CN110501229A - 一种非接触式金属管材csr值测试系统及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种非接触式金属管材CSR值测试系统及方法，包括金属管材单向拉伸及应变测量模块，用于进行金属管材试样单向拉伸试验及试样标距段应变场分析；工程应变获取和计算模块，用于截取所述金属管材单向拉伸及应变测量模块的单向拉伸过程中管材试样标距段周向和轴向不同位置的工程应变并计算其平均值；塑性真应变计算模块，用于计算单向拉伸过程中管材试样周向和轴向塑性真应变；CSR值计算模块，用于计算单向拉伸过程中管材CSR值。相比传统的划线测量管材外径和标距长度变化的方法，本发明克服了传统划线测量过程中极易产生的误差的缺点。本发明实施例操作简单，可以在进行金属管材拉伸力学性能测试的同时实现CSR值得测量，节约了成本。

Description

一种非接触式金属管材CSR值测试系统及方法
技术领域
本发明涉及金属材料塑性成形加工技术领域，尤其涉及一种非接触式金属管材CSR值测试系统及方法。
背景技术
管路构件是广泛应用于航空航天等领域先进飞行器中起流体传输等重要功效的关键构件，被称为飞行器的“血管类”生命控制线，其性能的优劣将直接影响飞行器的安全和适航性能。对于金属管材尤其是具有密排六方结构的钛合金等管材而言，诸如冷加工和热处理等成形工艺过程都会引起材料内部晶粒发生择优取向即形成织构，进而使管材表现出较为显著的各向异性。织构分布状态会对管材的后续弯曲和液压胀形等成形性能以及最终的服役性能产生显著的影响，目前国内外外科研工作者和相关企业基本均采用收缩应变比(CSR)作为管材织构表征和性能评价的重要指标，其反映的是在单轴拉伸作用下管材圆周方向塑性真应变和壁厚方向塑性真应变的比值，CSR值越大表明管材的在变形过程中的抗壁厚减薄的能力越强。大量研究还表明管材的CSR值与其屈强比、延伸率、扩口、弯曲疲劳强度等性能存在明显的关联关系，并给出了合理的CSR值范围供管材制造商参考和作为出厂合格要求。
国内外现有的金属管材CSR值测试方法主要依照航空标准SAE AS4076-1987以及国标GB/T 34645-2017中给出的方法进行，上述两种标准给出的方法基本一致，都是在管材标距段的外表面划4条与轴向平行的标线，并在标距段划3条间距25mm的与管材轴线垂直的圆周线，通过万能电子拉伸机将管材拉伸至总延伸率的(3.75±0.25)％左右时停止试验，通过测量拉伸前后管材划线位置的标距和直径的变化的平均值进而计算得到管材的轴向塑性真应变和周向塑性真应变，最终获得管材的CSR值。上述测试方法获得的管材CSR值仅是特定应变所对应的一个定值，同时测试过程中划线和测量的过程相对较为复杂且对精度要求极高，稍有不慎极易造成测试结果的偏差。授权公告号为CN201310024313.6的发明专利公开了一种获得钛合金管连续变化的收缩应变比的方法，但是该方法采用的是管材轴向和周向的塑性应变值进行CSR值计算，而非塑性真应变，测量结果存在一定的偏差。因此，建立一种快速准确的CSR值测试方法及系统是管材成形加工领域急需解决的问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种非接触式金属管材CSR值测试方法及系统，以实现简单、快速、准确的获得金属管材CSR值，还能在测试金属管材拉伸力学性能的同时实现CSR值的测量，无需单独进行测试，有效节约成本。
为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：
本发明一种非接触式金属管材CSR值测试系统，包括
金属管材单向拉伸及应变测量模块，用于进行金属管材试样单向拉伸试验及试样标距段应变场分析；所述金属管材单向拉伸及应变测量模块包括万能电子拉伸试验机和三维数字相关视屏应变测量系统；所述三维数字相关视屏应变测量系统包括两个CCD相机、一块标定板和一套VIC-3D应变分析软件，所述CCD相机将从所述万能电子拉伸试验机的工作处采集到的数据传输给所述VIC-3D应变分析软件；
工程应变获取和计算模块，用于截取所述金属管材单向拉伸及应变测量模块的单向拉伸过程中管材试样标距段周向和轴向不同位置的工程应变并计算其平均值；
与所述工程应变获取和计算模块相连的塑性真应变计算模块，用于计算单向拉伸过程中管材试样周向和轴向塑性真应变；
与塑性真应变计算模块相连的CSR值计算模块，用于计算单向拉伸过程中管材CSR值。
进一步的，所述CCD相机为高分辨率CCD相机。
一种非接触式金属管材CSR值测试方法，利用如上述的任意一项非接触式金属管材CSR值测试系统；
第一步，按照GBT228-2002标准加工金属管材拉伸试样以及相应的管塞头，并检测管材的内径d、外径D和壁厚t，计算出管材的横截面积S，其中试样标距段长度为50mm；
第二步，首先采用白色油漆在拉伸试样标距段外表面喷涂一层白色的基底，而后采用黑色油漆在白色基底上轻微喷洒大小均匀的黑点形成散斑；
第三步，调节三维数字相关视屏应变测量系统中双CCD相机的亮度和焦距等参数，保证所拍摄的照片中散斑清晰可见且试样表面无反光，采用标定板对相机的焦距、亮度以及坐标系等参数进行校准；
第四步，采用万能电子拉伸试验机进行试样单向拉伸试验，应变速率为0.001s-1，试验进行到拉断停止，利用双CCD相机对拉伸过程中试样标距段外表面拍照并将相应照片存储于移动工作站，试验停止后利用VIC-3D应变分析软件基于标定和校准的参数对所拍摄的照片中标距段外表面散斑进行分析计算，得到相应的应变场信息；
第五步，基于VIC-3D应变分析软件计算得到的应变场信息，计算钛合金管在单向拉伸过程中的轴向塑性真应变和周向塑性真应变的平均值；
第六步，基于计算得到的管材轴向塑性真应变和周向塑性真应变的平均值，确定管材试样CSR值。
进一步的，第三步中，试验前可对试样拍摄一张静态照片，利用VIC-3D应变分析软件基于标定和校准的参数对该静态照片进行分析计算，以检验试样表面散斑是否可以进行有效计算。
再进一步的，第五步中，计算管材试样在单向拉伸过程中的轴向塑性真应变和周向塑性真应变的平均值，具体包括如下步骤：
从标距段截取轴向间隔为12.5mm的A1-B1、A2-B2、A3-B3、A4-B4和A5-B5五处的工程应变并取平均值作为管材周向工程应变εEc，从标距段截取A1-A5、B1-B5和C1-C5三处的工程应变并取平均值作为管材轴向工程应变εEa，其中A1-A5、B1-B5和C1-C5的长度与标距段长度相同；
所述的管材周向塑性真应变由公式(1)计算得到；
所述的管材轴向塑性真应变由公式(2)计算得到；
式中，ν为材料泊松比，σT为真实应力，E为材料弹性模量；
所述的真实应力σT由公式(3)计算得到；
式中，F为单向拉伸过程中试验机采集到的拉伸载荷，S为测量得到的管材试样的横截面积。
再进一步的，基于计算得到的管材轴向塑性真应变和周向塑性真应变的平均值，并根据计算公式(4)确定管材试样CSR值。
与现有技术相比，本发明的有益技术效果如下：
1.相比传统的划线测量管材外径和标距长度变化的方法，本发明通过非接触式DIC视屏应变测量系统进行金属管材在拉伸过程中的应变测量分析，克服了传统划线测量过程中极易产生的误差的缺点。
2.本发明在测量过程中可以选取多组管材轴向和周向的应变值并取平均用于CSR值的计算，可以有效地提高测量和计算精度。
3.本发明实施例操作简单，可以在进行金属管材拉伸力学性能测试的同时实现CSR值得测量，节约了成本，应用前景广阔。
附图说明
下面结合附图说明对本发明作进一步说明。
图1为非接触式金属管材CSR值测试系统示意图；
图2为管材单向拉伸及应变测量模块(VIC-3D应变分析软件用装有VIC-3D应变分析软件的硬件代替)示意图；
图3为管材拉伸试样示意图；
图4为管材拉伸试样的管塞头主视图；
图5为管材拉伸试样的管塞头侧视图；
图6为管材工程应变截取位置示意图：(a)周向工程应变截取位置示意图和(b)轴向工程应变截取位置示意图；
图7为本发明实例1得到的钛合金管材CSR值测量结果；
图8为本发明实例2得到的铝合金管材CSR值测量结果。
附图标记说明：1、管材单向拉伸及应变测量模块；11、万能电子拉伸试验机；12、三维数字相关视屏应变测量系统；121、CCD相机；122、VIC-3D应变分析软件；2、工程应变获取和计算模块；3、塑性真应变计算模块；4、CSR值计算模块。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，以使本发明的优点和特征能更容易被本领域技术人员理解，从而对本发明的保护范围做出更为清楚明确的界点。
如图1、2所示，一种非接触式金属管材CSR值测试系统的其中一种具体实施例，包括依次相连的管材单向拉伸及应变测量模块1、工程应变获取和计算模块2、塑性真应变计算模块3和CSR值计算模块4。管材单向拉伸及应变测量模块1，用于进行金属管材试样单向拉伸试验及试样标距段应变场分析。工程应变获取和计算模块2，用于截取单向拉伸过程中管材试样标距段周向和轴向不同位置的工程应变并计算其平均值。塑性真应变计算模块3，用于计算单向拉伸过程中管材试样周向和轴向塑性真应变。CSR值计算模块4，用于计算单向拉伸过程中管材CSR值。
所述管材单向拉伸及应变测量模块1包括万能电子拉伸试验机11和三维数字相关(DIC)视屏应变测量系统12。所述三维数字相关(DIC)视屏应变测量系统12包括两个CCD相机121、一块标定板和一套VIC-3D应变分析软件122(图2中用预装有VIC-3D应变分析软件的电脑硬件代替)，所述CCD相机121为高分辨率CCD相机。所述CCD相机将从所述万能电子拉伸试验机的工作处采集到的数据传输给所述VIC-3D应变分析软件。
利用上述系统的非接触式金属管材CSR值测试方法。
实施例1
本实施例是一种非接触式TA18钛合金管CSR值测试方法，选用的钛合金管规格为Φ8×t0.6mm，具体步骤如下：
第一步，如图3、4、5所示，按照GBT228-2002中的标准加工TA18钛合金管拉伸试样以及相应的管塞头，并检测管材的内径d、外径D和壁厚t，计算出管材的横截面积S，试样标距段长度为50mm；试验机夹头不能超过管塞头最外端35mm处，如图4中Q处。
第二步，首先采用白色油漆在拉伸试样标距段喷涂一层白色的基底，而后采用黑色油漆在白色基底上轻微喷洒大小均匀的黑点形成散斑。
第三步，调节三维数字相关(DIC)视屏应变测量系统中双CCD相机的亮度和焦距等参数，保证所拍摄的照片中散斑清晰可见且试样表面无反光，采用标定板对相机的焦距、亮度以及坐标系等参数进行校准，并对对试样拍摄一张静态照片，利用VIC-3D应变分析软件基于标定和校准的参数对该静态照片进行分析计算，检验试样表面散斑是否可以进行有效计算。
第四步，采用万能电子拉伸试验机进行TA18钛合金管单向拉伸试验，应变速率为0.001s-1，试验进行到拉断停止，利用双CCD相机对拉伸过程中试样标距段外表面拍照并将相应照片存储于移动工作站，试验停止后利用VIC-3D应变分析软件基于标定和校准的参数对所拍摄的照片中标距段外表面散斑进行分析计算，得到相应的应变场信息。
第五步，基于VIC-3D计算得到的应变场信息，根据图6(a)所示从标距段截取A1-B1、A2-B2、A3-B3、A4-B4和A5-B5五处的工程应变并取平均值作为钛合金管周向工程应变εEc，根据图6(b)所示从标距段截取A1-A5、B1-B5和C1-C5三处的工程应变并取平均值作为钛合金管轴向工程应变εEa，计算钛合金管在单向拉伸过程中的轴向塑性真应变和周向塑性真应变的平均值。
所述的TA18钛合金管周向塑性真应变由公式(1)计算得到；
所述的TA18钛合金管轴向塑性真应变由公式(2)计算得到；
式中，ν为材料泊松比，σT为真实应力，E为材料弹性模量；
所述的真实应力σT由公式(3)计算得到；
式中，F为单向拉伸过程中试验机采集到的拉伸载荷，S为测量得到的TA18钛合金管试样的横截面积。
第六步，基于计算得到的管材轴向塑性真应变和周向塑性真应变的平均值，并根据计算公式(4)确定TA18钛合金管CSR值。
TA18钛合金管CSR值测量结果如图7所示，CSR值在单向拉伸过程呈先下降后趋于稳定地变化趋势，按照SAE AS4076-1987以及GB/T 34645-2017标准中的要求可以得到取均匀塑性变形阶段3.75％应变时的TA18钛合金管CSR值为2.245。
实施例2
本实施例是一种非接触式5052铝合金管CSR值测试方法，选用的钛合金管规格为Φ20×t1mm，具体步骤如下：
第一步，如图3、4、5所示，按照GBT228-2002中的标准加工5052铝合金管拉伸试样以及相应的管塞头，并检测管材的内径d、外径D和壁厚t，计算出管材的横截面积S，试样标距段长度为50mm；试验机夹头不能超过管塞头最外端35mm处，如图4中Q处。
第二步，首先采用白色油漆在拉伸试样标距段喷涂一层白色的基底，而后采用黑色油漆在白色基底上轻微喷洒大小均匀的黑点形成散斑。
第三步，调节三维数字相关(DIC)视屏应变测量系统中双CCD相机的亮度和焦距等参数，保证所拍摄的照片中散斑清晰可见且试样表面无反光，采用标定板对相机的焦距、亮度以及坐标系等参数进行校准，并对对试样拍摄一张静态照片，利用VIC-3D应变分析软件基于标定和校准的参数对该静态照片进行分析计算，检验试样表面散斑是否可以进行有效计算。
第四步，采用万能电子拉伸试验机进行5052铝合金管单向拉伸试验，应变速率为0.001s-1，试验进行到拉断停止，利用双CCD相机对拉伸过程中试样标距段外表面拍照并将相应照片存储于移动工作站，试验停止后利用VIC-3D应变分析软件基于标定和校准的参数对所拍摄的照片中标距段外表面散斑进行分析计算，得到相应的应变场信息。
第五步，基于VIC-3D计算得到的应变场信息，根据图6(a)所示从标距段截取A1-B1、A2-B2、A3-B3、A4-B4和A5-B5五处的工程应变并取平均值作为钛合金管周向工程应变εEc，根据图6(b)所示从标距段截取A1-A5、B1-B5和C1-C5三处的工程应变并取平均值作为铝合金管轴向工程应变εEa，计算铝合金管在单向拉伸过程中的轴向塑性真应变和周向塑性真应变的平均值。
所述的5052铝合金管周向塑性真应变由公式(1)计算得到；
所述的5052铝合金管轴向塑性真应变由公式(2)计算得到；
式中，ν为材料泊松比，σT为真实应力，E为材料弹性模量；
所述的真实应力σT由公式(3)计算得到；
式中，F为单向拉伸过程中试验机采集到的拉伸载荷，S为测量得到的TA18钛合金管试样的横截面积；
第六步，基于计算得到的管材轴向塑性真应变和周向塑性真应变的平均值，并根据计算公式(4)确定TA18钛合金管CSR值。
5052铝合金管CSR值测量结果如图8所示，CSR值在单向拉伸过程呈先下降后趋于稳定地变化趋势，按照SAE AS4076-1987以及GB/T 34645-2017标准中的要求可以得到取均匀塑性变形阶段3.75％应变时的5052铝合金管CSR值为0.954。
以上所述的实施例仅是对本发明的优选方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。

Claims (6)

1.一种非接触式金属管材CSR值测试系统，其特征在于：包括
金属管材单向拉伸及应变测量模块(1)，用于进行金属管材试样单向拉伸试验及试样标距段应变场分析；所述金属管材单向拉伸及应变测量模块(1)包括万能电子拉伸试验机(11)和三维数字相关视屏应变测量系统(12)；所述三维数字相关视屏应变测量系统(12)包括两个CCD相机(121)、一块标定板和一套VIC-3D应变分析软件(122)，所述CCD相机(121)将从所述万能电子拉伸试验机(11)的工作处采集到的数据传输给所述VIC-3D应变分析软件(122)；
工程应变获取和计算模块(2)，用于截取所述金属管材单向拉伸及应变测量模块(1)的单向拉伸过程中管材试样标距段周向和轴向不同位置的工程应变并计算其平均值；
与所述工程应变获取和计算模块(2)相连的塑性真应变计算模块(3)，用于计算单向拉伸过程中管材试样周向和轴向塑性真应变；
与塑性真应变计算模块(3)相连的CSR值计算模块(4)，用于计算单向拉伸过程中管材CSR值。
2.根据权利要求1所述的非接触式金属管材CSR值测试系统，其特征在于：所述CCD相机(121)为高分辨率CCD相机。
3.一种非接触式金属管材CSR值测试方法，其特征在于：利用如权利要求1-2任意一项所述的非接触式金属管材CSR值测试系统；
第一步，按照GBT228-2002标准加工金属管材拉伸试样以及相应的管塞头，并检测管材的内径d、外径D和壁厚t，计算出管材的横截面积S，其中试样标距段长度为50mm；
第二步，首先采用白色油漆在拉伸试样标距段外表面喷涂一层白色的基底，而后采用黑色油漆在白色基底上轻微喷洒大小均匀的黑点形成散斑；
第三步，调节三维数字相关视屏应变测量系统中双CCD相机的亮度和焦距等参数，保证所拍摄的照片中散斑清晰可见且试样表面无反光，采用标定板对相机的焦距、亮度以及坐标系等参数进行校准；
第四步，采用万能电子拉伸试验机进行试样单向拉伸试验，应变速率为0.001s-1，试验进行到拉断停止，利用双CCD相机对拉伸过程中试样标距段外表面拍照并将相应照片存储于移动工作站，试验停止后利用VIC-3D应变分析软件基于标定和校准的参数对所拍摄的照片中标距段外表面散斑进行分析计算，得到相应的应变场信息；
第五步，基于VIC-3D应变分析软件计算得到的应变场信息，计算钛合金管在单向拉伸过程中的轴向塑性真应变和周向塑性真应变的平均值；
第六步，基于计算得到的管材轴向塑性真应变和周向塑性真应变的平均值，确定管材试样CSR值。
4.根据权利要求3所述的非接触式金属管材CSR值测试方法，其特征在于：第三步中，试验前可对试样拍摄一张静态照片，利用VIC-3D应变分析软件基于标定和校准的参数对该静态照片进行分析计算，以检验试样表面散斑是否可以进行有效计算。
5.根据权利要求3所述的非接触式金属管材CSR值测试方法，其特征在于：第五步中，计算管材试样在单向拉伸过程中的轴向塑性真应变和周向塑性真应变的平均值，具体包括如下步骤：
从标距段截取轴向间隔为12.5mm的A1-B1、A2-B2、A3-B3、A4-B4和A5-B5五处的工程应变并取平均值作为管材周向工程应变εEc，从标距段截取A1-A5、B1-B5和C1-C5三处的工程应变并取平均值作为管材轴向工程应变εEa，其中A1-A5、B1-B5和C1-C5的长度与标距段长度相同；
所述的管材周向塑性真应变由公式(1)计算得到；
所述的管材轴向塑性真应变由公式(2)计算得到；
式中，ν为材料泊松比，σT为真实应力，E为材料弹性模量；
所述的真实应力σT由公式(3)计算得到；
式中，F为单向拉伸过程中试验机采集到的拉伸载荷，S为测量得到的管材试样的横截面积。
6.根据权利要求5所述的非接触式金属管材CSR值测试方法，其特征在于：基于计算得到的管材轴向塑性真应变和周向塑性真应变的平均值，并根据计算公式(4)确定管材试样CSR值。
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