，计算所述第一温度下的与所述试样相关的所述莫尔条纹的相位，计算所述试样生成温度下的与所述试样相关的所述莫尔条纹的相位，取得相对于所述第一温度的所述试样生成温度下的所述莫尔条纹的相位差，基于所取得的所述相位差，计算相对于所述试样生成温度的所述第一温度下的所述试样的残余热应变。
Description
技术领域
本发明涉及残余热应变测定方法、残余热应变测定装置及其程序。
背景技术
＝＝＝通过参照的援引＝＝＝＝
本申请主张于2017年2月23日提交的日本专利申请第2017-32646号的优先权，并将其内容通过参照援引至本申请。
为了评价材料及结构中的残余应力、机械性能、不稳定行为、裂纹的产生和传播，变形的测定是不可缺少的。目前，作为全视场、非接触且非破坏的主要的变形测定技术，存在有莫尔条纹法、数字图像相关法(DIC)、几何相位解析(GPA)、傅立叶变换法(FT)、电子斑纹图案干涉法(ESPI)等。在这些技术中，DIC方法虽然简单，但是由于变形载体是散斑，因而容易受到噪声影响。GPA和FT由于对于多个频率混合存在那样的网格图像来说不能高精度地解析，因而不适用于复杂的变形测定。另外，ESPI具有容易受到振动的影响的缺点。
通常使用的莫尔条纹法分类为扫描显微镜莫尔条纹法(Microscope scanningmoire method)、莫尔条纹干涉法(Moire interferometry)、CCD或CMOS莫尔条纹法(以下简称为“CCD莫尔条纹法”)、数字重叠莫尔条纹法(Digital/overlapped moire method)这4种方法。扫描显微镜莫尔条纹法包括电子扫描莫尔条纹法(Electron scanning moire)和激光扫描莫尔条纹法(Laser scanning moire)。这些莫尔条纹法利用莫尔条纹定心技术。
为了进一步提高解析精度，存在引入移相法而获得莫尔条纹的相位分布的(时间)移相莫尔条纹法(Temporal phase-shifting moire method)和(空间)采样莫尔条纹法(Sampling moire method)。
另外，通常为了生成莫尔条纹，除了以接近网格间距的间隔进行扫描或下采样处理以外，还存在以网格间距的整数倍或分数倍的间隔进行扫描或下采样处理的乘法型或分数型莫尔条纹法(multiplication or fractional moire method)。
扫描显微镜莫尔法方法向复合材料的残余应力和残余应变测定的应用已被报道，另外，莫尔条纹干涉法已逐渐被运用于电子器件封装以及复合材料的残余应力和残余应变测定。
具体而言，提出了与以下所示的专利文献1、2以及非专利文献1、2相关的技术。专利文献1提出了基于因温度差产生的试样的应变的热膨胀系数测定方法，在该方法中，对电子束莫尔条纹、CCD莫尔条纹、激光扫描莫尔条纹等各种莫尔条纹在试样的加热或冷却过程中和这之前进行观察所得到的两条莫尔条纹相互进行比较，由此测量在试样产生的应变，其中所述各种莫尔条纹由于对试样主体照射粒子束或能量束时的二次电子产生量、反射电子量或反射光与对在所述试样表面形成有与所述试样主体不同的网格的试样照射粒子束、能量束时的二次电子产生量、反射电子量或反射光的不同而能够观察到。
专利文献2鉴于采样莫尔条纹法的现有方法不适于纳米微米材料或大型结构物、并且在应用于具有2周期以上的任意重复的规则图案时，通过现有的解析方法会产生较大的误差这样的问题点，提出了对利用在物体表面人工制成或者预先存在于物体表面的一维或二维的具有重复的任意规则图案而产生的莫尔条纹的高阶频率或多个频率成分的相位信息进行利用的方案，其中所述采样莫尔条纹法通过利用具有规则性的条纹图案、黑白比为1:1的余弦波或矩形波图案而产生莫尔条纹，并解析该莫尔条纹的相位信息而计算变形前后的莫尔条纹的相位差分布，从而能够测量微小位移分布。
另外，非专利文献1涉及结构材料的应变分布、应力分布的测定方法，通过电子束光刻在作为测定对象的试样表面形成微细的模型网格，将基于扫描电子显微镜的电子束扫描作为主网格来使用。因为通过对模型网格进行电子束扫描而生成电子束莫尔条纹，所以通过解析该莫尔条纹来求出应变分布、应力分布。
另外，非专利文献2涉及用于机械性地释放残余应力的方法，特别是对最近的光学残余应力检测方法以及与其结合的以开孔法为代表的近年来的残余应力释放的方法进行了介绍。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开2009-162562号公报
专利文献2：国际公开第2015/008404号
非专利文献
非专利文献1：S.Kishimoto，Y.Xing，Y.Tanaka，and Y.Kagawa，Measurement ofStrain and Stress Distributions in Structural Materials by ElectronMoireMethod，Journal of Solid Mechanics and Materials Engineering，Vol.2，No.6，pp.812-821(2008)
非专利文献2：X.Huang，Z.Liu，and H.Xie，Recent Progress in ResidualStress Measurement Techniques，Acta Mechanica Solida Sinica，Vol.26，No.6，pp.570-583(2013)
发明内容
发明所要解决的问题
在上述的现有技术文献中采用了之前列举的各种莫尔条纹法。但是，认为这些莫尔条纹法存在例如以下的问题。
首先，在上述的莫尔条纹法中，仅进行残余应变的近似计算，对于x方向或y方向残余应变、残余剪切应变和残余主应变，不能同时测定准确的分布。
使用莫尔条纹定心技术的扫描显微镜莫尔法仅使用莫尔条纹的中心线的信息，所以变形的测定精度低。另外，在测定过程中，需要手动修正莫尔条纹的中心线，因而难以一并自动处理变形测定。
(时间)移相莫尔条纹法虽然能够提高变形的测定精度，但是需要移相装置，并且为了记录多张图像需要时间，因而不适于动态解析。
对于莫尔干涉法而言，由于变形灵敏度非常高，因而在变形较大时，莫尔条纹会变得非常致密而无法记录。因此，若变形较大，则会产生无法解析的区域。作为一例，在倒装芯片安装部件中存在模具角部，在这样的区域中，底部填料急剧变形，无法通过莫尔干涉法进行测定。
本发明鉴于上述及其他课题而作，其目的之一在于，提供一种即使在作为测定对象的试样大幅变形的情况下，也能够从单次取得的周期性图案准确地测定包含x方向应变、y方向应变、剪切应变以及主应变在内的残余热应变分布的残余热应变测定方法、残余热应变测定装置以及程序。
用于解决问题的手段
用于解决上述和其他课题的本发明的一个方式为一种残余热应变分布测定方法，其用于测定作为在对试样施加了热负荷时所产生的残余热变形的残余热应变分布，在所述残余热应变分布测定方法中，在第一温度和作为生成试样时的温度的试样生成温度下，通过图像记录单元记录存在于所述试样的表面的周期性图案的图像；基于所记录的各个所述周期性图案的图像生成莫尔条纹；计算所述第一温度下的与所述试样相关的所述莫尔条纹的相位；计算所述试样生成温度下的与所述试样相关的所述莫尔条纹的相位；取得相对于所述第一温度的所述试样生成温度下的所述莫尔条纹的相位差；基于所取得的所述相位差，计算相对于所述试样生成温度的所述第一温度下的所述试样的残余热应变。另外，本发明的其他方式包括用于实施所述变形测定方法的变形测定装置及其程序。
发明效果
根据本发明，即使在作为测定对象的试样大幅变形的情况下，也能够从单次取得的周期性图案准确地测定包含x方向应变、y方向应变、剪切应变以及主应变的残余热应变分布。
附图说明
图1为表示使用周期性图案(网格)测定残余应变的原理。
图2为表示变形前后的二维网格的几何关系的图。
图3为表示用于从网格计算相位的采样莫尔条纹法的原理。
图4为例示本申请发明所涉及的残余应变测定方法的流程图的图。
图5为表示从一维网格测定一维残余应变的过程的图。
图6为表示本发明的一个实施方式所涉及的残余应变测定装置的结构例的图。
图7为表示由图6的测定装置进行的残余应变的测定处理的流程图例的图。
图8为通过温度状态编号将本申请发明的方法的二维残余应变的测定结果与理论值进行比较表示的图。
图9为通过温度状态编号将所测定的二维残余应变的相对误差和标准偏差与理论值进行比较表示的图。
图10为表示在网格存在σ＝2％的随机噪声的情况下，应用应变和残余应变来转换网格的情况的图。
图11为表示在σ＝2％的情况下通过本申请发明的方法测定出的二维残余应变的绝对误差、相对误差和标准偏差与理论残余应变之间的关系的图。
图12为表示倒装芯片的试样的尺寸、用于纳米压印光刻的夹具、以及扫描激光显微镜下的热容器的图。
图13为表示倒装芯片的表面、其测定对象区域以及以3μm间距形成的网格的图。
图14为表示在25℃、75℃、125℃和150℃下的试样上的网格和x方向及y方向的莫尔条纹的图。
图15为表示在25℃、75℃、125℃和150℃下的试样上的x方向及y方向的莫尔条纹的相位的图。
图16为表示在125℃、75℃、25℃下的试样的x方向残余应变分布、y方向残余应变分布以及残余剪切应变分布的图。
图17为表示在125℃、75℃、25℃下的试样的最大及最小残余主应变分布的图。
图18为表示在125℃、75℃、25℃下的试样的最大及最小残余主应力分布的图。
具体实施方式
在本申请中，提出了通过将采样莫尔条纹(空间移相)法及其逆向问题解析相结合，能够准确地测定面内残余热变形的残余热应变测定莫尔条纹法。该莫尔条纹法涉及电子部件的封装、光学测定、实验力学等领域。
残余热应变测定莫尔条纹法在测定各种工业领域中的各种材料、结构的残余热应变和残余热应力的分布方面是有用的。该工业领域广泛地涉及航空航天、汽车、电子部件封装、生物制药、材料制造等。作为适用对象，可举出金属、聚合物、陶瓷、半导体、复合材料、多孔材料混合结构、薄膜等。能够广泛应用于纳米级至米级。
作为工业领域的典型的应用例，如下所述。
·残余热应力集中、位错的发生、滑动形成的可视化
·裂纹发生位置、裂纹生长路径以及层间剥离位置的预测
·压曲、不稳定性和缺陷产生机理解析用的内部残余热应力的评估
·用于提供与材料的强化相关的指导的残余热变形水平的评价
·用于边界面的最佳设计的残余热变形分布特性的评价
·用于生产质量管理的残余应变状态的监测
·基础设施、微电子机械系统的结构完整性的监测
＝＝本发明的基本原理＝＝
首先，针对作为本发明的实施方式的前提的测定基本原理，使用所需的数学式来进行说明。
相位的测定原理
二维周期性图案(以下，将所述周期性图案简称为“网格”)可以认为是2个一维网格、X网格和Y网格的组合。在温度Tr下制成试样网格(以下，将温度Tr简称为“室温”，但也可以不是室温)时，将x方向(水平向右方向)的网格X的间距设为px，将y方向(垂直向上方向)的网格Y的间距设为py。此时，室温下的二维网格的亮度能够由式(1)表示。
[数学式1]
另外，Ax、Ay分别为网格X、网格Y的调制后的振幅，B包含背景及高阶成分的亮度信息。
若使用低通滤波器或傅里叶变换，则所述二维网格能够分离成网格X和网格Y。网格X和网格Y的亮度能够分别由式(2)、式(3)表示。在此，Bx是网格X的背景和高阶成分的亮度信息，By是网格Y的背景和高阶成分的亮度信息，
分别表示网格X和网格Y的相位。
[数学式2]
在试样的温度变化为温度Tt的情况下，网格X和网格Y变化为网格X'、网格Y'。在图2中示意性地示出了此时的网格X、Y的变化的情况。在将网格X'的x方向的间距设为p'x，将网格Y'的y方向的间距设为p'y时，二维网格、网格X'和网格Y’在温度Tt下的亮度能够与式(1)～(3)同样地表示。
对于网格X和网格X'，能够将间隔数设为Nx，根据下采样和亮度插补来生成x方向的空间移相莫尔条纹。在图3中示意性地示出了该生成过程。温度Tr下的Nx步(step)的移相莫尔条纹的亮度能够由式(4)表示。
[数学式3]
(kx＝0，1，...，Nx-1)
另外，
表示从x方向的网格X生成的kx＝0时的莫尔条纹的相位。
对于网格Y和网格Y′，能够将间隔数设为Ny，根据下采样和亮度插补来生成y方向的空间移相莫尔条纹。温度Tr下的Ny步的移相莫尔条纹的亮度能够由式(5)表示。
[数学式4]
另外，
表示从y方向的网格Y生成的ky＝0时的莫尔条纹的相位。
式(4)、(5)的莫尔条纹的相位
能够使用离散傅立叶变换算法，从移相法如式(6)那样计算。
[数学式5]
同样，也能够计算温度Tt下的莫尔条纹的相位。
下面，对与热位移和热应变相关的测定原理进行说明。
根据式(2)、(4)，x方向的莫尔条纹的相位差与网格X的相位差相等，并且能够从式(7)决定。
[数学式6]
根据式(3)和(5)，y方向的莫尔条纹的相位差与网格Y的相位差相等，并且能够从式(8)决定。
[数学式7]
现在，在将x方向、y方向的试样的位移分别设为ux、uy时，由于温度变化而产生的网格X及网格Y的相位差能够由式(9)、(10)决定。
[数学式8]
在式(9)、(10)中，示出了莫尔条纹的相位差与试样的位移之间的关系。
因此，试样的x方向、y方向的位移能够由式(11)测定。
[数学式9]
由于不同方向上的应变是位移的偏微分，所以x方向应变、y方向应变以及剪切应变能够由下述的式(12)表示。
[数学式10]
根据式(11)和(12)，能够求出相对于室温Tr的任意温度Tt下的热位移和热应变。在设在试样生成温度Tf下试样的内部应力和应变为零的情况下，将其他温度下的内部应变称为残余热应变。
残余热应变的测定原理
由于x方向的应变能够从间距的变化即εx＝(p'x-px)/px求出，因此相对于室温Tr的温度Tr及Tf下的x方向的热应变能够根据网格间距间的关系而表示为式(13)。
[数学式11]
基于式(13)，相对于温度Tf的温度Tt下的垂直残余应变也能够通过间距的变化来表征。因此，温度Tt下的x方向的残余应变能够根据温度Tt和Tf下的x方向的热应变，使用式(14)求出。
[数学式12]
同样，温度Tt下的y方向的残余热应变能够根据温度Tt和Tf下的y方向的热应变，使用式(15)求出。另外，室温下的残余热应变能够从式(16)仅通过2张网格图像求出。
[数学式13]
剪切应变意味着试样的网格的交角发生变化。即，在设α′表示变形后的角度的情况下，γxy＝-(α′-α)，在交角从原来的直角变化为锐角时，γxy为正。相对于室温Tr的温度Tt、Tf下的热剪切应变能够分别由式(17)、
(18)表示。
[数学式14]
γxy(Tt)＝-(α(Tt)-α(Tr)) (17)
γxy(Tf)＝-(α(Tf)-α(Tr)) (18)
基于式(17)、式(18)，相对于温度Tf的温度Tt下的残余剪切应变也能够根据角度变化求出。因此，温度Tt下的残余剪切应变能够根据温度Tt、Tf下的热剪切应变，使用式(19)求出。
[数学式15]
γxy(Tt)Resid＝-(α(Tt)-α(Tf))＝γxy(Tt)-γxy(Tf) (19)
根据以上，任意温度下的x方向残余热应变、y方向残余热应变和残余剪切热应变能够使用式(14)、(15)、(19)求出。另外，温度Tt、Tf下的热应变，即εxx(Tt)、εyy(Tt)、γxy(Tt)、εxx(Tf)、εyy(Tf)以及γxy(Tf)能够从式(12)计算。
残余主应变、残余主应力的测定原理
在测定热应变和残余热应变之后，能够通过解析应变状态来求出热主应变和残余主应变。关于平面应力问题，残余主热应变能够通过以下数学式来计算。
[数学式16]
此外，对于平面应力问题，残余主应力能够通过胡克定律，如下进行计算。另外，E、ν分别为测定对象的试样的杨氏模量及泊松比。
[数学式17]
残余热变形测定的步骤
图4中示出了与残余热变形的测定相关的二维相位解析莫尔条纹法的流程图的一例。在执行二维相位解析莫尔条纹法时，在处理开始之后(S501)，在试样的表面上不存在周期性图案的情况下，首先在室温下在该试样上制作网格(S502)。接着，利用显微镜、图像传感器等图像记录单元来记录制作出的网格的图像(S503)。该图像记录在不同温度(包括室温和试样生成温度，该试样生成温度是试样生成时的残余应变量为0的状态的温度)下实施。
然后，对于所记录的网格的图像，以与试样网格的间距近似的间隔进行下采样处理。另外，所述间距也可以是试样网格的整数倍或整数分之一。而且，对于所记录的网格图像进行亮度的插补，生成试样的莫尔条纹(x方向、y方向)(S504)。然后，通过使用了傅立叶变换算法的空间移相，计算不同温度下的莫尔条纹的相位(x方向、y方向)(S505)。
求出试样的变形前后的莫尔条纹的相位差之后(S506)，基于相位解析和逆向问题解析(inverse problem)，能够得到残余应变分布(S507)。通过上述一系列处理，二维相位解析莫尔条纹法结束(S508)。此外，根据计算出的残余热应变分布，在平面应力问题中应用胡克定律，还可以进一步计算对应的残余热应力分布。
图5详细地例示了从一维网格求取y方向的残余应变的步骤。图5示意性地示出了利用图4说明的处理步骤，并示意性地示出了(a)在室温和试样生成温度下的一维网格的生成、(b)莫尔条纹的生成、(c)包裹相位的计算、(d)解包裹相位的计算、(e)相位差的计算、(f)相对于试样生成温度的室温下的试样的y方向的残余应变的计算的各处理。x方向的残余应变能够通过同样的计算步骤来计算。另外，若使用二维点或网眼状网格，则能够测定二维的残余热应变。
测定装置和测定程序
下面，对本发明的实施方式所涉及的残余热应变测定装置进行说明。图6示出了残余热应变测定装置1的结构例。如图6所示，残余热应变测定装置1具备网格图像记录装置10和计算机20，并具有对在热容器30内用加热器对固定于支架的试样施加热负荷时的试样的变形程度进行测定的功能。网格图像记录装置10包括显微镜、图像传感器等，具有将光学性地取得的网格图像作为数字数据而临时记录于存储器中并提供给计算机20的功能。计算机20是具备MPU、CPU等适当的处理器21和ROM、RAM、NVRAM等存储设备22的信息处理装置，并具有键盘等输入装置23和输出装置24。在图6的示例中，输出装置24是适当形式的监控显示器，但也可以是打印机等其他输出设备。在计算机20设置有能够与外部通信网络连接的通信模块，能够构成为能够与其他信息处理装置进行通信。
在计算机20的存储设备22中存储有莫尔条纹生成部221、相位处理部222、残余变形计算部223的各功能部。莫尔条纹生成部221、相位处理部222、残余变形计算部223能够分别构成为计算机程序，并且能够构成为由处理器21从存储设备22适当读出并执行。程序执行的契机能够通过来自输入装置23的指示来提供。
在热容器30中，对成为测定对象的制作有网格的各种试样施加热负荷而使之变形。如上所述，能够采用如下结构：将试样固定于设置在热容器30内的支架，并能够通过适当形式的加热器进行加热。
网格图像记录装置10将试样的变形程度记录为形成于试样的网格的图像，并提供给计算机20。图像数据通过适当的USB存储器等存储设备或适当的通信接口而被取入到计算机20。
接下来，对由图6的残余热应变测定装置1执行的试样的残余应变测定处理进行说明。图7示出了该试样的残余应变测定处理的处理流程例。开始处理后(S901)，首先从网格图像记录装置10取入网格图像数据，并从输入装置23输入解析处理用的解析参数(S902)。所谓解析参数，例如是图2所示的网格间距p、作为测定对象即试样的材料的物性的杨氏模量、泊松比等上述的本发明的二维相位解析处理所需的参数。
莫尔条纹生成部221从测定对象的试样表面的同一区域检索同一尺寸的网格图像(S903)。然后，莫尔条纹生成部221对网格图像进行滤波处理之后，生成移相莫尔条纹(S904)。所述滤波处理是将网格分离成x方向和y方向的处理，例如在一维莫尔条纹的情况下被省略。接着，相位处理部222计算所生成的莫尔条纹的包裹相位，并从试样的不同温度下的解包裹或包裹相位取得相位差(S905、S906)。接着，残余变形计算部223使用所取得的相位差，计算残余热应变分布(S907)，并输出到输出装置24而结束处理(S908、S909)。在计算残余热应力的情况下，在S907的处理之后设置对应的处理步骤。
实施例1与本发明的二维残余应变测定相关的模拟验证
在本实施例中，通过模拟来验证本发明的x方向、y方向残余热应变和剪切残余热应变测定的测定精度。x方向和y方向的网格间距为各10个像素，网格图像的尺寸为370×570像素。图8的(a)中示出了室温下的二维网格的一部分。将施加x方向应变、y方向应变和剪切应变而产生了变形的状态设为残余热应变为零的状态(试样生成温度)。将相对于变形后的网格的室温下的网格的应变设为残余热应变。对改变了不同的11个条件的温度状态(单纯比例增加)时的残余热应变进行了解析。另外，以下为了避免繁琐，也将“残余热应变”简称为“残余应变”。
使用式(14)、(15)及(19)，测定x方向、y方向的残余应变分布、以及残余剪切应变分布。将针对二维网格的交角的残余应变测定值的平均值与图8的(b)所示的残余应变理论值进行比较。根据该比较结果，确认了基于本发明的方法的残余应变的测定值与理论值非常一致。
图9的(a)描绘示出了与温度状态编号对应的残余应变测定值的相对误差。图9的(b)示出了与温度状态编号对应的残余应变测定值的标准偏差。相对误差在1.5％以内，标准偏差小于0.0012。由此可知，本发明所涉及的二维残余应变测定能够实现高精度。
实施例2与本发明的二维残余应变测定相关的基于具有随机噪声的网格的模拟验证
在本实施例中，对从含有随机噪声的网格求取残余应变的情况进行说明。如图10所示，温度T1下的二维网格在x方向和y方向上网格间距为各10个像素，网格图像的尺寸设为370×570像素。将具有网格振幅的2％振幅的随机噪声加入到网格。
通过施加x方向、y方向应变和剪切应变而使温度T1的网格变形为温度T2的网格。通过施加x方向、y方向的残余应变和残余剪切应变，温度T2的网格可以转变为温度T1的网格。
使用本发明的方法来测定了网格的残余应变。图11中相对于应变理论值示出了残余应变测定值的绝对误差、相对误差和标准偏差。如图11所示，绝对误差在0～0.00017的范围内，相对误差在-1.5％～0.7％的范围内，标准偏差小于0.0012。如此，本发明的方法表明即使在网格中存在随机噪声的情况下，也能以高精度进行残余应变测定。
实施例3利用了本发明的微应变集中可视化的对倒装芯片的底部填料的二维残余热应变测定
在本实施例中，对使用了本发明的方法的对倒装芯片(FC)的底部填料的二维应变测定进行说明。图12示出了本实施例中的测定对象的试样的形状尺寸和用于测定的热容器。在该FC表面的1.8×15mm2的范围内，在25℃下通过UV纳米压印光刻来制作出网格间距为3μm的正交网格。在扫描激光显微镜下实施加热试验。图13示出了制作网格前后的FC表面和所制作的网格间距为3μm的网格。
在加热试验的期间，将FC的底部填料上的一个模具角(图15的着色为灰色的多边形)附近的286×316μm2的范围选定为测定目标区域。在25、75、125、150℃下记录目标区域的网格图像，并使用本发明的方法测定对应的残余热应变分布。图14示出了上述温度下的网格图像和x方向、y方向的8个像素的下采样莫尔条纹。图15示出了上述x方向、y方向莫尔条纹的对应的相位分布。
从相对于25℃下的相位的相位差，可以求出底部填料的x方向、y方向应变分布和剪切应变分布。由于150℃下的FC的应变理论值为0，因此可以使用本发明的方法来测定其他温度下的底部填料的残余应变。图16示出了125、75、25℃下的x方向、y方向残余应变分布和残余剪切应变分布的测定结果。在模具的右侧部分，特别是在模具的角部分，x方向的残余应变的绝对值最大。在模具的底部，特别是在模具的角部分，y方向残余应变和残余剪切应变的绝对值最大。
使用式(20)、(21)，求出125、75、25℃下的最大、最小残余主应变和最大、最小残余主应力。图17示出了最大、最小残余主应变，图18示出了最大、最小残余主应力。另外，底部填料的杨氏模量在125、75、25℃下分别为35、740、7850MPa。此外，泊松比分别设为0.45、0.45、0.30。
这些结果表明，最大残余主应变在模具的底部成为最大，最小主应变的绝对值在模具的角部成为最大。残余主应力显示出与残余主应变同样的分布。
如以上所说明的那样，根据本发明的一个实施方式，能够一并准确地测定x方向残余应变、y方向残余应变、残余剪切应变、残余主应变的分布。另外，对于残余热应变和残余热应力的测定，能够进行高精度的自动批处理和高速的图像存储。另外，本实施方式的莫尔条纹法适用于动态变形测定，能够实时地显示测定结果。
产业上的可利用性
本发明的残余热应变分布测定方法、其装置及其程序可应用于航空航天、汽车、电子部件封装、医药、材料制造等领域。本发明的方法可用于缺陷解析、残余应力测定、纳米级至米级的材料强度增强、界面的最佳设计、生产质量管理、结构完整性监测等。
符号说明
1 热变形测定装置
10 网格图像记录装置
20 计算机
21 处理器
22 存储器
221 莫尔条纹产生部
222 相位处理部
223 残余变形计算部
23 输入装置
24 输出装置
30 热容器。
Claims (6)
1.一种残余热应变分布测定方法，其用于一并测定作为在对试样施加了热负荷时产生的残余热变形的包含x方向应变、y方向应变、剪切应变以及主应变在内的残余热应变分布，在所述残余热应变分布测定方法中，
在第一温度和作为生成试样时的温度的试样生成温度下，通过图像记录单元来记录存在于该试样的表面的周期性图案的图像；
利用作为空间移相法的采样莫尔条纹法，基于所记录的各所述周期性图案的图像来生成莫尔条纹，
计算所述第一温度下的与所述试样相关的所述莫尔条纹的相位，
计算所述试样生成温度下的与所述试样相关的所述莫尔条纹的相位，
取得相对于所述第一温度的所述试样生成温度下的所述莫尔条纹的相位差，
基于所取得的所述相位差，计算相对于所述试样生成温度的所述第一温度下的所述试样的残余热应变。
2.根据权利要求1所述的残余热应变分布测定方法，其中，
在与所述第一温度以及所述试样生成温度不同的第二温度下，通过所述图像记录单元来记录存在于所述试样的表面的所述周期性图案的图像，
基于所记录的所述第二温度下的周期性图案的图像来生成莫尔条纹，
计算所述第二温度下的与所述试样相关的所述莫尔条纹的相位，
取得相对于所述第一温度的所述第二温度下的所述莫尔条纹的相位差，并计算所述第二温度下的所述试样的残余热应变。
3.根据权利要求1所述的残余热应变分布测定方法，其中，
所述第一温度为室温。
4.根据权利要求1所述的残余热应变分布测定方法，其中，
根据计算出的所述残余热应变分布，将胡克定律应用于平面应力问题，来进一步计算残余热应力分布。
5.根据权利要求1所述的残余热应变分布测定方法，其中，
在所述试样的表面不存在所述周期性图案的情况下，包括在所述第一温度下在所述试样的表面制作周期性图案的处理。
6.一种残余热应变测定装置，其用于一并测定作为在对试样施加了热负荷时产生的残余热变形的包含x方向应变、y方向应变、剪切应变以及主应变在内的残余热应变分布，所述残余热应变测定装置具备：
负荷施加单元，其用于向试样施加热负荷；
图像记录单元，其用于在第一温度和作为生成所述试样时的温度的试样生成温度下，记录存在于所述试样的表面的周期性图案的图像；
残余热应变测定单元，其构成为：利用作为空间移相法的采样莫尔条纹法，基于所记录的各所述周期性图案的图像来生成莫尔条纹；计算所述第一温度下的与所述试样相关的所述莫尔条纹的相位；计算所述试样生成温度下的与所述试样相关的所述莫尔条纹的相位；取得相对于所述第一温度的所述试样生成温度下的所述莫尔条纹的相位差；基于所取得的所述相位差，计算相对于所述试样生成温度的所述第一温度下的所述试样的残余热应变；以及
输出单元，其输出所述计算结果。
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Legal Events
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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